CN110502792A - 一种基于金属栅格腔结构实现无线输能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属栅格腔结构实现无线输能的方法及装置，属于无线输能技术领域。本发明金属栅格腔结构基于电磁波不可穿透尺寸远小于其波长的特性，且当金属栅格腔的栅格尺寸较小时，通过激励可以产生驻波，进而形成特定电磁场模式的场分布，并且结合基于准静态谐振腔的无线输能方法，利用探针天线激励金属栅格腔内的电磁场模式，通过模式的场分布和接收模块中线圈的共振来进行能量传输。本发明基于电磁屏蔽效应和驻波形成理论，采用金属栅格腔结构代替封闭金属腔，不仅可以有效激励出腔体自身的电磁场模式进行无线输能，同时也可以解决成本上和应用上所带来的不便。

Description

一种基于金属栅格腔结构实现无线输能的方法及装置

技术领域

本发明属于无线输能技术领域，具体涉及一种基于金属栅格腔结构实现无线输能的方法及装置。

背景技术

随着手机、平板电脑、智能手环等电子设备的快速发展，由输电线缆来给设备供能的传统输能方式会带来成本高、携带不便、线缆排布繁杂等一系列问题。而利用无线的方式去传输能量可以很好的解决这些问题。无线输能(Wireless Power Transfer,WPT)是指将能量以无线的方式从电源端传输到负载端，它无需金属电极的直接接触，可避免导体裸露和电火花的产生。相比于传统的有线输能方式，无线输能具有使用方便、安全性能高等优点。

无线输能的技术主要有电磁感应耦合技术、电磁共振耦合技术、微波能量传输技术和利用时间反演(Time Reversal,TR)阵列进行输能等。

电磁感应耦合技术主要是通过感应线圈的耦合来实现输能，这项技术的工作频率较低，且具有系统结构简单、技术可靠、短距离传输效率高等优点。但是其传输距离太短，而且对于收发线圈的位置特别敏感，所以其应用场景较为局限。电磁共振技术利用电磁共振原理，可以在米级的范围内达到很高的传输效率，且在小范围内对于位置变化不是很敏感，但是这项技术对于器件的要求比较高，要求谐振结构具有高品质因数Q。微波能量传输技术基于电磁辐射原理，通过高定向性的收发天线来实现输能，传播距离远，甚至可以实现太空输能。但是其天线口径大，且需要复杂的定位系统，成本要求高，并且电磁辐射危害大。利用时间反演(Time Reversal,TR)阵列进行输能是将时间反演技术应用到无线输能领域，利用时间反演的空时同步聚焦特性，将电磁能量以“点聚焦”的形式传输到受能设备上，无需复杂的定位系统，且安全性较高。但是该技术所需TR阵元数较多，且每个分离的TR阵元实现同步发射的难度较大，成本较高。

近年来出现了一种基于准静态谐振腔(Quasistatic Cavity Resonance,QSCR)电磁共振的无线输能方法，例如文献“Chabalko M J,Sample A P.Three-DimensionalCharging via Multimode Resonant Cavity Enabled Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(11):6163-6173.”中，使用空心金属腔体，通过激发空心封闭金属腔体的电磁场模式来产生磁场，这样就可以同时为内部几乎任何地方包含的多个小接收器线圈供电，实验证明在140立方英尺的测试室中的任何位置几乎都可以为直径为3英寸的接收器输能，效率高于50％。再例如，文献“Chabalko M J,Shahmohammadi M,Sample A P.Quasistatic Cavity Resonance for UbiquitousWireless Power Transfer[J].PLOS ONE,2017,12(2):e0169045.”通过在封闭金属谐振腔内产生了一个接近静止态的磁场，使得电能可以有效地传输到磁场中同样共振频率的接收线圈中。文献通过实验证明，一个54立方米的QSCR室可以在几乎任何位置为小型线圈接收器供电，效率在40％到95％之间。这种无线输能的方法具有谐振频率较低的优点，同时还可以对腔体内部多个接收器实现高效率输能，且对于接收器位置的影响也不是很敏感。但是，这种方法对于器件的要求比较高，要求谐振结构具有高品质因数Q，而且需要构建一个封闭金属腔体结构，且腔体尺寸往往较大，这就带来成本上的问题，难以脱离实验室环境，实际应用上比较困难。

发明内容

本发明提出一种用于无线输能的金属栅格腔结构的设计方法，以及基于这种金属栅格腔结构实现无线输能的方法及装置。

其中，一种用于无线输能的金属栅格腔结构的设计原理是基于电磁屏蔽效应和驻波形成理论，但与利用一个封闭金属谐振腔来进行无线输能不同，本发明的金属栅格腔结构主要基于电磁波不可穿透尺寸远小于其波长的特性，即当电磁波波长远大于金属栅格腔的栅格尺寸时，电磁波并不会产生明显的泄漏，且当金属栅格腔的栅格尺寸较小时，通过激励可以产生驻波，进而形成特定电磁场模式的场分布。并且结合基于准静态谐振腔的无线输能方法，利用探针天线激励金属栅格腔内的电磁场模式，通过模式的场分布和接收模块中线圈的共振来进行能量传输，提出了一种基于金属栅格腔结构实现无线输能的装置及方法。

与利用一个封闭金属谐振腔来进行无线输能的方式相比较，本发明采用金属栅格腔结构代替封闭金属腔，不仅可以有效激励出腔体自身的电磁场模式进行无线输能，同时，也可以解决成本上和应用上所带来的不便。

为了使金属栅格腔结构能有效替代封闭金属腔来进行无线输能，本发明的一种用于无线输能的金属栅格腔结构中的金属栅格结构需要满足两个条件：一是金属栅格尺寸需达到屏蔽电磁波的效果，即防止由探针天线激励出的电磁场发生泄漏；二是栅格密度的设定需能够使激励出的电磁波遇到金属栅格结构有效产生反射振荡形成驻波，进而形成所需要的电磁场模式。

针对这两个条件，本发明提供了一种构建金属栅格腔结构的方法，步骤如下：

步骤1、确定所需要的金属栅格腔形状和电磁场模式，这里的金属栅格腔形状和电磁场模式都可以是任意的，形状如矩形栅格腔、圆柱栅格腔等，电磁场模式可以是TE₀₁₁模、TE₀₁₂模等。根据电磁场模式和金属栅格腔腔体的尺寸大小计算出电磁波的谐振频率f₀，和谐振波长λ₀。

以矩形栅格腔为例，其中的谐振频率及谐振波长的计算公式为：

设所需电磁场模式为TE_mnp，其中m,n,p分别为X,Y,Z方向上的分布的半驻波数，腔体尺寸大小为a×b×c，则谐振频率为这里ε,μ分别代表真空中的介电常数和磁导率，谐振波长为这里v_c为真空中的光速。

步骤2、根据金属栅格腔体内驻波形成的条件，可得在固定方向上半驻波波长为该方向栅格口径的整数倍，如在X方向上，这里L_x为X方向栅格格子的长度，λ_x为X方向形成的驻波波长，其中驻波波长的计算公式为：这里k_x为X方向的波数，则X方向的格子长度同理，在Y方向和Z方向上的驻波波长和栅格格子长度的计算公式分别为和

步骤3、根据电磁屏蔽效应，当金属栅格腔的栅格口径小于电磁波的1/4波长，可以起到屏蔽作用，再利用步骤1和步骤2中计算得出的谐振波长f₀和栅格尺寸来构建栅格结构。这里为了使电磁波遇到金属栅格结构会反射振荡形成驻波，进而形成所需要的电磁场模式的场分布和电磁波被束缚在金属栅格腔内部的效果，所构建的金属栅格都是均匀的栅格结构。其中金属栅格的宽度和厚度应大于趋肤深度，即大于这里μ₀和σ分别为金属的磁导率和电导率。

步骤4、利用探针天线对设计的金属栅格腔进行激励，探针天线采用的是线性探针天线，同时探针天线需要和所需电磁场模式达到阻抗匹配的效果，这样可以有效激励出所需要的电磁场模式。通过比较激励金属栅格腔和激励封闭金属腔所产生的电磁场场强分布，来判定该金属栅格腔是否满足要求。判定的方式是比较金属栅格腔和封闭金属腔在特定位置处的磁场强度差值，看其是否满足设定的误差阈值R。在实际中，两种磁场强度差值的大小是与金属栅格腔中栅格的密度成反比的，即栅格密度越大，则差值越小，栅格密度越小，则差值越大。

步骤5、若激励金属栅格腔产生的场和激励封闭金属腔产生的磁场强度差值不能满足设定的误差阈值R时，则需要将栅格加密，每次加密则逐渐减小栅格尺寸，如按照公式中i递增的方式进行。然后重复步骤4，直到激励金属栅格腔产生的场和激励封闭金属腔产生的场之间的差值满足误差阈值R的要求时，即可采用此种金属栅格腔结构来进行无线输能。

此外，本发明所述构建金属栅格腔结构的方法也适用于多个探针天线激励出不同电磁场模式的情况。这样需要先仿真得出每个探针天线激励出的电磁场模式所需要构建的金属栅格腔的栅格尺寸，然后比较每个金属栅格腔的栅格尺寸大小，选用最小尺寸的栅格结构来构成最终的金属栅格腔结构。

另外，在采用上述设计方法构建金属栅格腔结构的基础上，本发明还提供了一种基于金属栅格腔结构实现无线输能的方法，包括以下步骤：

步骤1、确定所需要的电磁场模式，并根据模式中电场强度的分布特性来确定探针天线放置的位置。优选地，探针天线放置的位置为该模式在空腔中电场场强最强的区域。

步骤2、根据上述构建金属栅格腔结构的方法来构建金属栅格腔。

步骤3、将探针天线放置于步骤1所述位置来激发出所需要的电磁场模式。

步骤4、调节能量接收模块的可变电容器，使接收器谐振频率和金属栅格腔的谐振频率相同，达到共振的目的，由能量接收模块产生感应电流。

步骤5、接收到的感应电流通过整流电路可以转化为直流并为负载供电。同时可以通过测量和计算金属栅格腔和接收器的品质因数Q和耦合系数κ，进而得到金属栅格腔到接收器的系统最大传输效率η_max。

这里耦合系数κ和系统最大传输效率η_max的计算公式为：

其中α为腔体内的总磁能，β为腔体产生的电磁场模式的磁场穿过接收线圈的总磁通量，ω₁为金属栅格腔的谐振频率，为与储存能量有关的常数，L₂为接收线圈的电感。

其中Q₁和Q₂分别为金属栅格腔和接收器的品质因数，ω₁和ω₂为金属栅格腔和接收器的谐振频率。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用金属栅格腔代替封闭金属腔来进行无线输能，在实际工程应用中，只要设计出合适大小的金属栅格腔结构就能达到与封闭金属腔相同的效果，并且在户外应用中，金属栅格结构相比封闭金属结构更便于搭建，而且其受风荷较小，不易形变，可以最大程度降低成本和实现难度。

2)本发明是通过用线性探针天线激励金属栅格腔结构产生电磁场模式来实现的无线输能的，这样就可以很方便地产生一种或多种电磁场模式，而采用多种电磁场模式的场分布叠加可以形成空间均匀性更佳的磁场分布，因此，处于该磁场区域内的接收器几乎可以在任何方向和位置为负载有效供电，解决了电磁共振对于方向和距离的敏感性，也无需复杂的目标定位系统。

3)本发明中，当接收器被放置在空间均匀的磁场分布区域时，功率均匀分配，因此可以实现对多个负载同时有效输能。

4)本发明形成的场为均匀场，而且整个系统工作频率低，电磁波对人体健康影响小，电磁辐射安全性高。

附图说明

图1为本发明所述基于金属栅格腔结构无线输能装置的结构示意图

图2为本发明所述金属栅格腔的金属栅格分布图

图3为本发明所述构建金属栅格腔结构设计方法的流程图

图4为本发明实施例基于金属栅格腔结构无线输能系统产生的TE₀₁₂模磁场强度分布图

图5为本发明所述用于做对比参考的基于封闭金属腔的无线输能系统产生的TE₀₁₂模磁场强度分布图

图6(a)和(b)为本发明实施例基于金属栅格腔结构和封闭金属腔的无线输能系统在不同的特定位置激发出的磁场强度对比图

图7为本发明所述基于金属栅格腔结构无线输能方法的流程图

图8为本发明所述圆柱栅格腔的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案，以便更清楚的了解本发明的特征和优点。

本实施例提供了一种基于金属栅格腔结构实现无线输能的方法及装置，其装置的结构示意图如图1所示。该系统包括发射器、金属栅格腔和接收器。

发射器采用线性探针天线，当它在金属栅格腔内特定的位置上时，激励腔体内变化的电磁波在金属栅格腔结构的内壁产生反射形成驻波，进而形成电磁场模式，然后通过接收器中的接收线圈与电磁场模式的共振向接收器无线输能。

本实施例中的金属栅格腔由铜制栅格构成，实际中，可采用其他的如铝、铁、铬等各种金属均可。采用的腔体尺寸为：a＝1.52m，b＝1.42m，d＝1.83m。栅格分布如图2所示，采用均匀金属栅格，栅格尺寸为接收器由接收线圈、调谐装置和整流电路构成，先由调谐装置调节接收线圈的谐振频率，使其谐振频率和电磁场模式的谐振频率一致，从而达到共振的效果。然后通过整流电路将接收线圈接收到能量从高频电流转换为直流，并提供给负载。这里的接收线圈可以是平面螺旋或螺旋电磁线圈等任何形状线圈。

本实施例所采用的电磁场模式为TE₀₁₂模，是通过将探针天线放置于金属栅格腔(a，b/2，3d/4)的位置，即(1.52m，0.71m，1.3725m)处激励而得到，所采用的探针天线为铜制线性探针天线，为了达到阻抗匹配的目的，天线长度为29cm。探针天线位置的确定方法为：探针天线应位于TE₀₁₂场中电场最强的区域，并且其轴线方向与金属栅格腔中TE₀₁₂模在该位置的电力线方向应一致，有效地激励出所需的TE₀₁₂模。

具体地，本实施例所提供的一种构建金属栅格腔结构的方法其流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1、确定所需要的金属栅格腔形状和电磁场模式，本例选用的金属栅格腔是矩形腔，电磁场模式为TE₀₁₂模，根据模式和金属栅格腔腔体的尺寸大小(1.52m×1.42m×1.83m)计算出腔体内电磁波的谐振频率f₀＝194MHz和谐振波长λ₀＝1.53m；

步骤2、利用所需TE₁₀₂模的电磁场分布特点计算出Y方向和Z方向的驻波波长λ_y＝2.84m，λ_z＝1.83m。根据电磁屏蔽效应和驻波形成理论，在固定的方向上当半驻波波长为该方向栅格口径的整数倍且金属栅格尺寸小于电磁波的1/4波长时，该金属栅格腔可以起到屏蔽作用，再利用步骤1计算得出的腔体内电磁波的谐振波长λ₀＝1.53m和所需TE₁₀₂模的驻波波长来构建栅格结构。由于TE₀₁₂模在X方向不产生驻波，则只需保证X方向栅格尺寸满足电磁屏蔽的效果即可。最终，为了保证各方向金属栅格的尺寸相对均匀，所选用的金属栅格的尺寸为这里为了满足金属栅格的宽度和厚度都大于趋肤深度的条件，所选用的金属栅格宽度和厚度都是h＝1cm；

步骤3、利用得到的金属栅格腔结构，通过线性探针天线激励金属栅格腔结构和封闭金属腔，并对比二者产生的磁场分布。发现激励金属栅格腔产生的磁场与激励封闭金属腔产生的磁场差别较大，不能满足设定的误差阈值R＝5％的要求，则说明此类金属栅格腔结构不能有效的激励出我们所需要的TE₁₀₂模，还需要继续加密金属栅格；

步骤4、按照中i递增的方式来加密金属栅格直至金属栅格的尺寸为L_x＝6.33cm,通过探针天线激励得到的金属栅格腔和封闭金属腔内的TE₀₁₂模的磁场分布，分别如图4和图5所示，通过对比发现二者磁场分布高度相似。图6(a)和(b)所示分别为金属栅格腔和封闭金属腔在(0.76m，0，0.915m)处的Y向磁场分布对比和(0.76m，0.71m，0)处的Z向磁场分布对比，发现两种结构的场强分布接近重合，且金属栅格腔结构的场强峰值是封闭金属腔的场强峰值的95.26％，满足误差阈值小于5％的要求，证实了利用金属栅格腔结构来进行无线输能可以和利用封闭金属谐振腔进行无线输能取得相同的效果，故可以选取此种金属栅格腔结构来进行无线输能。

得到金属栅格腔结构后，采用探针天线激励产生需要的TE₀₁₂模的电磁场分布，然后调节接收器上的可变电容器，使接收器谐振频率和金属栅格腔的谐振频率同为194MHz，达到接收器和金属栅格腔共振的效果。在接收器内感应产生的电流通过整流电路可以转化为直流电实现输能，整个无线输能实现方法的流程如图7所示。

以上实例针对的是矩形栅格腔，对此我们还构建了圆柱栅格腔，构建方法与构建矩形栅格腔的方法类似，圆柱栅格腔结构如图8所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现无线输能的金属栅格腔结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定所需要的金属栅格腔形状和电磁场模式，根据电磁场模式和金属栅格腔腔体的尺寸大小计算出电磁波的谐振频率f₀，和谐振波长λ₀；

步骤2、根据金属栅格腔体内驻波形成的条件，得到在固定方向上半驻波波长为该方向栅格口径的整数倍；

步骤3、根据电磁屏蔽效应，使金属栅格腔的栅格口径小于电磁波的1/4波长，利用步骤1和步骤2中计算得出的谐振波长f₀和栅格尺寸构建栅格结构；其中，栅格为均匀的栅格结构，栅格的宽度和厚度大于趋肤深度，即大于μ₀和σ分别为金属的磁导率和电导率；

步骤4、利用与所需电磁场模式达到阻抗匹配的效果的探针天线对金属栅格腔进行激励，有效激励出所需要的电磁场模式；比较激励金属栅格腔和激励封闭金属腔所产生的电磁场场强强度差值，是否满足设定的误差阈值R；

步骤5、若激励金属栅格腔产生的电磁场和激励封闭金属腔产生的电磁场强度差值不能满足设定的误差阈值R时，则将栅格加密，每次加密则逐渐减小栅格尺寸；然后重复步骤4，直到激励金属栅格腔产生的场和激励封闭金属腔产生的场之间的差值满足误差阈值R的要求时，即可采用此种金属栅格腔结构来进行无线输能。

2.如权利要求1所述的一种实现无线输能的金属栅格腔结构的设计方法，其特征在于，步骤4中采用多个探针天线激励出不同电磁场模式，仿真得到每个探针天线激励出的电磁场模式所需要构建的金属栅格腔的栅格尺寸，选用最小尺寸的栅格结构来构成最终的金属栅格腔结构。

3.如权利要求1所述的一种实现无线输能的金属栅格腔结构的设计方法，其特征在于，所述探针天线为线性探针天线。

4.如权利要求1所述的一种实现无线输能的金属栅格腔结构的设计方法，其特征在于，所述金属栅格腔形状为矩形栅格腔、或者圆柱栅格腔，电磁场模式为TE₀₁₁模、或者TE₀₁₂模。

5.如权利要求1或4所述的一种实现无线输能的金属栅格腔结构的设计方法，其特征在于，金属栅格腔为矩形栅格腔时，其谐振频率及谐振波长的计算公式为：

设所需电磁场模式为TE_mnp，其中m,n,p分别为X,Y,Z方向上分布的半驻波数，腔体尺寸大小为a×b×c，则谐振频率为其中ε,μ分别代表空气中的介电常数和磁导率，谐振波长为v_c为空气中光的传播速度；

在X方向、Y方向和Z方向上，栅格格子的长度分别为驻波波长分别为

6.一种基于权利要求1中的金属栅格腔结构实现无线输能的方法，包括以下步骤：

步骤1、确定所需要的电磁场模式，并根据模式中电场强度的分布特性确定探针天线放置的位置；

步骤2、根据权利要求1中构建金属栅格腔结构的方法构建金属栅格腔；

步骤3、利用探针天线激发出所需要的电磁场模式；

步骤4、调节能量接收模块的可变电容器，使接收器谐振频率和金属栅格腔的谐振频率相同，达到共振的目的，能量接收模块产生感应电流；

步骤5、接收到的感应电流通过整流电路转化为直流并为负载供电。

7.如权利要求6所述的金属栅格腔结构实现无线输能的方法，其特征在于，探针天线放置的位置为该模式在空腔中电场场强最强的区域。