CN107069899A - 一种无线充电接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种无线充电接收系统及方法，系统包括：直流‑直流转换模块、至少一个超表面单元组和整流模块，超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件；超表面单元组，用于接收微波无线信号，并将微波无线信号转化为高频电流信号；整流模块，用于将高频电流信号转换为直流信号；直流‑直流转换模块，用于将直流信号转换为负载可直接利用的直流信号。在本申请中，通过以上方式提高了微波无线信号的吸收率，进而提高了将微波无线信号转化为可直接利用的直流信号的效率。

Description

一种无线充电接收系统及方法

技术领域

本申请涉及无线充电和通信领域，特别涉及一种无线充电接收系统及方法。

背景技术

目前，常用的充电方式为有线充电方式，即通过电源线、信号线等导线连接完成充电，这种充电方式无法摆脱导线的束缚，会存在导线接触、摩擦等产生放电的危险，而且使用起来也不方便。为了解决有线充电方式存在的问题，无线充电应用而生。其中，无线充电方法中一般采用微波无线充电系统来实现中远距离无线充电，以满足用户中远距离充电的需求。

目前的微波无线充电系统中，接收端采用天线接收空中的微波无线信号，然后将接收到的微波无线信号转化为直流信号进行利用。但是受天线基本局限性(如阵列单元之间互耦产生的阻抗失配以及接收性能随入射角变化明显等)的影响，微波无线信号在天线口径面会产生反射并降低天线增益，造成接收效率低下，进而影响将微波无线信号转化为直流信号的效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种无线充电接收系统及方法，以达到提高微波无线信号的吸收率，进而提高将微波无线信号转化为可直接利用的直流信号的效率的目的，技术方案如下：

一种无线充电接收系统，包括：直流-直流转换模块、至少一个超表面单元组和整流模块，所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件；

所述超表面单元组的输出端与所述整流模块的输入端相连，所述整流模块的输出端与所述直流-直流转换模块的输入端相连，所述直流-直流转换模块的输出端与负载相连；

所述超表面单元组，用于接收微波无线信号，并将所述微波无线信号转化为高频电流信号；

所述整流模块，用于将所述高频电流信号转换为直流信号；

所述直流-直流转换模块，用于将所述直流信号转换为所述负载可直接利用的直流信号。

优选的，还包括：超表面单元组的介电常数和磁导率确定模块，用于获取微波无线信号的频率和功率密度；及，根据所述微波无线信号的频率和功率密度，配置整流模块，并确定配置后的整流模块的输入阻抗；及，利用所述微波无线信号的频率和功率密度以及所述配置好的整流模块的输入阻抗，直到所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。

优选的，所述超表面单元组包括多个超表面单元。

优选的，所述超表面单元为特定几何形状的亚波长宏观单元，所述超表面单元组由特定几何形状的亚波长宏观单元周期性或非周期性的排列构成。

优选的，所述整流模块的个数与所述超表面单元组的个数相同或所述整流模块的个数与所述超表面单元组中超表面单元的个数相同。

优选的，所述整流模块包括肖特基二极管。

优选的，所述直流-直流转换模块包括：直流电压变换芯片，用于对所述直流信号进行电压变换，得到所述负载可直接利用的直流信号。

一种无线充电接收方法，基于无线充电接收系统，所述无线充电接收系统包括：直流-直流转换模块、至少一个超表面单元组和整流模块，所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件，所述超表面单元组的输出端与所述整流模块的输入端相连，所述整流模块的输出端与所述直流-直流转换模块的输入端相连，所述直流-直流转换模块的输出端与负载相连，所述方法包括：

所述超表面单元组接收微波无线信号，并将所述微波无线信号转化为高频电流信号；

所述整流模块将所述高频电流信号转换为直流信号；

所述直流-直流转换模块将所述直流信号转换为所述负载可直接利用的直流信号。

优选的，所述方法还包括：

获取微波无线信号的频率和功率密度；

根据所述微波无线信号的频率和功率密度，配置整流模块，并确定配置后的整流模块的输入阻抗；

利用所述微波无线信号的频率和功率密度以及所述配置好的整流模块的输入阻抗，调整所述超表面单元组的尺寸，直到所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。

优选的，所述超表面单元组包括多个超表面单元。

优选的，所述超表面单元为特定几何形状的亚波长宏观单元，所述超表面单元组由特定几何形状的亚波长宏观单元周期性或非周期性的排列构成。

优选的，所述整流模块的个数与所述超表面单元组的个数相同或所述整流模块的个数与所述超表面单元组中超表面单元的个数相同。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

在本申请中，提供一种无线充电接收系统，包括：直流-直流转换模块、至少一个超表面单元组和整流模块，所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。因超表面单元组的介电常数和磁导率可以满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件，因此在超表面单元组接收微波无线信号时，可以减少微波无线信号在空气与超表面单元组的接触界面上的反射现象，提高微波无线信号的吸收率，进而提高将微波无线信号转化为可直接利用的直流信号的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的无线充电接收系统的一种逻辑结构示意图；

图2是本申请提供的无线充电接收系统的一种工作结构示意图；

图3-1示出了本申请提供的超表面单元组的一种排布示意图；

图3-2示出了本申请提供的超表面单元的结构示意图；

图4示出了本申请提供的无线充电接收方法的一种流程图；

图5示出了本申请提供的确定超表面单元结构和设计参数的一种流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

请参见图1，其示出了本申请提供的无线充电接收系统的一种逻辑结构示意图，无线充电接收系统包括：直流-直流转换模块11、至少一个超表面单元组12和至少一个整流模块13。

所述超表面单元组12的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。

由于媒质的波阻抗由其介电常数和磁导率决定，因此本实施例中对超表面单元组12的介电常数和磁导率进行设置，使其能够满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件，保证具备该介电常数和磁导率的超表面单元组12接收微波无线信号时，可以减少微波无线信号在空气与超表面单元组12的接触界面上的反射现象，提高微波无线信号的吸收率。

所述超表面单元组12的输出端与所述整流模块13的输入端相连，所述整流模块13的输出端与所述直流-直流转换模块11的输入端相连，所述直流-直流转换模块11的输出端与负载相连。

所述超表面单元组12，用于接收微波无线信号，并将所述微波无线信号转化为高频电流信号。

本实施例中，对超表面单元组12接收微波无线信号，并将所述微波无线信号转换为高频电流信号的过程进行介绍，具体如下：

微波无线信号入射到超表面单元组12，超表面单元组12则接收到微波无线信号，并形成微波无线信号的电磁场，电磁场使超表面单元组12内部电子振荡，形成高频电流信号。

所述整流模块13，用于将所述高频电流信号转换为直流信号。

本实施例中，基于整流模块13的单向导电、非线性等特性，可以将对应频率的交流信号即高频电流信号转换为直流信号。

所述直流-直流转换模块11，用于将所述直流信号转换为所述负载可直接利用的直流信号。

由于整流模块13输出的直流信号可能与负载的电压不匹配，因此通过直流-直流转换模块11将整流模块13输出的直流信号转换为负载可直接利用的直流信号，实现安全用电。

本实施例中，直流-直流转换模块11可以根据实际使用需求，将初始直流信号转换为实际使用需求对应的负载可直接利用的直流信号，如将初始直流信号转换为充电需求对应的负载可直接利用的直流信号，为负载充电。

在本申请中，提供一种无线充电接收系统，包括：直流-直流转换模块11、至少一个超表面单元组12和整流模块13，所述超表面单元组12的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。因超表面单元组12的介电常数和磁导率可以满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件，因此在超表面单元组12接收微波无线信号时，可以减少微波无线信号在空气与超表面单元组12的接触界面上的反射现象，提高微波无线信号的吸收率，进而提高将微波无线信号转化为可直接利用的直流信号的效率。

本实施例中，超表面单元组12的个数可以为1个，这种情况下，直流-直流转换模块11只需接收一路直流信号即可。

当然，超表面单元组12的个数也可以为多个，这种情况下，直流-直流转换模块11可以接收多路直流信号，提升对负载的供电效率。其中，超表面单元组12的个数为多个时，无线充电接收系统的结构可以参见图2，如图2所示，无线充电接收系统包括多个超表面单元组12，与超表面单元组12个数相同的整流模块13以及一个直流-直流转换模块11，直流-直流转换模块11接收多路直流信号，并对多路直流信号分别转换为负载可直接利用的直流信号，并输出至负载。

本实施例中，每个超表面单元组12均包括多个超表面单元。多个超表面单元周期性或非周期性的排列构成超表面单元组12。

本实施例中，超表面单元具体可以但不局限于为特定几何形状的亚波长宏观单元。可以理解的是，亚波长宏观单元为金属带，其为用有序的人造单元“粒子”代替自然界材料的分子或原子等基本粒子，所组成的一种等效材料，会形成自然界中不存在的介电常数和磁导率的物质，如介电常数和磁导率均为负值的物质。

超表面单元组则为基于广义斯涅尔定理，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行电磁/光学波束调控的新结构，是一种超薄二维阵列平面，与超表面单元为特定几何形状的亚波长宏观单元的实施方式相对应，所述超表面单元组12由特定几何形状的亚波长宏观单元周期性或非周期性的排列构成，其可以灵活有效的操纵电磁波的相位、极化方式和传播模式等特性。

本实施例中，特定几何形状的亚波长宏观单元周期性或非周期性的排列构成超表面单元组12，可以保证超表面单元组12色散性质高度集中，使得在超表面单元组12工作频率以外的频率的波(如高次谐波)的介电常数和磁导率远远偏离超表面单元组12的工作条件，实现在超表面单元组12工作频率以外的频率的波与超表面单元组12的阻抗失配，从而滤除掉该种波，使得无线充电接收系统无需其他额外设备，如滤波器和匹配电路等，降低了系统的复杂度及微波无线信号在器件上的损耗。

本实施例中，对整流模块13的个数进行介绍，具体如下：

所述整流模块13的个数可以与所述超表面单元组12的个数相同或所述整流模块13的个数可以与所述超表面单元组12中超表面单元的个数相同。

需要说明的是，整流模块13的个数不能大于超表面单元的个数。

在实际应用过程中，可以依据微波无线信号的输入功率密度以及选用整流器件的性能，对整流模块13的个数进行设置。在微波无线信号输入功率密度较小时，可以将整流模块13的个数设置为与超表面单元组12的个数相同，使多个超表面单元对应一个整流模块13；在微波无线信号输入功率密度较大时，可以将整流模块13的个数设置为与超表面单元组12中超表面单元的个数相同，使一个超表面单元对应一个整流模块13。

请参见图3-1，其示出了超表面单元组12的一种排布示意图，如图3-1中的(a)排布正面图所示，无线充电接收系统包括一个超表面单元组12，超表面单元组12包括4个超表面单元，如图3-1中的(b)排布背面图所示，无线充电接收系统共包括四个整流模块13和一个直流-直流转换模块11，一个超表面单元与一个整流模块13对应。

请参见图3-2，其示出了对图3-1所示的超表面单元组12的排布结构中某一个超表面单元放大后的局部示意图，如图3-2中的(a)排布正面图所示，超表面单元排布在介质的正面，如图3-2中的(b)排布背面图所示，整流模块13排布在介质的背面，并与超表面单元对应安装，如图3-2中的(c)排布侧面图所示，整流模块13与超表面单元对应安装。

本实施例中，上述无线充电接收系统还包括：超表面单元组12的介电常数和磁导率确定模块。

超表面单元组12的介电常数和磁导率设计模块，用于获取微波无线信号的频率和功率密度；及，根据所述微波无线信号的频率和功率密度，配置整流模块13，并确定配置后的整流模块13的输入阻抗；及，利用所述微波无线信号的频率和功率密度以及所述配置好的整流模块13的输入阻抗，调整所述超表面单元组12的尺寸，直到所述超表面单元组12的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。

直到所述超表面单元组12的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件，即直到所述超表面单元组12的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与微波无线信号在空气中的波阻抗相匹配的条件。

本实施例中，进一步对超表面单元组12的介电常数和磁导率确定模块确定介电常数和磁导率的过程进行详细介绍，具体如下：

首先，超表面单元组12的优化最终目标是提升空中微波无线信号转化为直流信号的效率，而其分为两方面，一方面是更好的吸收空中的微波无线信号(由空中微波信号与超表面单元组12的匹配性能决定)，另一方面是更好的将吸收的微波无线信号传输给后端的负载即整流模块13(由超表面单元组12与整流模块的匹配性能决定)。而根据物理学知识知道，匹配性能的决定因素有很多，如信号频率、信号功率密度、负载值、材质和尺寸、超表面单元组12与整流模块之间的介质的材质和厚度；本实施例则选取出匹配性能的决定因素即微波无线信号的频率和功率密度以及整流模块13的输入阻抗；在确定出匹配性能的决定因素之后，首先确定微波无线信号的频率和功率密度，然后才能确定选择何种整流模块13，确定选择何种整流模块13后，对整流模块13进行配置，配置好的整流模块13的输入阻抗随之确定；最后，利用所述微波无线信号的频率和功率密度以及所述配置好的整流模块13的输入阻抗，调整所述超表面单元组12的尺寸，并在调整过程中确定满足微波无线信号在所述超表面单元组12中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件的介电常数和磁导率。

当然，超表面单元组12的介电常数和磁导率的确定过程中可能还会利用超表面单元组12与整理模块之间的介质等参数，若会利用到，将超表面单元组12与整理模块之间的介质等参数加入，调整超表面单元组12的尺寸即可。

当然，本实施例中，还可以采用其他方式来确定超表面单元组12的介电常数和磁导率，如加载有源器件调整超表面单元组12的介电常数和磁导率或利用Pancharatnam-Berry相位原理，通过旋转单元对超表面单元组12的波相位进行调控，以调整超表面单元12的介电常数和磁导率。

本实施例中，上述整流模块13具体可以包括但不局限于整流器件或整流电路。

整流器件的选择不局限于肖特基二极管，凡是实现交流-直流变换的器件均可。

本实施例中，上述直流-直流转换模块11具体可以包括但不局限于直流电压变换芯片，用于对所述直流信号进行电压变换，得到所述负载可直接利用的直流信号。

当然，直流-直流转换模块11除了包括必要的直流电压变换芯片，还包括一些辅助直流电压变换芯片工作的电路。

与上述无线充电接收系统的实施例相对应，本实施例提供了一种无线充电接收方法。无线充电接收方法基于无线充电接收系统，所述无线充电接收系统包括：直流-直流转换模块、至少一个超表面单元组和整流模块，所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件，所述超表面单元组的输出端与所述整流模块的输入端相连，所述整流模块的输出端与所述直流-直流转换模块的输入端相连，所述直流-直流转换模块的输出端与负载相连，请参见图4，可以包括以下步骤：

步骤S11：所述超表面单元组接收微波无线信号，并将所述微波无线信号转化为高频电流信号。

步骤S12：所述整流模块将所述高频电流信号转换为直流信号。

步骤S13：所述直流-直流转换模块将所述直流信号转换为所述负载可直接利用的直流信号。

本实施例中，超表面单元组的介电常数和磁导率的确定过程可以参见图5，可以包括以下步骤：

步骤S21：获取微波无线信号的频率和功率密度。

步骤S22：根据所述微波无线信号的频率和功率密度，配置整流模块，并确定配置后的整流模块的输入阻抗。

步骤S23：利用所述微波无线信号的频率和功率密度以及所述配置好的整流模块的输入阻抗，调整所述超表面单元组的尺寸，直到所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。

当然，本实施例中，还可以采用其他方式来确定超表面单元组的介电常数和磁导率，如加载有源器件调整超表面单元组的介电常数和磁导率或利用Pancharatnam-Berry相位原理，通过旋转单元对超表面单元组的波相位进行调控，以调整超表面单元的介电常数和磁导率。

本实施例中，超表面单元组可以包括多个超表面单元。

本实施例中，所述超表面单元为特定几何形状的亚波长宏观单元，所述超表面单元组由特定几何形状的亚波长宏观单元周期性或非周期性的排列构成。

所述整流模块的个数与所述超表面单元组的个数相同或所述整流模块的个数与所述超表面单元组中超表面单元的个数相同。

本实施例中，所述整流模块具体包括但不局限于肖特基二极管。

本实施例中，所述直流-直流转换模块具体包括但不局限于直流电压变换芯片，用于对所述直流信号进行电压变换，得到所述负载可直接利用的直流信号。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种无线充电接收系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (12)

1.一种无线充电接收系统，其特征在于，包括：直流-直流转换模块、至少一个超表面单元组和整流模块，所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件；

所述超表面单元组的输出端与所述整流模块的输入端相连，所述整流模块的输出端与所述直流-直流转换模块的输入端相连，所述直流-直流转换模块的输出端与负载相连；

所述超表面单元组，用于接收微波无线信号，并将所述微波无线信号转化为高频电流信号；

所述整流模块，用于将所述高频电流信号转换为直流信号；

所述直流-直流转换模块，用于将所述直流信号转换为所述负载可直接利用的直流信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：超表面单元组的介电常数和磁导率确定模块，用于获取微波无线信号的频率和功率密度；及，根据所述微波无线信号的频率和功率密度，配置整流模块，并确定配置后的整流模块的输入阻抗；及，利用所述微波无线信号的频率和功率密度以及所述配置好的整流模块的输入阻抗，直到所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述超表面单元组包括多个超表面单元。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述超表面单元为特定几何形状的亚波长宏观单元，所述超表面单元组由特定几何形状的亚波长宏观单元周期性或非周期性的排列构成。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述整流模块的个数与所述超表面单元组的个数相同或所述整流模块的个数与所述超表面单元组中超表面单元的个数相同。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述整流模块包括肖特基二极管。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述直流-直流转换模块包括：直流电压变换芯片，用于对所述直流信号进行电压变换，得到所述负载可直接利用的直流信号。

8.一种无线充电接收方法，其特征在于，基于无线充电接收系统，所述无线充电接收系统包括：直流-直流转换模块、至少一个超表面单元组和整流模块，所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件，所述超表面单元组的输出端与所述整流模块的输入端相连，所述整流模块的输出端与所述直流-直流转换模块的输入端相连，所述直流-直流转换模块的输出端与负载相连，所述方法包括：

所述超表面单元组接收微波无线信号，并将所述微波无线信号转化为高频电流信号；

所述整流模块将所述高频电流信号转换为直流信号；

所述直流-直流转换模块将所述直流信号转换为所述负载可直接利用的直流信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取微波无线信号的频率和功率密度；

根据所述微波无线信号的频率和功率密度，配置整流模块，并确定配置后的整流模块的输入阻抗；

利用所述微波无线信号的频率和功率密度以及所述配置好的整流模块的输入阻抗，调整所述超表面单元组的尺寸，直到所述超表面单元组的介电常数和磁导率满足微波无线信号在所述超表面单元组中的波阻抗与其在空气中的波阻抗相匹配的条件。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述超表面单元组包括多个超表面单元。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述超表面单元为特定几何形状的亚波长宏观单元，所述超表面单元组由特定几何形状的亚波长宏观单元周期性或非周期性的排列构成。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述整流模块的个数与所述超表面单元组的个数相同或所述整流模块的个数与所述超表面单元组中超表面单元的个数相同。