CN113224860A - 一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，属于无线能量传输技术领域，包括均为立体结构的发射天线和接收天线，收发线圈采用激励线圈、负载线圈和立体型谐振线圈阵列的设计。通过激励线圈与发射谐振线圈阵列之间的感应耦合，收发谐振线圈阵列之间的谐振耦合，以及接收谐振线圈阵列与负载线圈之间的感应耦合，形成一个立体均匀分布的磁场。当收发天线尺寸差异较大，收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

Description

一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，尤其涉及一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置。

背景技术

随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和电子消费产品、移动通讯设备等都广泛普及。在传统的家用电器上普遍都依赖于电源线和电源插座之间通过有线的连接方式进行器件供电，采取内置电池的电子设备普遍也是通过充电线和电源插座之间进行有线的连接，所以在日常生活中电线占据了我们大量的活动空间，随之而来的就限制了设备使用的便捷性。但是近几年无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点，无线充电技术迅速发展，人们逐渐适应这种新型的充电方式，并且对无线充电的方式需求不断增长。目前该技术已逐渐被应用于人们日常生活中低功耗的电子产品中，代替了电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便捷。

近几年随着5G时代的来临，我们进入了物联网的时代，各种智能穿戴设备、智能家居等电子消费产品膨胀式发展，电子消费产品的尺寸越做越小，收发线圈之间的差异越来越大，导致传统的矩形线圈已经不能满足我们日常的需求。传统的矩形线圈对于一些小的智能手表、智能手环、蓝牙耳机等负载线圈只满足中心点传输效率高和传输距离受限，只满足点对点的进行无线充点，在一定的三维空间内收发线圈之间的传输效率变化很大，中心区域传输效率高，空间范围内的边缘部分和高距离情况小，无法做到随放随充；如果接收天线在空间范围内还带有一些倾角，会导致接收天线收到的磁通量变得更小，导致收发线圈之间的耦合性变得更差。所以就目前而言，市面上的发射天线结构采取的是单个矩形线圈作为激励线圈，没有引入其余的谐振线圈来进行耦合馈电，其中矩形线圈只在其内部创造一个变化的磁场，接收天线将变化的磁场转换为电流，根据发射和负载线圈之间的距离不同，只有一部分变化的磁场能从发射线圈到达接收线圈，进而转换为电流。当收发线圈尺寸差异较大时，如果各式各类的电子设备想要在一定的三维空间内得到一个稳定且高效的传输效率，市面上没有相应的收发天线设计方案。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，当收发天线尺寸差异较大，对比传统的平面型收发天线结构，本发明可以使得收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，包括均为立体结构的发射天线和接收天线；

所述发射天线包括位于底部的激励线圈和位于上部且从底部向上依次排列的若干个发射谐振线圈单元，所述若干个发射谐振线圈单元组成发射谐振线圈阵列，所述激励线圈和若干个发射谐振线圈单元均为带缺口的线圈，且所述缺口处均连接谐振电容形成高频结构；所述激励线圈为平面型多匝线圈，各所述发射谐振线圈单元为多匝立体型线圈，且各所述发射谐振线圈单元的匝数相同或不同；

所述接收天线包括位于上部的负载线圈和位于底部且从上往下依次排列的若干个接收谐振线圈单元，所述若干个接收谐振线圈单元组成接收谐振线圈阵列；所述负载线圈和若个干接收谐振线圈单元均为带缺口的线圈，且所述缺口处连接谐振电容构成高频结构，所述负载线圈为平面型多匝线圈，各所述接收谐振线圈单元为多匝立体型线圈，且各所述接收谐振线圈单元的匝数相同或不同。

本发明的有益效果是：为了给便携式计算机、通讯产品、消费电子产品在一定的三维空间范围内，当收发天线之间充电距离、夹角改变时，提供一个稳定无线电能供给方案，本发明基于磁谐振耦合无线能量传输方案，提供了一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，本发明中收发线圈采用激励线圈、负载线圈和立体型谐振线圈阵列的设计，通过激励线圈与发射谐振线圈阵列之间的感应耦合，收发谐振线圈阵列之间的谐振耦合，以及接收谐振线圈阵列与负载线圈之间的感应耦合，形成一个立体均匀分布的磁场。当收发天线尺寸差异较大，收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

进一步地，所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元的几何结构包括圆形、矩形和菱形；所述发射谐振线圈单元的尺寸和形状与激励线圈的尺寸和形状相同或不同；所述接收谐振线圈单元的尺寸和形状与负载线圈的尺寸和形状相同或不同；所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元中各线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。

再进一步地，所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元均采用金属切割工艺或印刷电路板工艺加工。

再进一步地，所述激励线圈包括第一微带线；所述射谐振线圈阵列包括第一发射谐振线圈、第二发射谐振线圈、第三发射谐振线圈以及第四发射谐振线圈；所述第一微带线上设置有第一电磁能量输入口和第一连接点，第一发射谐振线圈上设置有第二电磁能量输入口，第二发射谐振线圈上设置有第三电磁能量输入口，第三发射谐振线圈上设置有第四电磁能量输入口，第四发射谐振线圈上设置有第五电磁能量输入口；所述第一微带线为带缺口的矩形线圈。

上述进一步方案的有益效果是：本发明中发射天线由底部的激励线圈和发射谐振线圈阵列，共同构成一个立体的天线结构，线圈与线圈之间各自没有连接，四个发射谐振线圈单元则通过感应耦合馈电的方式进行馈电，可以使得天线上没有剧烈的电流不连续点，能够获得较宽的阻抗带宽，阻抗匹配也相对更加容易调节，并且天线各各部分是分离的，可以分别进行优化，制作工艺也相对简单，从接收谐振线圈单元的匹配电容来看，是从底部依次增大的，非常易于实物制作，而且此发射天线结构采取了金属切割工艺加工，可以得到Q值更高的发射天线。最终使得收发天线尺寸差异较大，收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定，也能满足多个电子设备同时进行无线充电和供电要求。

再进一步地，所述负载线圈包括负载线圈正面的接收谐振线圈和负载线圈背面的寄生耦合线圈；所述接收谐振线圈上设置有第二连接点、第三连接点和第一电磁能量输出口；所述寄生耦合线圈上设置有第四连接点和第五连接点；所述第二连接点和第四连接点之间设置有通孔，所述第三连接点和第五连接点之间设置有通孔；所述接收谐振线圈和寄生耦合线圈均为四方螺线环形；所述负载线圈正面和负载线圈背面通过第二连接点和第四连接点以及第三连接点和第五连接点连接；

所述接收谐振线圈阵列包括第一接收谐振线圈、第二接收谐振线圈和第三接收谐振线圈，所述第一接收谐振线圈上设置有第六电磁能量输入口，所述第二接收谐振线圈上设置有第七电磁能量输入口，第三接收谐振线圈上设置有第八电磁能量输入口。

上述进一步方案的有益效果是：本发明的接收天线采取负载线圈和接收谐振线圈阵列构成的立体型结构，负载线圈正背面线圈均采用四方螺线环形设计，背面的寄生谐振线圈增加了收发磁谐振线圈之间的耦合强度，在靠近负载线圈的附近有三个单匝立体型谐振线圈单元，通过这三个接收谐振线圈单元能够尽量使能量进入接收天线当中，减少电磁泄漏，并且三个接收谐振线圈单元的匹配电路的电容值也是从小到大依次增加，方便实际制作。此接收天线结构能够在发射天线的额定区域内使得接收天线无论使高距离、低距离、有倾角、无倾角都能保持高效且稳定的传输效率。

再进一步地，所述第一微带线的长度L_Tx_Drive为80mm-120mm；

所述第一微带线的宽度H_Tx_Drive为80mm-120mm；

所述第一微带线的微带线宽度W_Tx_Drive为1.5mm-5mm；

所述第一微带线中相邻微带线的间隙S_Tx_Drive为0.5mm-3mm；

所述第一发射谐振线圈的长度L_Tx_Res为80mm-120mm；

所述第一发射谐振线圈的宽度H_Tx_Res为80mm-120mm；

所述第一发射谐振线圈的高度W_Tx_Res为2mm-8mm；

所述第一微带线与第一发射谐振线圈的间隙H1为2mm-8mm；

所述第一发射谐振线圈与第二发射谐振线圈的间隙H2为2mm-8mm；

所述第二发射谐振线圈与第三发射谐振线圈的间隙H3为2mm-8mm；

所述第三发射谐振线圈与第四发射谐振线圈的间隙H4为2mm-8mm。

再进一步地，所述激励线圈的可调电容为1pF-10nF；所述发射谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF。

上述进一步方案的有益效果是：本发明通过对发射天线中各个几何参数和电气参数的优化设置，采用激励线圈加发射谐振线圈阵列的立体天线结构，并运用感应耦合馈电的方式对谐振线圈进行馈电，使得负载线圈能尽可能地保持强耦合的状态，最终使得当收发天线尺寸差异较大，收发天线之间充电距离、夹角改变时，收发线圈之间的传输效率都为维持在80％以上，是一个稳定且高效的传输效率。

再进一步地，所述负载线圈正面的长度L_Rx_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈正面的宽度H_Rx_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈正面中微带线的宽度W_Rx_Load为0.5mm-3mm；

所述负载线圈正面中微带线之间的间隙S_Rx_Load为0.2mm-1mm；

所述负载线圈背面的长度L_Rx1_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈背面的宽度H_Rx1_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈背面中微带线的宽度W_Rx1_Load为0.5mm-3mm；

所述负载线圈背面中微带线之间的间隙S_Rx1_Load为0.2mm-1mm；

所述第一接收谐振线圈的长度L_Rx_Res为22mm-34mm；

所述第一接收谐振线圈的宽度H_Rx_Res为22mm-34mm；

所述第一接收谐振线圈的高度W_Rx_Res为1mm-4mm；

所述负载线圈与第一接收谐振线圈线间隙H5为0.5mm-3mm；

所述第一接收谐振线圈与第二接收谐振线圈间隙H6为0.5mm-3mm；

所述第二接收谐振线圈与第三接收谐振线圈间隙H7为0.5mm-3mm。

再进一步地，所述负载线圈的可调电容为1pF-10nF；所述接收谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF。

上述进一步方案的有益效果是：本发明通过对接收天线中各个几何参数和电气参数的优化设置，在保证接收天线的小型化的同时，提高收发磁谐振线圈之间的耦合强度以及负载线圈本身的品质因子，以适用于电子消费产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电能量信号的接收，并且在负载线圈底部加上发射谐振线圈阵列，形成一个立体分别的磁场，使得无论接收天线在发射天线内部如何放置都能保持稳定且高效的传输效率。

附图说明

图1为本发明中发射天线3D图。

图2为本发明中发射天线俯视图。

图3为本发明中发射天线右视图。

图4为接收天线中负载线圈的顶层印刷电路结构示意图。

图5为接收天线中负载线圈的底层印刷电路结构示意图。

图6为本发明中接收天线的右视图。

图7为本发明中收发天线的俯视图。

图8为本实施例中接收天线距离底部激励线圈5mm处平行与发射天线区域内的横向不同位置的无线能量传输效率图。

图9为本实施例中接收天线距离底部激励线圈20mm处平行与发射天线区域内的横向不同位置的无线能量传输效率图。

图10为本实施例中接收天线距离底部激励线圈40mm处平行与发射天线区域内的横向不同位置的无线能量传输效率图。

图11为本实施例中接收天线倾斜60°、距离底部激励线圈25mm时，收发天线的俯视图。

图12为本实施例中接收天线倾斜60°、距离底部激励线圈25mm时，收发天线的右视图。

图13为本实施例中接收天线倾斜60°、距离底部激励线圈25mm时与发射天线区域内的横向不同位置的无线能量传输效率图。

其中，1-第一微带线，2-第一发射谐振线圈，3-第二发射谐振线圈，4-第三发射谐振线圈，5-第四发射谐振线圈，101-第一电磁能量输入口，102-第一连接点，201-第二电磁能量输入口，202-第三电磁能量输入口，203-第四电磁能量输入口，204-第五电磁能量输入口，301-接收谐振线圈，302-第二连接点，303-第一电磁能量输出口，304-第三连接点，401-寄生耦合线圈，402-第四连接点，403-第五连接点，501-第一接收谐振线圈，502-第二接收谐振线圈，503-第三接收谐振线圈，504-第六电磁能量输入口，505-第七电磁能量输入口，506-第八电磁能量输入口。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

本发明提供了一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，包括均为立体结构的发射天线和接收天线；所述发射天线包括位于底部的激励线圈和位于上部且从底部向上依次排列的若干个发射谐振线圈单元，所述若干个发射谐振线圈单元组成发射谐振线圈阵列，所述激励线圈和若干个发射谐振线圈单元均为带缺口的线圈，且所述缺口处均连接谐振电容形成高频结构；所述激励线圈为平面型多匝线圈，各所述发射谐振线圈单元为多匝立体型线圈，且各所述发射谐振线圈单元的匝数相同或不同；所述接收天线包括位于上部的负载线圈和位于底部且从上往下依次排列的若干个接收谐振线圈单元，所述若干个接收谐振线圈单元组成接收谐振线圈阵列；所述负载线圈和若个干接收谐振线圈单元均为带缺口的线圈，且所述缺口处连接谐振电容构成高频结构，所述负载线圈为平面型多匝线圈，各所述接收谐振线圈单元为多匝立体型线圈，且各所述接收谐振线圈单元的匝数相同或不同。激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元的几何结构包括圆形、矩形和菱形；所述发射谐振线圈单元的尺寸和形状与激励线圈的尺寸和形状相同或不同；所述接收谐振线圈单元的尺寸和形状与负载线圈的尺寸和形状相同或不同；所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元中各线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元均采用金属切割工艺或印刷电路板工艺加工。

本实施例中，本装置包括用于无线电能发射的发射天线和用于无线电能接收的接收天线，其中，发射天线采取金属切割工艺，得到品质因数更高的发射天线，材料则为0.5mm厚的紫铜板；接收天线采取PCB板工艺和金属切割工艺，其中，负载线圈采用PCB板结构，接收天线中的谐振线圈单元则为金属切割工艺。

本实施例中，根据等效电路可知，收发天线采用激励线圈(Drive)、负载线圈(Load)和立体型谐振线圈阵列的设计，激励线圈和负载线圈的匹配电路可为差分电路，或从天线端来看，先并联一个谐振电容在串联一个谐振电容，激励线圈和负载线圈的两种匹配电路的电容值取值范围都为1pF-10nF；发射谐振线圈阵列(Tx_Res)和接收谐振线圈阵列(Rx_Res)的匹配电路为只串联一个谐振电容，其中电容值取值范围为1pF-10nF，并且谐振线圈阵列中的谐振电容Tx_Res_C1-TX_Resn_C从小依次增大。通过谐振电容使得激励线圈与发射谐振线圈阵列之间的感应耦合，收发谐振线圈阵列之间的谐振耦合，以及接收谐振线圈阵列与负载线圈之间的感应耦合，能够形成一个立体均匀分布的磁场。此电路中的谐振线圈运用了感应耦合馈电的方式，这是一种非接触激励机制，天线各各部分是分离的，可以分别进行优化，制作工艺也相对简单；这种馈电方式的天线上没有剧烈的电流不连续点，能够获得较宽的阻抗带宽，阻抗匹配也相对更加容易调节，运用这种结构能够使得当收发天线尺寸差异较大，收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

如图1所示，激励线圈包括第一微带线1；发射谐振线圈阵列包括第一发射谐振线圈2、第二发射谐振线圈3、第三发射谐振线圈4以及第四发射谐振线圈5；第一微带线1上设置有第一电磁能量输入口101和第一连接点102，第一发射谐振线圈2上设置有第二电磁能量输入口201，第二发射谐振线圈3上设置有第三电磁能量输入口202，第三发射谐振线圈4上设置有第四电磁能量输入口203，第四发射谐振线圈5上设置有第五电磁能量输入口204，第一微带线1为带缺口的矩形线圈。

本实施例中，发射天线由两部分组成，包括底部的激励线圈和上部的四个发射谐振线圈单元，激励线圈为多匝平面型线圈，发射谐振线圈单元为单匝立体型线圈，它们均为矩形并且尺寸都相同，四个谐振线圈单元从底部向上依次排列，四个谐振线圈单元共同构成谐振线圈阵列。

本实施例中，底部的激励线圈和上部的四个发射谐振线圈单元两者都采用金属切割工艺，所用材料为0.5mm厚紫铜板。底部的激励线圈和上部的多个发射谐振线圈单元均为带缺口的线圈，缺口处连接谐振电容形成高频结构。底部的多匝平面型线圈包括第一微带线和起连接作用的微带线，第一微带线为带缺口的矩形线圈，其上设置有第一连接点和第一电磁能量输入口，通过第一连接点使得第一微带线形成高频结构。

本实施例中，底部的激励线圈和上部的多个发射谐振线圈单元为带缺口的线圈，缺口处连接谐振电容共同形成高频结构，底部激励线圈和上部谐振线圈阵列共同构成一个立体的发射天线结构。

本实施例中，如图2所示，图2为发射天线的俯视图，主要呈现的是底部激励线圈，即第一微带线1，本视图中可以看到第一电磁能量输入口101，此电磁能量输入口101通过匹配电路后直接连接功放源，进行射频信号输入进激励线圈，第一连接点102则是通过微带线将底部的激励线圈形成高频结构。

本实施例中，如图3所示，图3为发射天线的右视图，主要呈现的是发射天线中的发射谐振线圈阵列，从底部往上依次是第一发射谐振线圈2、第二发射谐振线圈3、第三发射谐振线圈4和第四发射谐振线圈5，第一发射谐振线圈2上有第二电磁能量输入口201、第二发射谐振线圈3上有第三电磁能量输入口202、第三发射谐振线圈4上有第四电磁能量输入口203以及第四发射谐振线圈5上有第五电磁能量输入口204。

如图4所示，所述负载线圈包括负载线圈正面的接收谐振线圈301和负载线圈背面的寄生耦合线圈401；所述接收谐振线圈301上设置有第二连接点302、第三连接点304和第一电磁能量输出口303；所述寄生耦合线圈401上设置有第四连接点402和第五连接点403；所述第二连接点302和第四连接点402之间设置有通孔，所述第三连接点304和第五连接点403之间设置有通孔；所述接收谐振线圈301和寄生耦合线圈401均为四方螺线环形；所述负载线圈正面和负载线圈背面通过第二连接点302和第四连接点402以及第三连接点304和第五连接点403连接；接收谐振线圈阵列包括第一接收谐振线圈501、第二接收谐振线圈502和第三接收谐振线圈503，第一接收谐振线圈501上设置有第六电磁能量输入口504，第二接收谐振线圈502上设置有第七电磁能量输入口505，第一接收谐振线圈503上设置有第八电磁能量输入口506。

本实施例中，接收天线为一个负载线圈和三个接收谐振线圈单元，其中三个接收谐振线圈单元从上向下依次排列，构成一个接收谐振线圈阵列，负载线圈和接收谐振线圈阵列共同构成发射天线。负载线圈采用印刷电路板加工工艺，正背面线圈采用四方螺旋环形设计，背部为寄生耦合线圈401，接谐振线圈单元为单匝立体型线圈，负载线圈和接收谐振线圈单元尺寸相同、形状均为矩形，接收谐振线圈单元采用金属切割工艺，材料为0.5mm厚紫铜板；接收天线中的负载线圈正面设置有第二连接点302和第一电磁能量输出口303，背面设置有第四连接点402和第五连接点403，第二连接点302、第四连接点402、第五连接点403均为通孔，用以连接负载线圈的正面和背面，负载线圈下面的接收谐振线圈单元分别为第一接收谐振线圈501、第二接收谐振线圈502、第二接收谐振线圈502上设置有第七电磁能量输入口505，在第三接收谐振线圈503上设置有第八电磁能量输入口506。负载线圈和下部的多个接收谐振线圈单元均为带缺口的线圈，缺口处连接谐振电容形成高频结构。

本实施例中，如图4所示，图4为接收天线中的负载线圈，由于其采用PCB板工艺，故其分为上下两层，负载线圈正面的接收谐振线圈301，其上有第二连接点302和第三连接点304，第二连接点302和第四连接点402之间设置有通孔，第三连接点304和第五连接点403之间设置有通孔，且相互之间设置有通孔的连接点，均通过设置在通孔中的微带线连接，使得负载线圈正面和负载线圈背面连接在一起。

本实施例中，如图5所示，图5为接收天线中的负载线圈，其为负载线圈中的寄生耦合线圈401，其上有第三按连接点402、第五连接点403，第二连接点302和第四连接点402之间设置有通孔，第三连接点304和第五连接点403之间设置有通孔，且相互之间设置有通孔的连接点，均通过设置在通孔中的微带线连接，使得负载线圈正面和负载线圈背面连接在一起。

本实施例中，如图6所示，图6为接收天线中的接收谐振线圈阵列，其中第一接收谐振线圈501、第二接收谐振线圈502、第三接收谐振线圈503，在第一接收谐振线圈上有第六电磁能量输入口504、在第二接收谐振线圈上有第七电磁能量输入口505、在第三接收谐振线圈上有第六电磁能量输入口506，多个接收谐振线圈单元为带缺口的线圈，缺口处连接谐振电容形成高频结构。

本实施例中，发射天线和接收天线的几何参数和电气参数设置如下：

第一微带线1的长度L_Tx_Drive为80mm-120mm；

第一微带线1的宽度H_Tx_Drive为80mm-120mm；

第一微带线1的微带线宽度W_Tx_Drive为1.5mm-5mm；

第一微带线1中相邻微带线的间隙S_Tx_Drive为0.5mm-3mm；

第一发射谐振线圈2的长度L_Tx_Res为80mm-120mm；

第一发射谐振线圈2的宽度H_Tx_Res为80mm-120mm；

第一发射谐振线圈2的高度W_Tx_Res为2mm-8mm；

第一微带线1与第一发射谐振线圈2的间隙H1为2mm-8mm；

第一发射谐振线圈2与第二发射谐振线圈3的间隙H2为2mm-8mm；

第二发射谐振线圈003与第三发射谐振线圈004的间隙H3为2mm-8mm；

第三发射谐振线圈004与第四发射谐振线圈005的间隙H4为2mm-8mm。

本实施例中，激励线圈的可调电容为1pF-10nF；发射谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF。

本实施例中，负载线圈正面301的长度L_Rx_Load为22mm-34mm；

负载线圈正面301的宽度H_Rx_Load为22mm-34mm；

负载线圈正面301中微带线的宽度W_Rx_Load为0.5mm-3mm；

负载线圈正面301中微带线之间的间隙S_Rx_Load为0.2mm-1mm；

负载线圈背面401的长度L_Rx1_Load为22mm-34mm；

负载线圈背面401的宽度H_Rx1_Load为22mm-34mm；

负载线圈背面401中微带线的宽度W_Rx1_Load为0.5mm-3mm；

负载线圈背面401中微带线之间的间隙S_Rx1_Load为0.2mm-1mm；

第一接收谐振线圈501的长度L_Rx_Res为22mm-34mm；

第一接收谐振线圈501的宽度H_Rx_Res为22mm-34mm；

第一接收谐振线圈501的高度W_Rx_Res为1mm-4mm；

负载线圈与第一接收谐振线圈501线间隙H5为0.5mm-3mm；

第一接收谐振线圈501与第二接收谐振线圈502间隙H6为0.5mm-3mm；

第二接收谐振线圈502与第三接收谐振线圈503间隙H7为0.5mm-3mm。

本实施例中，负载线圈的可调电容为1pF-10nF；接收谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF。

本实施例中，发射天线采用金属切割工艺加工而成，负载线圈则采用印刷电路板工艺和金属切割工艺加工而成。各连接点的具体位置如图2-图6所示，接收天线的连接点之间设置有通孔，使其连接在一起，发射天线之间的连接点直接通过焊锡使其连接在一起，每个谐振线圈通过焊锡将谐振线圈与电容直接串联在一起，形成高频结构。

本实施例中，发射天线的长度(L_Tx_Drive、L_Tx_Res)和宽度(H_Tx_Drivr、H_Tx1_Drive、H_Tx_Res、H_Tx1_Res)并不局限于上表中的具体取值，而是可以根据发射谐振线圈的大小和数量进行具体的调整。

本实施例中，本发明的工作过程如下：在发射天线底部的激励线圈的第一电磁能量输入口101上添加激励，激励信号在第一微带线1上产生电磁振荡，然后电磁能量通过磁感应耦合，分别对第一发射谐振线圈2上的第二电磁能量输入口201、第二发射谐振线圈3上的第三电磁能量口202、第三发射谐振线圈4上的第四电磁能量输入口203、第四发射谐振线圈5上的第五能量输入口204进行感应耦合馈电，然后发射谐振线圈阵列和接收谐振线圈阵列之间的耦合，分别对第一接收谐振线圈501上的第一接收谐振线圈501、第二接收谐振线圈502上的第二接收谐振线圈502和第三接收谐振线圈503上的第三接收谐振线圈503进行感应耦合馈电，接收时接收谐振线圈阵列和负载线圈的磁感应耦合，最终通过将能量传输到接收天线中的负载线圈的顶层线圈(接收谐振线圈301)和寄生耦合线圈401，最终电磁能量从顶层线圈上的第一电磁能量输出口303输出，经过整流稳压后供给给电子消费产品、通讯设备和LED照明设备。

本实施例中，由于发射天线是一个立体型结构，故将接收天线放入发射天线所围成的三维空间内，根据此优选方案可看出当接收天线水平放置(如图7所示为接收天线水平放置时，收发天线的俯视图)，距离底部激励线圈为5mm、20mm、40mm时，其传输效率都为92％左右(如图8、图9和图10所示)，并且其水平自由度都控制在1％以内；当接收天线倾斜60°时(如图11所示和图12所示为接收天线倾斜60°时，收发天线的俯视图和右视图)，传输距离为5mm时，其传输效率为85％左右(如图13)，其水平自由度也非常优良。可得出，当收发天线尺寸差异较大，对比传统的平面型收发天线结构，本发明可以使得收发天线之间充电距离、夹角改变时，传输效率保持稳定。

Claims (9)

1.一种用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，包括均为立体结构的发射天线和接收天线；

所述发射天线包括位于底部的激励线圈和位于上部且从底部向上依次排列的若干个发射谐振线圈单元，所述若干个发射谐振线圈单元组成发射谐振线圈阵列，所述激励线圈和若干个发射谐振线圈单元均为带缺口的线圈，且所述缺口处均连接谐振电容形成高频结构；所述激励线圈为平面型多匝线圈，各所述发射谐振线圈单元为多匝立体型线圈，且各所述发射谐振线圈单元的匝数相同或不同；

所述接收天线包括位于上部的负载线圈和位于底部且从上往下依次排列的若干个接收谐振线圈单元，所述若干个接收谐振线圈单元组成接收谐振线圈阵列；所述负载线圈和若个干接收谐振线圈单元均为带缺口的线圈，且所述缺口处连接谐振电容构成高频结构，所述负载线圈为平面型多匝线圈，各所述接收谐振线圈单元为多匝立体型线圈，且各所述接收谐振线圈单元的匝数相同或不同。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元的几何结构包括圆形、矩形和菱形；所述发射谐振线圈单元的尺寸和形状与激励线圈的尺寸和形状相同或不同；所述接收谐振线圈单元的尺寸和形状与负载线圈的尺寸和形状相同或不同；所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元中各线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。

3.根据权利要求2所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述激励线圈、负载线圈、发射谐振线圈单元以及接收谐振线圈单元均采用金属切割工艺或印刷电路板工艺加工。

4.根据权利要求3所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述激励线圈包括第一微带线(1)；所述射谐振线圈阵列包括第一发射谐振线圈(2)、第二发射谐振线圈(3)、第三发射谐振线圈(4)以及第四发射谐振线圈(5)；所述第一微带线(1)上设置有第一电磁能量输入口(101)和第一连接点(102)，第一发射谐振线圈(2)上设置有第二电磁能量输入口(201)，第二发射谐振线圈(3)上设置有第三电磁能量输入口(202)，第三发射谐振线圈(4)上设置有第四电磁能量输入口(203)，第四发射谐振线圈(5)上设置有第五电磁能量输入口(204)；所述第一微带线(1)为带缺口的矩形线圈。

5.根据权利要求4所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述负载线圈包括负载线圈正面的接收谐振线圈(301)和负载线圈背面的寄生耦合线圈(401)；所述接收谐振线圈(301)上设置有第二连接点(302)、第三连接点(304)和第一电磁能量输出口(303)；所述寄生耦合线圈(401)上设置有第四连接点(402)和第五连接点(403)；所述第二连接点(302)和第四连接点(402)之间设置有通孔，所述第三连接点(304)和第五连接点(403)之间设置有通孔；所述接收谐振线圈(301)和寄生耦合线圈(401)均为四方螺线环形；所述负载线圈正面和负载线圈背面通过第二连接点(302)和第四连接点(402)以及第三连接点(304)和第五连接点(403)连接；

所述接收谐振线圈阵列包括第一接收谐振线圈(501)、第二接收谐振线圈(502)和第三接收谐振线圈(503)，所述第一接收谐振线圈(501)上设置有第六电磁能量输入口(504)，所述第二接收谐振线圈(502)上设置有第七电磁能量输入口(505)，所述第三接收谐振线圈(503)上设置有第八电磁能量输入口(506)。

6.根据权利要求5所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述第一微带线(1)的长度L_Tx_Drive为80mm-120mm；

所述第一微带线(1)的宽度H_Tx_Drive为80mm-120mm；

所述第一微带线(1)的微带线宽度W_Tx_Drive为1.5mm-5mm；

所述第一微带线(1)中相邻微带线的间隙S_Tx_Drive为0.5mm-3mm；

所述第一发射谐振线圈(2)的长度L_Tx_Res为80mm-120mm；

所述第一发射谐振线圈(2)的宽度H_Tx_Res为80mm-120mm；

所述第一发射谐振线圈(2)的高度W_Tx_Res为2mm-8mm；

所述第一微带线(1)与第一发射谐振线圈(2)的间隙H1为2mm-8mm；

所述第一发射谐振线圈(2)与第二发射谐振线圈(3)的间隙H2为2mm-8mm；

所述第二发射谐振线圈(003)与第三发射谐振线圈(004)的间隙H3为2mm-8mm；

所述第三发射谐振线圈(004)与第四发射谐振线圈(005)的间隙H4为2mm-8mm。

7.根据权利要求6所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述激励线圈的可调电容为1pF-10nF；所述发射谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF。

8.根据权利要求7所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述负载线圈正面(301)的长度L_Rx_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈正面(301)的宽度H_Rx_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈正面(301)中微带线的宽度W_Rx_Load为0.5mm-3mm；

所述负载线圈正面(301)中微带线之间的间隙S_Rx_Load为0.2mm-1mm；

所述负载线圈背面(401)的长度L_Rx1_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈背面(401)的宽度H_Rx1_Load为22mm-34mm；

所述负载线圈背面(401)中微带线的宽度W_Rx1_Load为0.5mm-3mm；

所述负载线圈背面(401)中微带线之间的间隙S_Rx1_Load为0.2mm-1mm；

所述第一接收谐振线圈(501)的长度L_Rx_Res为22mm-34mm；

所述第一接收谐振线圈(501)的宽度H_Rx_Res为22mm-34mm；

所述第一接收谐振线圈(501)的高度W_Rx_Res为1mm-4mm；

所述负载线圈与第一接收谐振线圈(501)线间隙H5为0.5mm-3mm；

所述第一接收谐振线圈(501)与第二接收谐振线圈(502)间隙H6为0.5mm-3mm；

所述第二接收谐振线圈(502)与第三接收谐振线圈(503)间隙H7为0.5mm-3mm。

9.根据权利要求8所述的用于磁共振无线能量传输系统的立体天线装置，其特征在于，所述负载线圈的可调电容为1pF-10nF；所述接收谐振线圈阵列的可调电容为1pF-10nF。

Images