CN113595263B - 用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统 - Google Patents

用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，包括发射天线、中继耦合线圈和接收天线；发射天线用于发射无线电能，并与中继耦合线圈进行磁共振耦合，在中继耦合线圈上形成射频电流；中继耦合线圈用于增加发射天线和接收天线之间的横向耦合距离，并通过其与发射线圈共振耦合产生的射频电流在中继耦合线圈周围形成均匀分布的磁场；接收天线用于在中继耦合线圈周围的磁场内耦合能量。本发明为便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备等电子设备提供一个稳定、高效的无线充电或无线电能供给方案。

Description

用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统。
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消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于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。目前业内公认的无线充电技术主要分为三类，一种是WPC联盟主推的QI标准，也称为磁感应耦合技术，另一种是Airfuel联盟主推的磁谐振耦合技术，还有一种是电磁辐射式无线输能技术。相比于磁感应技术，磁谐振耦合技术在充电距离、空间自由度、一对多充和功率扩展上有明显优势；而相比于电磁辐射式无线输能技术，磁谐振耦合技术在能量转化效率、传输功率和电磁安全方面更具备实际应用价值。目前，该技术已逐渐被应用于智能穿戴、扫地机器人、AGV等设备中，赋予设备无线充电的功能，并提高设备的安全性和智能化程度，提升用户的使用体验。另外磁谐振耦合技术在智能家居领域的应用也将颠覆传统家电及移动通信设备、消费电子产品的使用模式，以住宅为平台，利用磁谐振无线充电技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居的安全性、便利性和舒适性，构建高效、环保、节能的居住环境。
目前已公开的用于电子设备的磁共振无线充电设计存在以下缺点：第一，所有充电电子设备均需要单独的发射底座，包括手机、耳机和手表等电子设备无线充电时都有各自配备的发射底座；第二，市面上的手机等电子设备给其他电子设备，比如耳机、手表等反向充电的时候需要被充电电子设备的天线紧贴充电电子设备天线才能实现充电，因此在充电的时候会影响充电电子设备和被充电电子设备的正常使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决收发天线并排处于同一平面时，在一定范围内随着收发天线之间的距离增加，收发天线之间传输效率差的问题，提出了一种用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统。
本发明的技术方案是：一种用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统包括发射天线、中继耦合线圈和接收天线；
发射天线用于发射无线电能，并与中继耦合线圈进行磁共振耦合，在中继耦合线圈上形成射频电流；中继耦合线圈用于增加发射天线和接收天线之间的横向耦合距离，并通过其与发射线圈共振耦合产生的射频电流在中继耦合线圈周围形成均匀分布的磁场；接收天线用于在中继耦合线圈周围的磁场内耦合能量；
发射天线的线圈、中继耦合线圈和接收天线的线圈均为平面型多匝线圈；发射天线和接收天线处于同一水平面；中继耦合天线处于发射天线和接收天线所处水平面的下方。
进一步地，发射天线为圆形、矩形或菱形；中继耦合线圈为圆形、矩形或菱形；接收天线为圆形、矩形或菱形；发射天线的各匝线圈、接收天线的各匝线圈和中继耦合线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。
进一步地，发射天线、中继耦合线圈和接收天线均采用FPC软板或印刷电路板工艺制成。
进一步地，发射天线包括第一微带线、第二微带线、第一连接点和第一电磁能量输入口；
第一微带线和第二微带线均呈环形状，且间隔均匀；第一微带线和第二微带线通过第一连接点连接；第一电磁能量输入口固定设置于第一微带线和第二微带线之间；
接收天线包括第三微带线、第四微带线、第二连接点和第二电磁能量输入口；
第三微带线和第四微带线均呈环形状，且间隔均匀；第三微带线和第四微带线通过第二连接点连接；第二电磁能量输入口固定设置于第三微带线和第四微带线之间。
进一步地，中继耦合线圈包括第五微带线、第六微带线、第三连接点和谐振端口；
第五微带线和第六微带线均呈环形状，且间隔均匀；第五微带线和第六微带线通过第三连接点连接；谐振端口固定设置于第五微带线和第六微带线之间。
进一步地，第一微带线的外环长L_Tx为30mm-100mm；
第一微带线的外环宽H_Tx为20mm-70mm；
第一微带线和第二微带线组成线圈的线宽W_Tx为0.5mm-3mm；
第一微带线和第二微带线组成的各匝线圈的相邻间隙S_Tx为0.5mm-2mm；
第三微带线的外环长L_Rx为30mm-100mm；
第三微带线的外环宽H_Rx为20mm-70mm；
第三微带线和第四微带线组成线圈的线宽W_Rx为0.5mm-3mm；
第三微带线和第四微带线组成的各匝线圈的相邻间隙S_Rx为0.5mm-2mm。
进一步地，发射天线的可调电容为1pF-10nF；中继耦合线圈的可调电容为1pF-10nF；接收天线的可调电容为1pF-10nF。
进一步地，中继耦合线圈所处水平面的下方放置有铁氧体片，其用于增加发射天线和接收天线的耦合强度。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过发射天线与中继耦合线圈之间的磁共振耦合，在中继耦合线圈上形成射频电流，中继线圈与发射天线共振耦合产生的射频电流再在线圈周围形成一个均匀分布的磁场。当接收线圈处于中继线圈的磁场内时耦合到能量。本发明可以在收发天线并排放置于同一水平面且收发天线距离较远时增加收发天线之间的传输效率，从而增加无线充电的整体能量转换效率。
（2）本发明为便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备等电子设备提供一个稳定、高效的无线充电或无线电能供给方案。
附图说明
图1为收发天线和中继耦合线圈的俯视图；
图2 为收发天线的俯视图；
图3为只有收发天线的磁场分布图；
图4为收发天线下方有铁氧体片的磁场分布图；
图5 为收发天线下方有铁氧体片和中继耦合线圈的磁场分布图；
图6为收发天线不同距离的传输效率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，包括发射天线、中继耦合线圈和接收天线；
发射天线用于发射无线电能，并与中继耦合线圈进行磁共振耦合，在中继耦合线圈上形成射频电流；中继耦合线圈用于增加发射天线和接收天线之间的横向耦合距离，并通过其与发射线圈共振耦合产生的射频电流在中继耦合线圈周围形成均匀分布的磁场；接收天线用于在中继耦合线圈周围的磁场内耦合能量；
发射天线的线圈、中继耦合线圈和接收天线的线圈均为平面型多匝线圈；发射天线和接收天线处于同一水平面；中继耦合天线处于发射天线和接收天线所处水平面的下方。
在本发明实施例中，发射天线为圆形、矩形或菱形；中继耦合线圈为圆形、矩形或菱形；接收天线为圆形、矩形或菱形；发射天线的各匝线圈、接收天线的各匝线圈和中继耦合线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。
在本发明实施例中，发射天线、中继耦合线圈和接收天线均采用FPC软板或印刷电路板工艺制成。
在本发明实施例中，如图1所示，发射天线包括第一微带线101、第二微带线102、第一连接点103和第一电磁能量输入口104；
第一微带线101和第二微带线102均呈环形状，且间隔均匀；第一微带线101和第二微带线102通过第一连接点103连接；第一电磁能量输入口104固定设置于第一微带线101和第二微带线102之间；
电磁能量通过第一电磁能量输入口馈入，经过第二微带线、第一连接点以及第一微带线然后发射到中继耦合线圈所在的近场空间；第一微带线为带缺口的矩形线圈。
接收天线包括第三微带线201、第四微带线202、第二连接点203和第二电磁能量输入口204；
第三微带线201和第四微带线202均呈环形状，且间隔均匀；第三微带线201和第四微带线202通过第二连接点203连接；第二电磁能量输入口204固定设置于第三微带线201和第四微带线202之间。
电磁能量通过第三微带线、第四微带线、第二连接点耦合到电磁能量，经过第二电磁能量输入口给电子设备供电；接收天线的微带线为带缺口的矩形线圈。
在本发明实施例中，如图1所示，中继耦合线圈包括第五微带线301、第六微带线302、第三连接点303和谐振端口304；
第五微带线301和第六微带线302均呈环形状，且间隔均匀；第五微带线301和第六微带线302通过第三连接点303连接；谐振端口304固定设置于第五微带线301和第六微带线302之间。
在本发明实施例中，如图1所示，第一微带线101的外环长L_Tx为30mm-100mm；
第一微带线101的外环宽H_Tx为20mm-70mm；
第一微带线101和第二微带线102组成线圈的线宽W_Tx为0.5mm-3mm；
第一微带线101和第二微带线102组成的各匝线圈的相邻间隙S_Tx为0.5mm-2mm；
第三微带线201的外环长L_Rx为30mm-100mm；
第三微带线201的外环宽H_Rx为20mm-70mm；
第三微带线201和第四微带线202组成线圈的线宽W_Rx为0.5mm-3mm；
第三微带线201和第四微带线202组成的各匝线圈的相邻间隙S_Rx为0.5mm-2mm。
在本发明实施例中，发射天线的可调电容为1pF-10nF；中继耦合线圈的可调电容为1pF-10nF；接收天线的可调电容为1pF-10nF。
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，采用发射天线加中继耦合线圈的平面天线结构，并运用磁共振耦合馈电的方式对中继耦合线圈进行馈电，由于发射天线和接收天线处在同一平面且相距一定的距离，因此发射天线和接收天线之间本身的耦合很弱，这种发射天线加中继耦合的天线结构能够有效地增强发射天线和接收天线之间地耦合强度并且可以增加发射天线和接收天线之间的耦合距离，使得接收线圈能尽可能地保持强耦合的状态，且这种天线结构可以在不改变发射和接收的匹配电容的情况下改变收发天线之间的距离时收发天线之间依旧保持较高的耦合强度，即此天线结构具备较好地适配性。
在本发明实施例中，中继耦合线圈所处水平面的下方放置有铁氧体片，其用于增加发射天线和接收天线的耦合强度。
在本发明实施例中，如图1所示，接收天线和发射天线处于同一平面，中继耦合线圈处于收发天线的下方，当整个天线系统工作时，发射天线和接收天线的位置不超出中继线圈，发射天线与中继线圈之间谐振耦合，中继线圈和接收线圈之间谐振耦合，并且发射天线中继线圈之间的耦合会改变发射天线的磁场分布，然后在中继线圈周围形成一个均匀分布的磁场。
如图2所示，为收发天线的俯视图，发射天线和接收天线处于同一水平面，这一设计满足手机、充电宝、耳机、蓝牙和其他电子设备在同一平面供电的应用场景，同时不会影响作为发射端的电子设备的使用。
图3为当收发天线处于同一平面时的磁场分布图，发射天线发出的所有磁力线都会穿过发射天线的最内匝，并且磁力线是一个闭合的光滑曲线，所有穿过最内匝的磁力线都会从最外匝然后形成闭合的曲线，因此，在发射天线内部的磁力线最密集，在发射天线最外匝磁力线会很松散，并且离发射天线越远磁力线越松散，此时接收天线只能耦合到发射天线靠近接收线圈那一侧的磁力线，并且随着接收天线和发射天线距离的增加穿过接收天线中心的磁力线越少耦合强度也越弱，而发射天线远离接收天线那一侧和其他两个方向的磁力线接收线圈完全不能穿过接收天线，因此在这种情况下穿过接收天线的磁通量是非常有限的，这表现为两个天线之间的耦合强度很弱。
图4为在收发天线所处平面下方一定距离放一块铁氧体片时的空间磁场分布图，在并排放置的收发天线下面一定距离放置一块较大的铁氧体片，因为铁氧体片具有引导磁场的作用，它会让在原本发射天线两侧对称分布的磁场变成大部分磁场分布在以铁氧体片为界限有收发天线一侧的空间，而磁力线只有很小一部分能够穿过铁氧体片，造成了磁场在以铁氧体片为边界的两侧分布不均匀，而大部分磁力线都分散在收发天线一侧，一方面由于铁氧体片的聚磁作用会让原本在收发天线一侧松散的磁力线变得紧密，另一方面铁氧体片会让分布在收发天线一侧的磁力线变得扁平，因此原本很多不能穿过接收天线的磁力线在铁氧体片的作用下变得扁平后能够穿过接收线圈增加穿过接收线圈的磁通量，即增加了收发天线的耦合强度。
图5为收发天线所处平面下方一定距离放置中继线圈，同时中继线圈下面有铁氧体片时的磁场分布图，发射天线与中继耦合线圈之间的共振耦合，在中继线圈上形成感应电流，感应电流流过接收线圈附近时会在中继线圈周围形成一个交变磁场。当中继线圈和接收线圈谐振到同一频率点时接收线圈能够耦合到中继线圈发射出来的大部分能量；同时由于铁氧体片的存在，中继线圈发射出来的磁力线绝大部分都分布在收发天线一侧，因此增加了发射线圈和中继线圈的耦合强度，同时也增加了中继线圈和接收线圈的耦合强度，大大提高了收发天线之间的传输效率，因此在这种结构下整体耦合强度增强；同时铁氧体片还具有屏蔽作用，它会屏蔽掉下方的金属对中继线圈和收发天线的干扰。
如图6所示，曲线A表示只有收发天线的情况下随着发射天线和接收天线的距离变化此时的传输效率，随着接收天线和发射天线之间的距离增加，收发天线之间的传输效率出现急剧下降，也就是发射天线和接收天线之间耦合强度急剧下降，随着接收天线和发射天线之间的距离增加，此时穿过接收天线的磁通量很少，因此传输效率也很低。曲线B表示在收发天线下面一定距离加铁氧体片后随着收发天线的距离增加收发天线之间的传输效率图，随着传输距离的增加收发天线之间的传输效率急剧下降，但是与收发天线下方没有铁氧体片相比有较大的提升。曲线C表示收发天线下方有中继耦合线圈和铁氧体片时收发天线不同距离的时候，收发天线之间的传输效率，在保证收发天线不超出中继线圈的情况下，随着收发天线之间距离的改变，收发天线之间的效率变化不大，因此这种天线设计具备较好的适配性。
本发明的工作原理及过程为：本发明通过中继耦合的方式增加收发天线处于同一平面时远距离的传输效率，即通过中继耦合来增加收发天线横向耦合距离。当发射天线和接收天线处于同一水平面，在不加中继线圈的情况下，发射天线和接收天线之间的耦合强度极弱，并且随着发射天线和接收天线之间的横向距离增加，收发天线之间的耦合强度急剧下降，为了改善这一缺陷，本发明采用发射天线加中继耦合的设计，大大增加了发射天线和接收天线之间的耦合强度，并且在一定距离内随着收发天线之间的距离增加，收发天线之间的耦合强度基本保持不变。
本发明的有益效果为：
（1）本发明通过发射天线与中继耦合线圈之间的磁共振耦合，在中继耦合线圈上形成射频电流，中继线圈与发射天线共振耦合产生的射频电流再在线圈周围形成一个均匀分布的磁场。当接收线圈处于中继线圈的磁场内时耦合到能量。本发明可以在收发天线并排放置于同一水平面且收发天线距离较远时增加收发天线之间的传输效率，从而增加无线充电的整体能量转换效率。
（2）本发明为便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备等电子设备提供一个稳定、高效的无线充电或无线电能供给方案。
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，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，其特征在于，包括发射天线、中继耦合线圈和接收天线；
所述发射天线用于发射无线电能，并与中继耦合线圈进行磁共振耦合，在中继耦合线圈上形成射频电流；所述中继耦合线圈用于增加发射天线和接收天线之间的横向耦合距离，并通过其与发射线圈共振耦合产生的射频电流在中继耦合线圈周围形成均匀分布的磁场；所述接收天线用于在中继耦合线圈周围的磁场内耦合能量；
所述发射天线的线圈、中继耦合线圈和接收天线的线圈均为平面型多匝线圈；所述发射天线和接收天线处于同一水平面；所述中继耦合天线处于发射天线和接收天线所处水平面的下方；
所述发射天线包括第一微带线（101）、第二微带线（102）、第一连接点（103）和第一电磁能量输入口（104）；
所述第一微带线（101）和第二微带线（102）均呈环形状，且间隔均匀；所述第一微带线（101）和第二微带线（102）通过第一连接点（103）连接；所述第一电磁能量输入口（104）固定设置于第一微带线（101）和第二微带线（102）之间；
所述接收天线包括第三微带线（201）、第四微带线（202）、第二连接点（203）和第二电磁能量输入口（204）；
所述第三微带线（201）和第四微带线（202）均呈环形状，且间隔均匀；所述第三微带线（201）和第四微带线（202）通过第二连接点（203）连接；所述第二电磁能量输入口（204）固定设置于第三微带线（201）和第四微带线（202）之间；
所述中继耦合线圈包括第五微带线（301）、第六微带线（302）、第三连接点（303）和谐振端口（304）；
所述第五微带线（301）和第六微带线（302）均呈环形状，且间隔均匀；所述第五微带线（301）和第六微带线（302）通过第三连接点（303）连接；所述谐振端口（304）固定设置于第五微带线（301）和第六微带线（302）之间；
所述发射天线为圆形、矩形或菱形；所述中继耦合线圈为圆形、矩形或菱形；所述接收天线为圆形、矩形或菱形；所述发射天线的各匝线圈、接收天线的各匝线圈和中继耦合线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。
2.根据权利要求1所述的用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，其特征在于，所述发射天线、中继耦合线圈和接收天线均采用FPC软板或印刷电路板工艺制成。
3.根据权利要求1所述的用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，其特征在于，所述第一微带线（101）的外环长L_Tx为30mm-100mm；
所述第一微带线（101）的外环宽H_Tx为20mm-70mm；
所述第一微带线（101）和第二微带线（102）组成线圈的线宽W_Tx为0.5mm-3mm；
所述第一微带线（101）和第二微带线（102）组成的各匝线圈的相邻间隙S_Tx为0.5mm-2mm；
所述第三微带线（201）的外环长L_Rx为30mm-100mm；
所述第三微带线（201）的外环宽H_Rx为20mm-70mm；
所述第三微带线（201）和第四微带线（202）组成线圈的线宽W_Rx为0.5mm-3mm；
所述第三微带线（201）和第四微带线（202）组成的各匝线圈的相邻间隙S_Rx为0.5mm-2mm。
4.根据权利要求1所述的用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，其特征在于，所述第五微带线（301）的外环长L_Relay为100mm-200mm；
所述第五微带线（301）的外环宽H_Relay为50mm-120mm；
所述第五微带线（301）和第六微带线（302）组成线圈的线宽W_Relay为2mm-4mm；
所述第五微带线（301）和第六微带线（302）组成的各匝线圈的相邻间隙S_Relay为1mm-3mm。
5.根据权利要求1所述的用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，其特征在于，所述发射天线的可调电容为1pF-10nF；所述中继耦合线圈的可调电容为1pF-10nF；所述接收天线的可调电容为1pF-10nF。
6.根据权利要求1所述的用于延长收发天线横向耦合距离的磁共振无线充电系统，其特征在于，所述中继耦合线圈所处水平面的下方放置有铁氧体片，其用于增加发射天线和接收天线的耦合强度。
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