CN113036412B

CN113036412B - 一种无线能量传输系统

Info

Publication number: CN113036412B
Application number: CN202110245700.7A
Authority: CN
Inventors: 卜智勇; 丁华泽; 张天天; 胡育昱; 李凤荣; 何为; 赵鲁阳; 纪立; 张质懿; 杨康; 李立改
Original assignee: Chengdu Zhongke Micro Information Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chengdu Zhongke Micro Information Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2041-03-05
Also published as: CN113036412A

Abstract

本发明提供一种传输效率提高的无线能量传输系统，包括结构一致的发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线均包括PCB基板、介质板、地板、以及相同的16个矩形金属贴片；所述地板贴附于PCB基板下表面；所述16个矩形金属贴片贴附于PCB基板上表面，且按4×4方式等间距排布；所述16个矩形金属贴片均包含一矩形切口，并在矩形切口处分别与16根微带线连接；所述16根微带线通过15个合路器结构两两汇合，最终通过一根微带馈线引出；所述介质板与PCB基板相隔一定距离平行放置，并且所述介质板内部划分为4×4共16等份的介质小块。本发明的无线能量传输系统通过添加分块的介质层能够有效地提高无线能量传输系统的能量传输效率。

Description

一种无线能量传输系统

技术领域

本发明涉及天线与电波传播技术领域，具体而言，涉及一种传输效率提高的无线能量传输系统。

背景技术

近年来，无线能量传输技术在军事、医疗和消费电子产品等领域受到了越来越多的关注，以辐射电磁波为载体的无线能量传输技术也成为了研究的热点。此种无线能量传输系统中包含发射天线和接收天线。在传输时，射频能量由发射天线以电磁波形式辐射到自由空间，再由接收天线把能量采集下来。由于天线具有互偶的特性，因此收发天线可以选择为同样的结构。能量传输效率是无线能量传输系统的一个重要指标，因此用作能量传输的天线需特别设计。天线辐射出的电磁波区域根据距离的远近可分为近场区和远场区，可以根据远场条件公式来判断无线能量传输系统工作在何种场区。在这两种场区，电磁波传播的特性不同，对应的收发天线设计方法和原理也有所不同。

无线能量传输系统中的发射天线和接收天线均为单端口器件。设发射天线的输入端为端口1，接收天线的输出端口为端口2，则无线能量传输系统的性能可由两端口散射参数(S参数)来表征。端口1的回波损耗由S11 来表征，端口2的回波损耗由S22来表征，而无线能量传输系统的能量传输效率可由插入损耗S21来表征。在设计无线能量传输系统时，可以S参数为指标，尽可能地降低上述的三部分损耗。

现有的无线能量传输系统及其技术问题如下：

1、电磁波在自由空间传播时，能量损耗与传播距离的平方成正比，能量衰减极快导致无线能量传输系统的能量传输效率较低，需要有一定的技术方法来提高效率。

2、为提高无线能量传输效率，可增大收发天线的口径，但这会使得收发天线工作在近场区，而在近场区天线设计方面无较为系统成熟的理论规律可循。

3、通常设计的天线是工作在远场区的，将这远场天线放置于近场条件下进行无线能量传输，其能量传输效率需采用一定的技术方法来优化提高。

发明内容

本发明旨在提供一种传输效率提高的无线能量传输系统，以解决上述现有的无线能量传输系统存在的问题。

本发明提供的一种传输效率提高的无线能量传输系统，包括结构一致的发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线均包括PCB基板、介质板、地板、以及相同的16个矩形金属贴片；所述地板贴附于PCB基板下表面；所述16个矩形金属贴片贴附于PCB基板上表面，且按4×4方式等间距排布；所述16个矩形金属贴片均包含一矩形切口，并在矩形切口处分别与16根微带线连接；所述16根微带线通过15个合路器结构两两汇合，最终通过一根微带馈线引出；所述介质板与PCB基板相隔一定距离平行放置，并且所述介质板内部划分为4×4共16等份的介质小块。

在一个优选实施例中，所述发射天线和接收天线平行相对放置，并且两者相隔30cm。

在一个优选实施例中，所述介质板与PCB基板的横截面尺寸一致。

在一个优选实施例中，所述介质板与PCB基板相隔1cm。

在一个优选实施例中，所述PCB基板为Rogers RO4003介质基板。

在一个优选实施例中，所述PCB基板的厚度为32mil。

在一个优选实施例中，所述介质板的厚度为50mil。

在一个优选实施例中，所述介质板为三种介质材料的混合板。

在一个优选实施例中，所述16等份的介质小块按到所述介质板中心距离划分为三圈，由内到外各圈介质小块的介电常数分别为9.8，4.1，2.2。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的无线能量传输系统通过添加分块的介质层能够有效地提高无线能量传输系统的能量传输效率。

2、本发明的无线能量传输系统可以在传统的远场天线基础上实施得到，无需全部重新设计便可最大程度地提高系统能量效率。

3、本发明的无线能量传输系统具有较好的阻抗匹配和能量传输效率，同时本发明结构简单、体积较小、易于加工和安装。有利于快捷地设计和使用，在军事、医疗方面都有较大的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例的一种传输效率提高的无线能量传输系统结构图。

图2为本发明一实施例的一种传输效率提高的无线能量传输系统中包含PCB基板、地板和矩形金属贴片部分的剖视图。

图3为本发明一实施例的一种传输效率提高的无线能量传输系统中16 个矩形金属贴片及其连接关系的俯视图。

图4为本发明一实施例的一种传输效率提高的无线能量传输系统中介质板各介质小块的介电常数特性分布示意图。

图5为本发明一实施例的一种传输效率提高的无线能量传输系统中发射天线和接收天线的S11频率特性图。

图6所示为本发明一实施例的一种传输效率提高的无线能量传输系统的能量传输效率与频率的变化关系图。

图标：1-发射天线、2-接收天线、3-PCB基板、4-介质板、5-地板、6-矩形金属贴片、7-矩形切口、8-微带线、9-合路器结构、10-微带馈线、11-内圈、 12-中圈、13-外圈。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-图4所示，本实施例提出一种传输效率提高的无线能量传输系统，包括结构一致的发射天线1和接收天线2；所述发射天线1和接收天线 2均包括PCB基板3、介质板4、地板5、以及相同的16个矩形金属贴片 6；

在本实施例中：

所述PCB基板3为Rogers RO4003介质基板。所述Rogers-RO4003介质基板是美国罗斯杰进口板材的一种，是一种特殊板材，主要应用于高频线路板制作。其中，所述PCB基板3的厚度为32mil。

所述地板5贴附于PCB基板3下表面；所述地板5为导电材料，优选金属铜。

所述16个矩形金属贴片6贴附于PCB基板3上表面，且按4×4方式等间距排布；所述16个矩形金属贴片6均包含一小矩形切口7，并在矩形切口7处分别与16根微带线8连接；所述16根微带线8通过15个合路器结构9两两汇合，形成对称的连接网络，最终通过一根微带馈线10引出，即16个矩形金属贴片6中的能量汇聚到一起。作为优选，所述16根微带线8等宽。所述16个矩形金属贴片6、微带线8、合路器结构9、微带馈线 10均为导电材料。所述微带馈线10为边馈方式，在实际测试时，可以用 SMA转接头将其转换至同轴线，从而可与各类仪器连接。

所述介质板4与PCB基板3相隔一定距离平行放置，并且所述介质板 4内部划分为4×4共16等份的介质小块。所述介质板4与PCB基板3的横截面尺寸一致，两者相隔1cm。

所述介质板4的厚度为50mil。所述介质板4为三种介质材料的混合板，三种介质材料是按介电常数特性分为三类，如图4所示，所述16等份的介质小块按到所述介质板4中心距离划分为三圈，内圈11有4个介质小块(①～④)，中圈12有8个介质小块(⑤～

)，以及外圈13有4个介质小块

由内到外各圈介质小块的介电常数分别为9.8(采用板材Rogers-TMM-10i)，4.1(采用板材Rogers-TMM-10i)，2.2(采用板材 Taconic-TLY)。

所述结构一致的发射天线1和接收天线2平行相对放置，并且两者相隔30cm。

本实施例的无线能量传输系统中，发射天线1和接收天线2均采用微带线8馈电方式工作。微带线8馈电又称为边馈，采用微带线8馈电具有如下优点：(1)微带线8置于PCB基板3的上方，和矩形金属贴片6位于同一层，避免了其他馈电方式如同轴馈电方式等需要的对PCB基板3穿孔，从而简化结构降低插入损耗；(2)由于馈点位置可以根据需要进行选择，因此可选择的天线阻抗匹配方式较为灵活，这样可以减少天线的尺寸，馈电原理简单。(3)由于发射天线1和接收天线2的微带线8馈电网络为对称结构，该天线在远场区可达到最佳工作性能。并且，发射天线1和接收天线2相隔距离为30cm，通过计算可知发射天线1和接收天线2实际处于各自的近场区域。因此，在进行无线能量传输时，系统能量传输未能最优化，有一定的提升空间。在不改变原来远场天线(包括PCB基板3、地板5和矩形金属贴片6)结构的基础上，加上一介质板4。通过将介质板4进行划分，并合适地优化选择介质板4层与PCB基板3距离、介质板4厚度以及介质板 4中每一介质小块的介电常数特性，从而可以有效地提高无线能量传输系统的能量传输效率。

示例：

对所述一种传输效率提高的无线能量传输系统进行实施前首先要矩形金属贴片6的输入阻抗、中心工作频率、尺寸大小、求解方式，以及合路器结构9和馈电网络的阻抗变换等进行预先估算，之后进行仿真验证。将所述发射天线1和接收天线2平行相对放置，并且两者相隔30cm，然后可计算所述无线能量传输系统的能量传输效率。所述PCB基板3和介质板4的横截面尺寸均为10.5×10.5cm²，16个矩形金属贴片6的尺寸均为1.35× 1.6cm²，各矩形金属贴片6贴片间距为2.586cm，微带馈线10的线宽为 0.18cm，系统的中心工作频率为5.8GHz。

传输效率提高的无线能量传输系统中发射天线1和接收天线2的S11 频率特性如图5所示，从图5可以看出，发射天线1和接收天线2的回波损耗特性较好。当工作频率为5.8GHz时，发射天线1和接收天线2的S11 低于-20dB，只有极少能量在发射天线1和接收天线2的端口被反射损耗掉。由于发射天线1和接收天线2结构完全一致，工作环境也相同，两者的S 参数频率曲线也完全吻合，因此图5里只显示一条曲线。

传输效率提高的无线能量传输系统的能量传输效率与频率的变化关系如图6所示，从图6可以看出，在系统的中心工作频率5.8GHz时，无线能量传输系统的能量传输效率可取最大值。在发射天线1和接收天线2均不采用所述介质板4时，系统的最大能量传输效率为29.3％。而作为对比，本实施例中发射天线1和接收天线2均采用所述介质板4的情况下，系统的最大能量传输效率提升为36.8％，相当于系统的插入损耗降低了1dB。除中心工作频点5.8GHz外，在较宽的频带内，即5.4GHz到6.2GHz频率范围内，本实施例中无线能量传输系统的能量传输效率均得到不同程度的提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种传输效率提高的无线能量传输系统，其特征在于，包括结构一致的发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线均包括PCB基板、介质板、地板、以及相同的16个矩形金属贴片；所述地板贴附于PCB基板下表面；所述16个矩形金属贴片贴附于PCB基板上表面，且按4×4方式等间距排布；所述16个矩形金属贴片均包含一矩形切口，并在矩形切口处分别与16根微带线连接；所述16根微带线通过15个合路器结构两两汇合，最终通过一根微带馈线引出；所述介质板与PCB基板相隔一定距离平行放置，并且所述介质板内部划分为4×4共16等份的介质小块；所述介质板与PCB基板的横截面尺寸一致；所述介质板与PCB基板相隔1cm；所述介质板为三种介质材料的混合板；所述16等份的介质小块按到所述介质板中心距离划分为三圈，由内到外各圈介质小块的介电常数分别为9.8，4.1，2.2。

2.根据权利要求1所述的传输效率提高的无线能量传输系统，其特征在于，所述发射天线和接收天线平行相对放置，并且两者相隔30cm。

3.根据权利要求1所述的传输效率提高的无线能量传输系统，其特征在于，所述PCB基板为Rogers RO4003介质基板。

4.根据权利要求1所述的传输效率提高的无线能量传输系统，其特征在于，所述PCB基板的厚度为32mil。

5.根据权利要求1所述的传输效率提高的无线能量传输系统，其特征在于，所述介质板的厚度为50mil。