CN113472093B - 一种基于双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输实现系统，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；所述发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，所述非谐振发射环和接收环具有开口；所述接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同；所述金属超材料结构包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个所述延伸部互相平行；其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环和接收环以及谐振圆环部的圆心在同一竖直线上；所述非谐振发射环和接收环的开口与谐振圆环部的开口方向一致。

Description

一种基于双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输结构设计领域，具体而言，尤其涉及一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输实现方法。

背景技术

无线能量传输(WPT)是一种利用电场耦合或磁场耦合而进行的双端或多端非接触式实时能量传输技术。由于无线能量传输不再约束接收与功率源物理接触，使得调整不同的设备充电位置是便捷可行的。由于其表现出的广泛的适用性及便捷性，自从在2007年被首次提出以来，无线能量传输始终是一个研究热点，并且其研究成果已被应用在植入式医疗设备、分布式传感网络、智能家居以及各种微型便携式电子设备等众多领域。针对不同的应用情形，无线能量传输发展出了包括基于微波辐射，磁耦合谐振，超材料传输等的多种传输形式。然而，无线电能传输系统在摆脱传统电力输送介质束缚的同时，也带来了传输距离与传输效率的矛盾,以及无线能量传输系统电能传输的避障及路径规划问题。现阶段，发掘一种高效、不受能量传播路径影响的无线能量传输形式仍是需要讨论的重要问题。在无线能量传输中赋形或重构耦合场空间分布以约束场的耦合路径是一种提高发射端与接收端耦合、躲避传输障碍的有效方法。基于其自身谐振及耦合等特性，电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial,EM MTM)的出现为该领域的研究人员提供了控制电磁场耦合及传播形式的可行载体。

EM MTM是一种具有某种特异电磁性能的人造微结构单胞或周期阵列，其在外场激励下表现出电或磁谐振、等离子体特性等。MTM被用于调整局部EM场的分布或控制波的传输路径，它的引入使得无线能量传输具有了更灵活的参数调整方法。基于LC谐振的金属微结构型MTM及基于Mie散射的高介电陶瓷型MTM均被引入到无线能量传输设计中。合理的MTM空间分布可用于构成MTM超透镜、磁耦合设备等，将MTM超透镜作为一种中继可有效引导传输的电磁波按照所需路径传播至目标位置，实现对耦合场的聚焦以及倏逝波的放大，获取高无线能量传输效率。然而已有基于MTM的WPT多是以周期性MTM单胞阵列为实现载体的，需要较大规模二维结构阵列，在该种无线能量传输系统中，能量传输距离受到发射及接收线圈、波长等的限制明显，同时无法解决在无线能量传输中路径可调控的问题。

桌面无线能量传输(Table Wireless Power Transmission,TWPT)作为一种重要的无线能量传输形式，在桌面上布置能量传输路径，发射及接收线圈不需要同轴或共面放置，可避免空间无线能量传输中两线圈共面的限制，同时，也避免了空间区域及路径可控的限制。目前在TWPT设计中，使用开口谐振环阵列作为谐振器，其可将倏逝波转换成传输波，并通过开口谐振环阵列中各谐振环间耦合实现能量传输，在一定程度上路径可以调控，然而仍存在谐振环间耦合较弱无法远距离传输、路径受限的问题。

发明内容

根据上述提出的现有技术无法满足在远距离条件下实现高效率的无线电能传输，并保证整个系统的位置鲁棒性的技术问题，提供一种基于耦合双线谐振环超材料的桌面无线能量传输系统。以磁偶极子模式工作的陶瓷介质圆盘禁锢发射激发的磁场并实现对倏逝波的增强。合理的金属超材料在实现对反射场与入射场的约束作用的同时也为波的传输提供了载体，有效的抑制了能量的损失，实现了高效的无线能量传输系统。此外，所提无线能量传输系统在发射线圈与接收线圈处于不同空间位置的情况下仍能保持高效传输。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；

所述发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，所述非谐振发射环具有开口；

所述接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同；

所述金属超材料结构为金属微结构组成的响应单元，在外部入射电磁场激励下会产生对应谐振响应，具体包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个所述延伸部互相平行；

其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环和接收环以及谐振圆环部的圆心在同一竖直线上。

进一步地，所述谐振圆环部的开口相对设置，所述延伸部呈直线型。

进一步地，所述谐振圆环部的开口朝向同侧设置，所述延伸部同侧偏移设置。

进一步地，所述谐振圆环部的开口朝向异侧设置，所述延伸部异侧偏移设置。

进一步地，所述谐振圆环部的开口朝向下方设置，所述延伸部三维空间抬起设置。

进一步地，所述发射器和接收器的圆盘的直径大于所述谐振圆环部的外径。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用金属超材料设计对电磁场进行约束、引导与裁剪，从而实现磁场的重新分布。陶瓷介质圆盘的引入可增强谐振器内磁场耦合强度，与此同时，在两耦合线圈间引入耦合双金属平行线，使传输波沿金属平行线间缝隙进行传输，完成倏逝波—传输波—倏逝波的转换，并可有效避免倏逝波在传输过程中的衰弱，减少能量的损耗。该TWPT系统可实现针对特定频点处的无线能量传输系统进行远距离，高效率传输的功能，同时使该系统具有较为优越的抗干扰能力以及收发线圈位置鲁棒性等方面的明显优势。相比于其他无线电能传输系统，此发明的设计结构更加简单，设计效果更加优秀，可行性较强，可靠性更高。

基于上述理由本发明可在无线电能传输领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为实施例1中无线电能传输系统结构示意图。

图2为实施例1中当延伸部长度为160cm时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。

图3为实施例1中当延伸部长度为250cm时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。

图4为实施例2中延伸部同侧偏移90°时无线电能传输系统结构示意图。

图5为实施例2中延伸部同侧偏移90°时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。

图6为实施例2中延伸部异侧偏移90°时无线电能传输系统结构示意图。

图7为实施例2中延伸部异侧偏移90°时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。

图8为实施例3中将发射器和接收器在Z轴方向抬起90°时无线电能传输系统结构示意图。

图9为实施例3中将发射器和接收器在Z轴方向抬起90°时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述给出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输实现系统，包括发射器、接收器以及超材料结构；其中发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，且非谐振发射环和接收环具有开口。接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同。所述超材料结构包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个延伸部互相平行。其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环和接收环以及谐振圆环部的圆心在同一竖直线上；所述非谐振发射环和接收环的开口与谐振圆环部的开口方向一致。优选地，发射器及接收器包括陶瓷介质圆盘，陶瓷介质圆盘并不要求紧贴超材料结构的谐振圆环部放置。进一步优选地，陶瓷介质圆盘的直径大于谐振圆环部的外径；谐振圆环部的内径大于非谐振发射环和接收环的外径。

具体来说，如图1所示，本申请中系统由发射器、接收器以及金属超材料组成。其中发射器主要包括超材料左侧的陶瓷介质圆盘以及位于其顶部s1(1mm-50mm)处的非谐振发射环，非谐振发射环的大小可根据实际工程的需求决定。接收器处于右侧对称位置。陶瓷介质圆盘的半径为d1(20-100mm)，厚度为h1(0.01mm-80mm)。发射器与接收器正下方外径为d2(d2<＝d1)，内径为d3(d3<d2)，厚度为h2(0.02mm-100mm)的开口金属圆环以及开口金属圆环两侧的长为L(0.1m-4m)，宽为W(W<＝d2-d3)，厚度为h2(0.02mm-100mm)的金属铜条构成了一个完整的金属超材料，其中两条金属线之间的间隔为k(0.1mm-30mm)，与金属圆环开口大小相等。陶瓷介质圆盘直接并不要求紧贴超材料结构放置，这也降低了它的应用难度。所提出的无线能量传输系统中L的大小对整个无线能量传输系统的传输效率影响有限，L的大小可由实际工程需要决定。在以上设计参数的取值范围内可满足系统传输效率在80％以上。

除此之外，本发明还将原有无线能量传输系统中的发射器与接收器进行一定角度的同侧与异侧角度偏移，保持两个陶瓷介质圆盘圆心之间的距离不变,收发线圈开口始终与发射器和接收器下方金属环开口方向保持一致，其他参数均保持不变。本发明还提出了三维空间内的位置变换，将原有无线能量传输系统的两端抬起一定的角度，发射器和接收器圆盘之间圆心的距离保持不变，其传输效果基本不变。

本发明提出了一种基于耦合双谐振环超材料的桌面无线能量系统。两个谐振圆盘以磁耦合谐振及传输模的方式实现高效且远距离的无线电能的传输与接收。本文所提出的无线能量传输系统依靠磁耦合谐振进行能量的发射和接收，依靠超材料结构进行远距离的能量传输迁徙。以磁偶极子模式工作的陶瓷介质圆盘将由发射环激发的磁场聚集在圆盘内，减少了磁场能量的损失。磁场的倏逝波将会为处于金属超材料末端位置的谐振器提供能量。

下面通过具体的应用实例，对本发明的方案和效果做进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例中使用介电常数为20，直径D＝100mm，h＝5mm的二氧化锆材料制作陶瓷介质圆盘。在该TWPT系统中，MTM金属平行线间距离k＝4mm。系统两侧开口谐振环的外径d3＝44mm，内径d2＝40mm，其厚度与MTM金属线结构保持一致，定为h2＝3mm。整个MTM金属宽度W＝4mm。在MTM金属谐振环上放置陶瓷介质圆盘。宽度为4mm，厚度为1mm的铜环作为发射及接收环放置在MTM结构上方10mm的位置。如图1所示。L＝160cm时，系统仍然在不同频率产生对应模态的响应，S21分别在72MHz与144MHz以及216MHz出现了三个谐振峰值。在所关心的一阶模态下，72MHZ频率处的传输系数为0.986，传输效率为97.14％。二阶及三阶模态下，传输系数分别在频率144MHz和216MHz处传输系数为0.971(效率η＝94.2％)和0.932(效率η＝87％)。当L＝250cm时，所提桌面无线能量传输系统一阶谐振频率发生在44.1MHz，该频率处传输系数S21为0.931(传输效率η＝86.8％)，如图3所示。

实施例2

本实施例基于实施例1中的无线电能传输系统进行接收器与发射器的偏斜实验测试。分别将接收器与发射器进行同侧与异侧方向不同角度的偏移。以偏斜90°为例。在该实例中，保持两个陶瓷介质圆盘圆心之间的距离为160cm，收发线圈开口始终与陶瓷介质圆盘下方金属谐振环开口方向保持一致，其他参数均保持不变。设计的同侧偏移90°无线电能传输系统如图4所示。在这种情况下，整个系统在64.7MHz时出现谐振峰值，S21最大传输系数为0.953，传输效率为90.9％，如图5所示。设计的异侧偏移90°无线电能传输系统，如图6所示。在进行异侧偏移，其他条件保持不变的情况下，整个系统在64.7MHz时出现谐振峰值，S21最大传输系数为0.93，传输效率为86.5％，如图7所示。

实施例3

本实施例基于实施例1中的无线电能传输系统进行接收器与发射器的偏斜实验测试。分别将接收器与发射器进行空间维度的角度偏移。以向Z轴方向抬起90°为例，h4＝h5＝197mm，如图8所示。在该实例中，保持两个陶瓷介质圆盘圆心之间的水平距离为160cm，收发线圈开口始终与陶瓷介质圆盘下方金属环开口方向保持一致，其他参数均保持不变。在这种情况下，TWPT系统在71.7MHz处取得最大传输系数为0.949(效率η＝90.9％)，如图9所示。

本发明提出了一种基于耦合双谐振环超材料的桌面无线能量系统，以磁偶极子模式工作的陶瓷介质圆盘将由发射环激发的磁场聚集在圆盘表面，大大减少了磁场能量的损失。金属超材料将磁场的倏逝波转换成传输波沿着超材料结构移动，有效的避免了倏逝波在传输过程中的衰减。上述实施例1-3公开的无线电能传输系统，实现了远距离情况下的高效率传输，并通过实验证明了该结构同时具有较为良好的鲁棒性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；

所述发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，所述非谐振发射环具有开口；

所述接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同；

所述金属超材料结构为金属微结构组成的响应单元，在外部入射电磁场激励下产生对应谐振响应，具体包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个所述延伸部互相平行；

其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环以及一个谐振圆环部的圆心在同一竖直线上，接收器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环以及另一个谐振圆环部的圆心在同一竖直线上。

2.根据权利要求1所述的一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，所述谐振圆环部的开口相对设置，所述延伸部呈直线型。

3.根据权利要求1所述的一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，所述谐振圆环部的开口朝向同侧设置，所述延伸部同侧偏移设置。

4.根据权利要求1所述的一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，所述谐振圆环部的开口朝向异侧设置，所述延伸部异侧偏移设置。

5.根据权利要求1所述的一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，所述谐振圆环部的开口朝向下方设置，所述延伸部三维空间抬起设置。

6.根据权利要求1所述的一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，所述发射器和接收器的圆盘的直径大于所述谐振圆环部的外径。