CN109245334B - 区域无线供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工作于行波模式的区域无线供电系统，包括传输线、输入端、匹配负载端、信号增强线圈、感应线圈以及用户受电装置；所述传输线的一端与输入端相连接，另一端与匹配负载端连接，整体构成一个环形封闭区域；所述感应线圈与用户受电装置连接后，置于上述闭区域所包围的平面及其周边区域内；当传输线满足行波传输条件时，用户受电装置通过感应线圈以及信号增强线圈对穿过传输线包围区域的电磁行波能量进行收集并转成所需的形式，即可完成无线供电。本发明所述系统原理简单，实施方便，能量整体利用效率高，成本较低，具有广泛的应用前景。

Description

区域无线供电系统
技术领域
本发明涉及一种无线供电系统，尤其是一种工作于行波模式的区域无线供电系统。
背景技术
作为现代社会的一种基础构成，供电系统承担了电力的传输，具有非常重要的作用。绝大多数供电系统的传导媒质为金属良导体，物理结构为线缆，工作形式为直流或极低频交流电。这是因为金属导线系统能够提供大容量、长距离和低损耗的电能输送。
无线供电系统，顾名思义，即采用无电缆或非接触的方式对用电终端进行供能；其概念最早由尼古拉特斯拉提出，历史可以上溯至一百年前，受限于技术原因，之后并未得到更进一步的深入研究和广泛推广。近年来，伴随着电子设备的移动化和小型化的发展，无线供电技术具有了极大的社会需求，重新有了发展动力，各种新的无线能量传输技术也得到了发展。但是，无线供电距离和无线供电效率始终是业界公认的技术难题。若采用近场耦合技术，则难以实现中远距离供电，且对供电位置较为敏感。而采用定向辐射技术增强供电距离，大量的能量则被辐射至空间中，造成了能量的浪费和严重的电磁污染。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种工作于行波模式的区域无线供电系统，能够在指定区域内提供稳定的无线供电，以解决现有的无线供电架构能源利用率低、系统复杂、设计繁琐以及多终端支持较差等问题。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的区域行波无线供电系统，包括传输线、输入端、匹配负载端、感应线圈、用户受电装置和信号增强线圈；所述传输线的一端与输入端相连接，另一端与匹配负载端连接，传输线与输入端、匹配负载端共同构成闭区域；所述感应线圈与用户受电装置连接后，置于所述闭区域所包围的平面区域内或在上述平面区域法线方向附近空间内；满足行波传输条件时，用户受电装置通过感应线圈及信号增强线圈对穿过传输线横截面的电磁行波能量进行收集并转成所需的形式，完成无线供电。
进一步的，所述传输线为多导体传输系统，导体数为至少两个；所述传输线支持横电磁模传播模式；在供电区域内，除去馈电和负载端，传输线的特性阻抗基本保持不变。
进一步的，当工作频率较低或工作波长较长时，传输线是非均匀的，即包围区域的外轮廓为曲线型。
进一步的，所述传输线为多个传输线系统间的并联、串联、串并联、级联或其组合。
进一步的，所述输入端的等效内阻与匹配负载端的等效输入阻抗均为纯阻且大致相等，所述等效内阻与等效输入阻抗在数值与传输线的特性阻抗大致相等，即满足传输线理论的单向行波传输的两端匹配条件。
进一步的，所述用户受电装置与感应线圈连接后置于供电闭区域所包围的平面区域之内，或在上述平面区域法线方向附近。当感应线圈的轴线指向与其所在位置的电磁场行波的磁场方向不正交时，用户受电装置就能够感应到输入电压，得到输入功率。感应线圈与用户受电装置为可移动的或固定的。
进一步的，所述输入端为一高频信号输出装置，其等效电路包括理想源与等效内阻；所述高频信号输出装置的构成选自下述构成的集合：高频信号源、功率放大器、变频器、功率合成器、逆变器、电池、有源电路输出端、输出匹配电路、AC电源接口及其组合。
进一步的，所述匹配负载端选自由下述构成的集合：电阻器、变阻器、等效电阻器、发热元件、变频器、发光元件、电动机、单端口无反射网络、单端口吸收式网络、单端口匹配负载、外部电路匹配后的输入端口、匹配后的天线及上述电路的组合。
进一步的，所述感应线圈为单匝的或多匝的、平面的或立体的、可调式的或固定式的，并选自由下述构成的集合：绕线式空气线圈、绕线式磁芯线圈、平面印制电路螺旋线圈、LTCC集成线圈、3D打印线圈、集成电路工艺线圈及其组合。
进一步的，所述信号增强线圈为单匝的或多匝的、平面的或立体的、可调式的或固定式的，并选自由下述构成的集合：绕线式空气线圈、平面印制电路螺旋线圈、3D打印线圈及其组合。
进一步的，所述用户受电装置内应具有调谐电容，用以调谐工作频率和耦合系数；用户受电装置内还包括下列结构中的若干或全部模块：匹配电路、变频电路、整流电路、控制电路、次级感应线圈以及功率负载。
进一步的，所述系统工作于单频率模式下或多频率模式下。
进一步的，信号增强线圈为可移动的或固定的；信号增强线圈内设有多个感应线圈和多个用户受电装置同时工作。
进一步的，所述供电闭区域内设置有多个信号增强线圈和多个感应线圈同时工作。
进一步的，感应线圈与用户受电装置的对应关系为一对多、多对一或多对多。
进一步地，感应线圈和用户受电装置通过信号增强线圈及频率调谐装置能截取到更多功率；信号增强线圈为可移动的或固定的；一个信号增强线圈内设有多个感应线圈)和用户受电装置同时工作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、相较于传统的无线供电系统，采用行波供电的系统既能避免近场谐振式供电系统供电距离短，又避免了辐射式供电系统损耗大、寄生辐射强的缺点，是一种较为理想的区域内无线供电系统；
2、本发明中，电源所产生的电磁波能量通过供电区域后，少部分被感应线圈截取并为用户受电装置所用，大部分则将被位于末端的匹配负载吸收；匹配负载吸收的高频电磁波能量可以光照的形式为区域内提供照明，亦可通过整流电路或变压器对各种常规电器进行供电，如电冰箱、电热器等，大大提高了本发明中的无线供电系统的整体能源利用效率；
3、本发明所述的区域行波无线供电系统还具有覆盖区域大、匹配良好、供能稳定的优点。
附图说明
图1为本发明无线供电系统结构示意图；
图2为无线供电系统具体实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的区域无线供电系统包括传输线1、输入端2、匹配负载端3、感应线圈4、用户受电装置5和信号增强线圈6；所述传输线1的一端与输入端2相连接，另一端与匹配负载端3连接，传输线与输入端、匹配负载端共同构成闭区域7；所述感应线圈4与用户受电装置5连接后，置于所述闭区域7所包围的平面及其周边空间内；满足行波传输条件时，用户受电装置5通过感应线圈4对穿过传输线1横截面的电磁行波能量进行收集并转成所需的形式，完成无线供电。
本发明中，传输线1为多导体传输系统，导体数为至少两个；所述传输线支持横电磁模传播模式；在供电区域内，除去馈电和负载端，传输线1的特性阻抗基本保持不变，即其特性阻抗的变化值远小于其特性阻抗值；因此其辐射损耗为零或接近于零；当工作频率较低或工作波长较长时，传输线1是非均匀的，即包围区域的外轮廓为曲线型。传输线1为多个传输线系统间的并联、串联、串并联、级联或其组合。
本发明中，输入端2的等效内阻与匹配负载端3的等效输入阻抗均为纯阻且大致相等，所述等效内阻与等效输入阻抗在数值与传输线1的特性阻抗大致相等，即满足传输线理论的单向行波传输的两端匹配条件；具体地，输入端2可选为高频信号输出装置，该高频信号输出装置包括下述设备中的一种或几种的组合：高频信号源、功率放大器、变频器、功率合成器、逆变器、电池、有源电路输出端、输出匹配电路、AC电源接口；所述匹配负载端3包括下述设备中的若干种的组合：电阻器、变阻器、等效电阻器、发热元件、变频器、发光元件、电动机、单端口无反射网络、单端口吸收式网络、单端口匹配负载、外部电路匹配后的输入端口、匹配后的天线。
所述感应线圈4可以为单匝型或多匝型、平面型或立体型、可调式或固定式，并包括下述设备中的若干种的组合：绕线式空气线圈、绕线式磁芯线圈、平面印制电路螺旋线圈、LTCC集成线圈、3D打印线圈、集成电路工艺线圈。信号增强线圈6也可以为单匝的或多匝的、平面的或立体的、可调式的或固定式的，并选自由下述构成的集合：绕线式空气线圈、平面印制电路螺旋线圈、3D打印线圈及其组合。
所述用户受电装置5与感应线圈4连接后置于供电闭区域7所包围的平面区域之内，或在上述平面区域法线方向附近。当感应线圈4的轴线指向与其所在位置的电磁场行波的磁场方向不正交时，用户受电装置5就能够感应到输入电压，得到输入功率。感应线圈4与用户受电装置5为可移动的或固定的。所述用户受电装置5内还具有调谐电容，用以调谐工作频率和耦合系数；用户受电装置5内还包括下列结构中的若干或全部模块：匹配电路、变频电路、整流电路、控制电路、次级感应线圈以及功率负载。
所述系统工作于单频率模式下或多频率模式下；通过一个信号增强线圈6及相关频率调谐装置8，感应线圈4和用户受电装置5可以截取到更多功率；信号增强线圈6可以是可移动的或固定的；一个信号增强线圈6之内，可以同时有多个感应线圈4和多个用户受电装置5同时工作；供电闭区域7内也可以有多个信号增强线圈6和多个感应线圈4同时工作。感应线圈4与用户受电装置5的对应关系为一对多、多对一或多对多。
为了验证本发明能够实现具有区域行波无线供电供能，特列举下例进行说明。
如图2所示，本例描述了所述无线供电系统的一个典型应用场合，其中房间9为一个长、宽、高分别为5米×4米×3米的房间，供电区域为房间9内的整个范围；高频源10的等效内阻为700欧姆；匹配负载11的等效电阻阻值为700欧姆；房间9的墙壁内嵌有两段等长度的金属铜线12，其与墙壁绝缘，线直径为2毫米，且距离房间9地面高度为1米；金属铜线12的两端分别与高频源10和匹配负载11的两端相连接，构成完整的传输通路。
房间9的正中心设置有一正方形桌13，其边长为2米，高度为1米，其材料为充分干燥的木材，为较好的绝缘体，且介电常数较低；正方形桌13的桌面内嵌有一圆形的信号增强线圈14，其匝数为5，直径为2米，材料为铜，线径为2毫米，此例中调谐电容8的值为4pF。房间9中还设有四个无线受电装置(15、16、17、18)，该四个无线受电装置的内置感应线圈匝数均为10，直径为10厘米，材料为铜，线径均为1毫米，其等效负载电阻为10欧姆，串联调谐电容值为340pF；其中，无线受电装置15置于正方形桌面的正中心；无线受电装置16置于正方形桌面偏上方四分之一处；无线受电装置17位于供电区域所处房间9的中心线偏上八分之一处，高度为1米；无线受电装置18位于供电区域所处房间9的中心线偏八分之一处，高度为1米。
在本例所述的无线供电区域场合中，在一个5米*4米的房间内放置了一张半固定的，内置信号增强线圈的木制方桌；当对高频源10注入频率为2MHz，功率为100W的连续波时，匹配负载11可以收到93W的有效功率，并可以将其转换为光能、热能或转换作为AC电源为其它电器供电。此时，位于桌上的两个受电装置(15，16)通过自带感应线圈以及信号增强线圈14分别耦合到了0.16W的电磁功率，而位于房间内(非桌上)的另两个受电装置(17，18)则通过自带感应线圈分别耦合到了0.005W左右的电磁功率。

Claims (8)

1.一种区域无线供电系统，其特征在于：包括传输线（1）、输入端（2）、匹配负载端（3）、感应线圈（4）、用户受电装置（5）和信号增强线圈（6）；所述传输线（1）的一端与输入端（2）相连接，另一端与匹配负载端（3）连接，传输线、输入端以及匹配负载端共同构成闭区域（7）；所述感应线圈（4）与用户受电装置（5）连接后，置于所述闭区域（7）所包围的平面区域内或在闭区域（7）所包围的平面区域法线方向附近空间内；满足行波传输条件时，用户受电装置（5）通过信号增强线圈（6）以及感应线圈（4）对穿过传输线（1）横截面的电磁行波能量进行收集并转成所需的形式，完成无线供电；所述传输线（1）为多导体传输系统，导体数为至少两个；所述传输线支持横电磁模传播模式；在供电区域内，除去馈电和负载端，传输线（1）的特性阻抗保持不变；
所述输入端（2）的等效内阻与匹配负载端（3）的等效输入阻抗均为纯阻且阻值相等，所述等效内阻与等效输入阻抗在数值与传输线（1）的特性阻抗相等；所述输入端（2）为一高频信号输出装置，其等效电路包括理想源与等效内阻；所述高频信号输出装置包括下列集合中的一个或多个：高频信号源、功率放大器、变频器、功率合成器、逆变器、电池、有源电路输出端、输出匹配电路、AC电源接口。
2.根据权利要求1所述的区域无线供电系统，其特征在于：传输线（1）包围区域的外轮廓为曲线型；所述传输线（1）为多个传输线系统间的并联、串联、串并联、级联或以上多个的组合。
3.根据权利要求1所述的区域无线供电系统，其特征在于：所述匹配负载端（3）包括下列集合中的一个或多个：电阻器、变阻器、等效电阻器、发热元件、变频器、发光元件、电动机、单端口无反射网络、单端口吸收式网络、单端口匹配负载、外部电路匹配后的输入端口、匹配后的天线。
4.根据权利要求1所述的区域无线供电系统，其特征在于：所述感应线圈（4）为单匝的或多匝的、平面的或立体的、可调式的或固定式的，并包括下列集合中的一个或多个：绕线式空气线圈、绕线式磁芯线圈、平面印制电路螺旋线圈、LTCC集成线圈、3D打印线圈、集成电路工艺线圈；所述信号增强线圈（6）为单匝的或多匝的、平面的或立体的、可调式的或固定式的，并包括下列集合中的一个或多个：绕线式空气线圈、平面印制电路螺旋线圈、3D打印线圈。
5.根据权利要求1所述的区域无线供电系统，其特征在于：所述用户受电装置（5）与感应线圈（4）连接后安装于闭区域（7）所包围的平面区域之内，或在上述平面区域法线方向附近；感应线圈（4）与用户受电装置（5）为可移动的或固定的；所述用户受电装置（5）内具有用于调谐工作频率和耦合系数的调谐电容；用户受电装置（5）内还包括下列集合中的一个或多个：匹配电路、变频电路、整流电路、控制电路、次级感应线圈以及功率负载。
6.根据权利要求1所述的区域无线供电系统，其特征在于：所述系统工作于单频率模式下或多频率模式下。
7.根据权利要求1所述的区域无线供电系统，其特征在于：信号增强线圈（6）为可移动的或固定的；信号增强线圈（6）内设有多个感应线圈（4）和多个用户受电装置（5）同时工作；所述闭区域（7）内设置有多个信号增强线圈（6）和多个感应线圈（4）同时工作。
8.根据权利要求1所述的区域无线供电系统，其特征在于：感应线圈（4）与用户受电装置（5）的对应关系为一对多、多对一或多对多；感应线圈（4）和用户受电装置（5）通过信号增强线圈（6）及频率调谐装置（8）能截取到更多功率；信号增强线圈（6）为可移动的或固定的；一个信号增强线圈（6）内设有多个感应线圈（4）和用户受电装置（5）同时工作。
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