CN203368155U

CN203368155U - 一种用于无线供电系统的天线装置

Info

Publication number: CN203368155U
Application number: CN2013204054571U
Authority: CN
Inventors: 谭林林; 黄学良
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2023-07-08

Abstract

本实用新型公开了一种用于无线供电系统的天线装置，该装置包括：发送装置，包括高频电源和发射天线，高频电源为振荡线圈与等效振荡电容器组成的振荡回路，发射天线为发射线圈与发射补偿电容器组成的串联回路；接收装置，包括接收天线和感应线圈，接收天线为接收线圈与接收补偿电容器组成的串联回路，感应线圈与接收线圈耦合连接；发送装置中高频电源产生固定频率的高频电压，用以驱动发射天线，经过发射天线的转换将高频电转换为电磁能在空间进行传递。接收装置用于接收空间的电磁能，并将其转换为可用的交流或直流电，感应线圈利用感应耦合将接收天线接收到的能量传递到负载。

Description

一种用于无线供电系统的天线装置

技术领域

本实用新型涉及无线供电技术，尤其是涉及利用磁耦合谐振技术实现无线供电的无线供电系统的天线装置。

背景技术

传统电能的传输主要是利用金属导线直接接触来进行的，这给我们带来了许多的不便。而无线电能传输就不同了，电能从发射端到接收端无接触，提高了用电设备获得电能的灵活性。另外，无线电能传输技术还具有无线连接、安全、可动态持续供电等优点，尤其在特殊和恶劣环境，如给移动设备供电，高压、易燃、易爆场合，水下等应用广泛。尤其是在能源紧缺的时代，利用太空取之不尽的环保能源---太阳能是首选。

无线电能传输技术将改变传统的电能传输方式，受到国际上的广泛关注，目前常用的有三类方法，即电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式无线电能传输。本实用新型主要集中在电磁共振式研究上，即利用磁耦合谐振技术，当电源发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现能量的无线传输。在磁耦合谐振技术中，发送端和接收端的天线被调校成了一个磁共振系统，通电后能够以固定的频率振动。能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响，由此可以看到，传输效率与发送、接收能量单元的直径相关，传送面积越大，传输效率越高；传输效果与频率及天线尺寸关系密切。天线装置是无线电能传输技术中的关键部分，涉及到能量的发射与接收。天线的特性影响到整个系统的传输性能，对于天线的分析也是研究分析整个无线传输系统的基础。目前天线设计时为了简化设计,普遍将发射线圈和接收线圈设计为相同参数，导致接收端尺寸较大，增加了接收端天线的等效阻抗损耗，以及线圈之间的空间散射损耗，很容易造成传输效率的降低，另外，线圈品质因数参数的选取和电容拓扑的选择也是天线设计是需要注意的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于无线供电系统的天线装置，已解决目前无线传输系统中天线设计中出现的能量损耗问题，提高能量传输效率。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于无线供电系统的天线装置，包括发送装置和接收装置：

发送装置，包括高频电源和发射天线，高频电源为振荡线圈与等效振荡电容器组成的振荡回路，发射天线为发射线圈与发射补偿电容器组成的串联回路，振荡线圈与发射线圈耦合连接；

接收装置，包括接收天线和感应线圈，接收天线为接收线圈与接收补偿电容器组成的串联回路，感应线圈与接收线圈耦合连接，且与外部负载串联连接；接收天线和发射天线自谐振频率一致。

接收线圈的电感、绕制方法、匝数与发射线圈的电感、绕制方法、匝数不同，接收补偿电容器电容值与发射补偿电容器电容值不同。

其中接收天线中接收线圈的绕制方法、匝数和接收线圈根据不同场合的尺寸等条件要求采用不同的绕制方法及确定匝数，比如在体积受到限制时可采用平面螺旋绕制，在空间允许采用空间螺旋绕制方法；然后根据接收天线和发射天线自谐振频率一致性原则，对接收天线中接收补偿电容器与发射补偿电容器进行不同容值的补偿，从而提高接收线圈利用率。

发送装置中高频电源产生固定频率的高频电压，用以驱动发射天线，经过发射天线的转换将高频电转换为电磁能在空间进行传递。接收装置用于接收空间的电磁能，并将其转换为可用的交流或直流电，感应线圈利用感应耦合将接收天线接收到的能量传递到负载。

更进一步的，为了实现近场下磁场的有效传输，最大程度的提高传输能量的聚集性，应尽可能的提高谐振频率，同时也考虑现有大功率电力电子期间的开关频率等因素，谐振频率不易过高，因此发射天线和接收天线自谐振频率范围为1MHz～50MHz。

更进一步的，为保证接收装置处在发送装置产生的电磁场的近场区域发射天线与接收天线之间的距离

其中，λ为发射天线发射电磁波波长。

更进一步的，发射装置中的高频电源采用电容三点式振荡电路。

更进一步的，发射天线和接收线圈的补偿电容器均采用外加补偿电容方式。

更进一步的，根据谐振理论，本实用新型为微弱耦合系统，因此发射天线和接收天线品质因数Q>>1/k,其中k为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数。

更进一步的，根据经验，发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k<0.05。

有益效果：（1）本实用新型采取发射线圈和接收线圈的参数不一致的设计方式，可以进一步解决现有无线电能传输系统传输天线参数的设计问题，提高传输效率；（2）在满足本实用新型线圈品质因数参数和电容拓扑的选择条件下，只要保证两线圈的自谐振频率一致，并且满足Q值选取条件，比如在多负载传感网的能量传输场合，根据本实用新型的设计方案，可以设计一套的尺寸较大的发射天线、接收天线则可以根据负载的大小设计尺寸，有效的利用空间，解决了现有能量传输发射和接收天线尺寸参数一致，导致接射天线尺寸过大、利用率较低的问题，实现能量的有效传输，提高传输效果。

附图说明

图1为本实用新型的天线装置结构示意图。

图2为天线线圈示意图。

图3为本实用新型的发送装置等效电路图。

图4为本实用新型的接收装置等效电路图。

图5为天线具有不同Q值时的共振曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括一个发送装置和接收装置，其中发送装置，包括高频电源1和发射天线2，高频电源1为振荡线圈3与等效振荡电容器4组成的振荡回路，且该振荡回路为电容三点式振荡电路；发射天线2为发射线圈5与发射补偿电容器6组成的串联回路，振荡线圈3与发射线圈5耦合连接，发射补偿电容器6采用外加补偿电容方式。

接收装置，包括接收天线7和感应线圈8，接收天线7为接收线圈9与接收补偿电容器10组成的串联回路，感应线圈8与接收线圈9耦合连接，且与外部负载11串联连接；通过调整接收线圈9以及接收补偿电容器10，使接收天线7和发射天线2自谐振频率一致。

另外，接收线圈9的电感、绕制方法、匝数与发射线圈5的电感、绕制方法、匝数不同，接收补偿电容器10电容值与发射补偿电容器6电容值不同。

本实用新型的发送装置等效电路图如图3所示，发送装置中高频电源1产生固定频率的高频电压，用以驱动发射天线2，经过发射天线2的转换将高频电转换为电磁能在空间进行传递。发送装置等效电路图如图4所示，接收装置用接收天线7接收空间的电磁能，并将其转换为可用的交流或直流电，感应线圈3利用感应耦合将接收天线7接收到的能量传递到外部负载11。

天线装置是构成无线供电系统的重要组成部分，无线供电系统能量的无线传输主要需要发射天线与接收天线，因此天线的各参数会直接影响到能量传输效果。天线线圈示意图如图2所示，天线的设计是整个天线装置重要的部分，其中发射天线的自谐振频率由如下公式计算确定：

f = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{1} C_{1}}}

其中L₁为发射线圈自身电感，C₁为发射补偿电容值。

为了实现近场下磁场的有效传输，最大程度的提高传输能量的聚集性，应尽可能的提高谐振频率，一般情况下频率在兆赫兹以上，同时也考虑现有大功率电力电子期间的开关频率等因素，谐振频率不易过高，否则难以实现，电源部分的逆变，因此，我们通过合理设计发射线圈5及发射补偿电容器6，确定发射天线2的自谐振频率范围在1MHz～50MHz之间。

接收天线7中接收线圈的绕制方法、匝数和接收线圈根据不同场合的尺寸等条件要求采用不同的绕制方法及选择匝数，最终根据接收天线和发射天线自谐振频率一致性原则，对接收天线中接收补偿电容器与发射补偿电容器进行不同容值的补偿；例如在发射天线可采用空间螺旋的绕制方法，匝数5匝，而受体积限制接收端天线可采用平面螺旋设计，匝数为3匝，根据匝数的不同所得到的天线电感值也不同，根据谐振频率一致的原则，可得到接收天线中接收补偿电容器与发射补偿电容器的补偿容值，从而实现两线圈之间的谐振。

另外，发射天线2和接收天线7均具有较高的品质因数Q值，根据谐振理论，该系统微弱耦合系统，Q应远大于1/k，k为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，为了使得系统能够达到谐振稳定工作，根据经验值Q>20，k<0.05，k越小，如图5所示，Q值共振曲线越尖锐，能量传输越有效。

为保证接收装置处在发射天线2产生的电磁场的近场区域，发射天线与接收天线之间距离为

其中，λ为发射天线发射电磁波波长。

以下是本实用新型的具体实施方式，本实施例中发送线圈参数：半径为30厘米,采用空间螺旋绕法，匝数为3匝，谐振工作频为3MHz,接收线圈参数：半径为10厘米,采用平面螺旋绕法，匝数为6匝，谐振工作频为3MHz,品质因数Q为100。另外耦合系数k为0.01，经计算传输效率为65%。若采用将发射线圈和接收线圈设计为相同参数的方式，传输效率约为52%。由上可以看出，本实用新型的传输效果更高，具有更好的实用性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种用于无线供电系统的天线装置，其特征在于包括：

发送装置，包括高频电源和发射天线，所述高频电源为振荡线圈与等效振荡电容器组成的振荡回路，所述发射天线为发射线圈与发射补偿电容器组成的串联回路，所述振荡线圈与发射线圈耦合连接；

接收装置，包括接收天线和感应线圈，所述接收天线为接收线圈与接收补偿电容器组成的串联回路，所述感应线圈与接收线圈耦合连接，且与外部负载串联连接；所述接收天线和发射天线自谐振频率一致；

所述接收线圈的电感、绕制方法、匝数与发射线圈的电感、绕制方法、匝数不同，所述接收补偿电容器电容值与发射补偿电容器电容值不同。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线供电系统的天线装置，其特征在于：所述发射天线和接收天线自谐振频率范围为1MHz～50MHz。

3.根据权利要求1所述的一种用于无线供电系统的天线装置，其特征在于：所述发射天线与接收天线之间的距离

其中，λ为发射天线发射电磁波波长。

4.根据权利要求1所述的一种用于无线供电系统的天线装置，其特征在于：所述高频电源采用电容三点式振荡电路。

5.根据权利要求1所述的一种用于无线供电系统的天线装置，其特征在于：所述发射天线和接收天线的补偿电容器均采用外加补偿电容方式。

6.根据权利要求1所述的一种用于无线供电系统的天线装置，其特征在于：所述发射天线和接收天线品质因数Q>>1/k,，其中k为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数。

7.根据权利要求7所述的一种用于无线供电系统的天线装置，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k<0.05。