CN113517567B - 一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，包括介质基板、单片机控制模块及分别设置在介质基板两侧的谐振线圈和开关电容阵列；正面谐振线圈与反面开关电容阵列通过过孔相连；反面开关电容阵列包括由多个继电器组成的开关阵列和若干离散的电容，每个继电器分别与一个电容连接；单片机控制模块包括单片机、独立矩阵键盘及液晶显示屏；用户通过矩阵按键将所需负磁导率频段信息发送给单片机，单片机将接收到的按键信息转换为电信号控制对应的继电器打开，进而将相应的电容串联接入谐振回路，并且关闭其余继电器。本发明结构简单、操作简便，可根据自己的需要调整超材料板的负磁导率频段。
Description
技术领域
本发明涉及电磁学领域，特别是一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板。
背景技术
超材料是负折射率材料、左手材料、非正定介质等的统称，是一种人工材料，是自然界不存在的人们为了实现一定目的而人为构建的一种具有复合结构的特殊材料。超材料可以在特定频率范围内实现负磁导率或负介电常数，因此一经提出就成为电磁学领域的研究热点。在无线电能传输领域具有一些特殊的性能，比如说放大倏逝波，使源端的能量更多的聚集在负载端，电磁隐身等等。
无线电能传输技术是指不通过导线将电能从源端传输到负载端的一种电能传输方式。近年来，随着磁谐振式无线电能传输技术的发展，提高无线电能传输的效率和距离成为亟待解决的问题，线圈的品质因数及耦合程度是影响效率的两个主要因素，但品质因数由线圈的本身材料所决定，无法有大的提高，因此提高谐振线圈的耦合程度是提高谐振线圈传输效率的关键所在，而线圈产生的磁场随距离的增加呈指数衰减，耦合程度也随之降低，这导致无线电能传输系统无法广泛的应用在工业上。针对这个问题，加载负磁导率超材料板是一种很好的解决方案，该材料可以对谐振线圈的近场进行调控，使得源端的能量更多的聚集在负载端，从而增强谐振线圈的耦合，极大的提高了无线电能传输过程中的传输效率和距离。
传统的负磁导率超材料只有单频工作点，然而磁耦合谐振式无线电能传输系统随着距离的变化最佳电能传输频率随之改变，不同的无线电能传输系统它们的电能传输频率也不同，传统的超材料已无法达到要求，这极大的限制了超材料在无线电能传输系统中的应用，因此未来对超材料的研究将会集中在可调频的研究上。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，实现了负磁导率频段的可调。
本发明采用以下方案实现：一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，包括介质基板、单片机控制模块及分别设置在介质基板两侧的谐振线圈和开关电容阵列；所述单片机控制模块位于所述介质基板背面；正面谐振线圈与反面开关电容阵列通过过孔相连；反面开关电容阵列包括由多个继电器组成的开关阵列和若干离散的电容，其中，每个继电器分别与一个电容连接；所述单片机控制模块包括单片机、独立矩阵键盘及液晶显示屏；所述液晶显示屏与所述单片机连接，用以展示用户操作过程；所述单片机与所述独立矩阵键盘连接，所述单片机还与所述开关阵列中的各个继电器连接，用以将独立矩阵键盘接收到的用户根据自己所需的负磁导率频段按下的按键信息传送给单片机，单片机将接收到的按键信息转换为电信号控制对应的继电器打开，进而将相应的电容串联接入谐振线圈，并且关闭其余继电器；通过控制不同参数的电容与谐振线圈谐振得到不同的负磁导频段，实现超材料板工作频率的可调性。
进一步地，所述谐振线圈的圈数为4~18圈。
进一步地，所述谐振线圈能够选择方形螺旋线圈结构或圆形螺旋线圈结构。
进一步地，所述谐振线圈的金属线厚度为0.01mm~0.05mm,宽度为0.5mm~2mm，金属线与金属线之间的间距为1mm~2mm。
进一步地，所述介质基板为环氧树脂基板，介质基板的厚度为0.8mm~3mm。
进一步地，所述开关电容阵列是由2~10个继电器组成的开关阵列和2~10个离散的电容组成，每个继电器均连接一个电容。
进一步地，所述单片机的型号为STC89C52；所述液晶显示屏的型号为LCD1602。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现了负磁导率频段的可调，用户可以根据自己的需求随意更改超材料的负磁导率频段，可适用于多种无线电能传输装置。
2、本发明采用PCB板硬刷技术加工，有利于该超材料的快速生产，工艺简单，成本低廉。
3、本发明产生的损耗低，操作简便。
附图说明
图1为本发明实施例的可调频负磁导率超材料板的主视图，其中，10为谐振线圈，20为介质基板。
图2为本发明实施例的开关电容阵列的电路图。
图3为本发明实施例的过孔附近细节图，其中，30为谐振线圈的前过孔，40为谐振线圈的后过孔。
图4为本发明实施例的单片机控制模块的主程序流程图。
图5为本发明实施例的单片机系统框图。
图6为本发明实施例的继电器K1打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图7为本发明实施例的继电器K2打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图8为本发明实施例的继电器K3打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图9为本发明实施例的继电器K4打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图10为本发明实施例的继电器K5打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图11为本发明实施例的继电器K6打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图12为本发明实施例的继电器K7打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图13为本发明实施例的继电器K8打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图14为本发明实施例的继电器K9打开时磁导率实部及虚部曲线图。
图15为本发明实施例的继电器K10打开时磁导率实部及虚部曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
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申请的示例性实施方式。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。
如图1、2、3、4、5所示，本实施例提供一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，包括介质基板20、单片机控制模块及分别设置在介质基板20两侧的谐振线圈10和开关电容阵列；所述单片机控制模块位于所述介质基板20背面；正面谐振线圈10与反面开关电容阵列通过过孔相连；反面开关电容阵列包括由多个继电器组成的开关阵列和若干离散的电容，其中，每个继电器分别与一个电容连接；所述单片机控制模块包括单片机、独立矩阵键盘及液晶显示屏；所述液晶显示屏与所述单片机连接，用以展示用户操作过程；所述单片机与所述独立矩阵键盘连接，所述单片机还与所述开关阵列中的各个继电器连接，用以将独立矩阵键盘接收到的用户根据自己所需的负磁导率频段按下的按键信息传送给单片机，单片机将接收到的按键信息转换为电信号控制对应的继电器打开，进而将相应的电容串联接入谐振线圈10，并且关闭其余继电器；通过控制不同参数的电容与谐振线圈10谐振得到不同的负磁导频段，实现超材料板工作频率的可调性。
在本实施例中，所述谐振线圈10的圈数为4~18圈。可调电容的范围为2pf~1000pf。
在本实施例中，所述谐振线圈10能够选择方形螺旋线圈结构或圆形螺旋线圈结构。
在本实施例中，所述谐振线圈10的金属线厚度为0.01mm~0.05mm,宽度为0.5mm~2mm，金属线与金属线之间的间距为1mm~2mm。
在本实施例中，所述介质基板20为环氧树脂基板，介质基板20的厚度为0.8mm~3mm。
在本实施例中，所述开关电容阵列是由2~10个继电器组成的开关阵列和2~10个离散的电容组成，每个继电器均连接一个电容。
在本实施例中，所述单片机的型号为STC89C52；所述液晶显示屏的型号为LCD1602。
较佳的，在本实施例中，如图4所示，单片机首先进行初始化并判断按键是否按下，若按下则液晶显示屏显示按键值，同时询问是否正确，若不正确则返回系统初始化，若正确则继续判断是否超出范围，若超出范围，则返回最初初始化，若没有超出范围则将按键值转换为电信号控制对应继电器的打开，并关闭其余继电器。
较佳的，在本实施例中，如图2所示，以10个继电器组成的开关阵列为例，如表一所示，可调频负磁导率超材料板分别按键1~10时，串联接入谐振回路的电容大小，对应的负磁导率频段和自动打开的开关序号，如表一所示，超材料板可在5.47MHz~39.15MHz任意一点实现负磁导率特性。
表一
| 按键 | 接入电容（pf） | 负磁导率频段（MHz） | 打开继电器 |
| 1 | 225 | 5.47~6.73 | K1 |
| 2 | 150 | 6.68~8.22 | K2 |
| 3 | 100 | 8.17~10.06 | K3 |
| 4 | 70 | 9.74~12.0 | K4 |
| 5 | 46 | 11.92~14.67 | K5 |
| 6 | 30 | 14.63~18.03 | K6 |
| 7 | 20 | 17.66~21.73 | K7 |
| 8 | 13 | 21.47~26.46 | K8 |
| 9 | 8 | 26.42~32.55 | K9 |
| 10 | 5 | 31.89~39.15 | K10 |
较佳的，在本实施例中，在工作时，用户根据自己所需的负磁导率频段按下对应的按键，独立矩阵键盘将接收到的按键信息传送给单片机，单片机将接收到的按键信息转换为电信号控制对应的继电器打开，将相应的电容串联接入谐振回路，并且关闭其余继电器，当磁场经过超材料板时会发生电磁波聚焦效应，超材料板具有放大倏逝波的作用，从而达到提高无线电能传输系统效率的作用。
较佳的，在本实施例中，如图2开关电容阵列的电路图所示，通过增加并联电容及开关的数量，可以拓展负磁导率频带的宽度。
较佳的，在本实施例中，单片机控制模块作为系统的主控模块，将独立矩阵键盘的按键信号转换为电信号控制继电器开关的打开与关断。
较佳的，在本实施例中，图6~15为本实施例可调频负磁导率超材料板在继电器K1-K10分别打开时对应的磁导率实部及虚部曲线，可以看出在谐振点之后其磁导率虚部很快降至接近于0，也就是说在之后的频段，损耗降至接近0，其损耗可忽略不计。说明本实施例可调频负磁导率超材料板的结构在实际应用中具有极低损耗的优点。
在本实施例中，为本发明可调频负磁导率超材料板按键1~10时，串联接入谐振回路的电容大小，对应的负磁导率频段及自动打开的开关序号，可供用户根据自己的需求选择按下对应的按键。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，其特征在于：包括介质基板、单片机控制模块及分别设置在介质基板两侧的谐振线圈和开关电容阵列；所述单片机控制模块位于所述介质基板背面；正面谐振线圈与反面开关电容阵列通过过孔相连；反面开关电容阵列包括由多个继电器组成的开关阵列和若干离散的电容，其中，每个继电器分别与每一个电容连接；所述单片机控制模块包括单片机、独立矩阵键盘及液晶显示屏；所述液晶显示屏与所述单片机连接，用以展示用户操作过程；所述单片机与所述独立矩阵键盘连接，所述单片机还与所述开关阵列中的各个继电器连接，用以将独立矩阵键盘接收到的用户根据自己所需的负磁导率频段按下的按键信息传送给单片机，单片机将接收到的按键信息转换为电信号控制对应的继电器打开，进而将相应的电容串联接入谐振线圈，并且关闭其余继电器；通过控制不同参数的电容与谐振线圈谐振得到不同的负磁导频段，实现超材料板工作频率的可调性。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，其特征在于：所述谐振线圈的圈数为4～18圈。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，其特征在于：所述谐振线圈能够选择方形螺旋线圈结构或圆形螺旋线圈结构。
4.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，其特征在于：所述谐振线圈的金属线厚度为0.01mm～0.05mm,宽度为0.5mm～2mm，金属线与金属线之间的间距为1mm～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，其特征在于：所述介质基板为环氧树脂基板，介质基板的厚度为0.8mm～3mm。
6.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，其特征在于：所述开关电容阵列是由2～10个继电器组成的开关阵列和2～10个离散的电容组成，每个继电器均连接一个电容。
7.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的可调频负磁导率超材料板，其特征在于：所述单片机的型号为STC89C52；所述液晶显示屏的型号为LCD1602。
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