CN217544337U - 一种基于空心软磁材料的收发天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于空心软磁材料的收发天线，属于无线电能技术领域，包括第一软磁体、发射天线、第二软磁体和接收天线；发射天线均匀缠绕于第一软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面；接收天线均匀缠绕于第二软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面；发射天线和接收天线采用单层缠绕或多层缠绕。该收发天线结构减薄了软磁性材料中心点到外表面的厚度，能有效的降低矫顽力和涡流损耗，空心状的软磁性材料大大增加了天线中软磁性材料的间隙。

Description

一种基于空心软磁材料的收发天线

技术领域

本实用新型属于无线电能技术领域，具体涉及一种基于空心软磁材料的收发天线。

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，各式各样的小型消费电子产品、物联网传感器、工业传感器和微型诊疗设备等电子设备越来越普及，通过插拔插头有线充电的方式也对设备的防水防潮设计提出了很高的要求，增加了加工成本，并存在用电安全隐患。

当无线充电天线需要内置于产品内部时，其产品在设计初期内部并未预留无线充电空间，在不改变产品结构设计下，产品内部狭小的空间对天线的形态提出了较高的要求。当天线较小时其天线的感值与品质因数都较小，其感值与品质因数决定了整体的无线充电效率及其收发天线的温度。所以需要探索如何增加小天线的感值与品质因数，以提高整体的充电效率和降低温升。

随着智能化技术的快速发展，电子类产品在人们生活中的应用日益广泛，电磁环境日益复杂，电磁干扰问题越来越突出。软磁性材料的运用是电子产品进行电磁防护和诊断时的常用元器件，其作用主要是将电子产品产生的干扰转变成热量的形式消耗掉。软磁性材料应用作为电磁兼容对策的三大手法之一其作用主要用作滤波，其优点在于使用方便、结构简单且成本较低等，常被用在电子领域的电磁兼容故障定位或整改措施中。在无线充电行业中将软磁性材料作为天线内衬使用案例较少。

目前无线充电行业内多数使用软磁性材料来屏蔽金属对天线的干扰，提升天线的感值与品质因数来解决无线充电行业天线因感值与品质因数低所造成的效率低天线发热严重。目前软磁性材料上存在因材料本身导致品质因数低且磁滞损耗较大等问题。软磁性材料用于无线充电领域作为天线使用时会导致天线发热严重，需提高天线的品质因数其品质因数越高，其损耗越小，效率越高，天线发热就越低，能很大的提高产品的使用体验。品质因数低会导致发热严重，当温度达到居里温度时会导致自发磁性消失导致磁性材料失去作用。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题，提出了一种基于空心软磁材料的收发天线。

本实用新型的技术方案是：一种基于空心软磁材料的收发天线包括第一软磁体、发射天线、第二软磁体和接收天线；

发射天线均匀缠绕于第一软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面；接收天线均匀缠绕于第二软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面；发射天线和接收天线采用单层缠绕或多层缠绕。

进一步地，第一软磁体和第二软磁体均呈空心状。

进一步地，发射天线单层缠绕于第一软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面，发射天线上设置有第一能量输出口；

发射天线多层缠绕于第一软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面，发射天线上设置有若干个第一能量输出口。

进一步地，接收天线单层缠绕于第二软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面，接收天线上设置有第二能量输出口；

接收天线多层缠绕于第二软磁体的内壁、外表面、上表面或下表面，接收天线上设置有若干个第二能量输出口。

进一步地，发射天线和接收天线均采用多股丝包线。

本实用新型的有益效果是：

(1)软磁性材料可单个使用或多个同时使用，有效解决因空间狭小导致射频天线较小且传输效率低发热严重的问题，可有效增加小天线的感值与品质因数；

(2)软磁性材料可进行多个并列使用或叠加使用。多个软磁性材料叠加使用增加的感值与品质因数比单个软磁性材料增加的感值与品质因数高2-3个百分点。多个并列使用时其空隙较多增加的感值与品质因数比单个软磁性材料增加的感值与品质因数低2-5个百分点；

(3)该收发天线结构减薄了软磁性材料中心点到外表面的厚度，能有效的降低矫顽力和涡流损耗，空心状的软磁性材料大大增加了天线中软磁性材料的间隙，一方面可以减小涡流，另一方面由于间隙效应，导致材料具有恒导磁特性。另外，由于软磁性材料颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化较为稳定。在软磁性材料中心增加气隙可增加天线的迟滞回线，增加传输距离。

附图说明

图1为基于空心软磁材料的收发天线的结构图；

图2为多层天线叠加的俯视图；

图3为带软磁体的天线侧视图；

图4为多个独立的天线叠加图；

图5为发射天线线材缠绕于空心软磁性材料内部图；

图6为软磁性材料的磁化曲线图；

图7为软磁性材料的回线图；

图8为实心软磁材料与空心软磁材料工作温度随时间变化的曲线图；

图9为实心软磁材料与空心软磁材料工作效率随温度变化的曲线图；

图10为空心软磁材料外环与内环不同比例时的效率曲线图；

图中，1-1、第一软磁体；1-2、发射天线；1-3、第一能量输出口；2-1、第二软磁体；2-2、接收天线；2-3、第二能量输出口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供了一种基于空心软磁材料的收发天线，包括第一软磁体1-1、发射天线1-2、第二软磁体2-1和接收天线2-2；

发射天线1-2均匀缠绕于第一软磁体1-1的内壁、外表面、上表面或下表面；接收天线2-2均匀缠绕于第二软磁体2-1的内壁、外表面、上表面或下表面；发射天线1-2和接收天线2-2采用单层缠绕或多层缠绕。

线材缠绕在空心软磁性材料上，软磁性材料可单个使用或多个使用，软磁性材料可进行多个并列使用或叠加使用，收发天线均使用软磁性材料能提高天线的品质因数减小损耗，提升整体的充电效率，减少天线发热。双层或多层是在单层天线的基础上进行叠加所得。每层天线可串联作为单个天线使用或分开作为多个天线使用，或分开作为谐振天线或中继天线。天线层数越多其感值越大，增加的品质因数越大。如软磁体外壁缠绕两层天线，紧贴软磁性材料的第一层天线可作为发射天线，表面第二层天线可作为中继天线，这种方式能提高垂直水平自由度。两层天线亦可并联使用，这种方式能减小感值提高品质因数。

在本实用新型实施例中，如图1所示，第一软磁体1-1和第二软磁体2-1均呈空心状。软磁性材料形态不固定。

在本实用新型实施例中，如图1所示，发射天线1-2单层缠绕于第一软磁体1-1的内壁、外表面、上表面或下表面，发射天线1-2上设置有第一能量输出口1-3；

发射天线1-2多层缠绕于第一软磁体1-1的内壁、外表面、上表面或下表面，发射天线1-2上设置有若干个第一能量输出口1-3。

在本实用新型实施例中，接收天线2-2单层缠绕于第二软磁体2-1的内壁、外表面、上表面或下表面，接收天线2-2上设置有第二能量输出口2-3；

接收天线2-2多层缠绕于第二软磁体2-1的内壁、外表面、上表面或下表面，接收天线2-2上设置有若干个第二能量输出口2-3。

在本实用新型实施例中，发射天线1-2和接收天线2-2均采用多股丝包线。线材的绕线方式可分为平面绕制或立体绕制。天线的线径越大，层数越多，其感值与品质因数越大。

在本实用新型实施例中，如图1所示，是空心软磁材料绕制的天线图。其天线是用空心软磁材料绕制，线材采用多股丝包线材，天线层数可单层、双层和多层，双层或多层是在单层天线的基础上进行叠加所得。每层天线可串联作为单个天线使用或分开作为多个天线使用，或分开作为谐振天线或中继天线。天线层数越多其感值越大，增加的品质因数越大。从某种意义上来说双层天线要比单层天线的效率会有所提高。

如图2所示，是多层天线叠加的俯视图，从图2中可看出天线是作为接收天线缠绕于软磁性材料外壁上的。

如图3所示，是软磁性天线侧视图，此图中可看出软磁性材料及其外壁的天线设置有射频交流信号馈入口，其多层天线馈入口可用作不同功能。如软磁性材料外壁缠绕两层天线，紧贴软磁性材料的第一层天线可作为发射天线，表面第二层天线可作为中继天线，这种方式能提高垂直水平自由度。两层天线亦可并联使用，这种方式能减小感值，提高品质因数。

如图4所示，是多个软磁性独立天线进行叠加，这种方式能有效减小感值太大所带来的可调频率范围低的问题。这种叠加方式能增加天线的品质因数，提高充电水平自由度。

如图5所示，是空心软磁性材质进行串联，空心软磁性材质可多个进行堆叠进行使用，堆叠使用可以增加空心软磁性材质的长度，同时增加天线的品质因数与感值。

如图6-7所示，磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H作用下，必有相应的磁化强度M或磁感应强度B，它们随磁场强度H的变化曲线称为磁化曲线(M～H或B～H曲线)。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。Bs：饱和磁感应强度，Br：剩余磁感应强度，Hc：矫顽力，m：磁导率。

如图8所示，是实心软磁材料与空心软磁材料工作温度随时间变化的曲线图。实心软磁材料的磁滞损耗较大，涡流和品质因数低导致的发热严重损耗大导致其温度会随着时间越来越长，导致温度越来越高，当达到软磁性材料的居里温度后会导致自发磁性消失，磁性材料失去其作用系统整体无法正常工作。而空心软磁材料减薄了软磁性材料中心点到外表面的厚度，能有效的降低矫顽力和涡流损耗，因为软磁性材料是空心大大的增加了天线中软磁性材料的间隙，一方面可以减小涡流，另一方面由于间隙效应，导致材料具有恒导磁特性。所以温度随时间变化到了温度平衡以后温度就不会上涨，就会维持温平恒。

如图9所示，是实心软磁材料与空心软磁材料工作效率随温度变化的曲线图。随着温度的上升实心材料的效率会出现一定的增加，此时的温度点为实心磁性材料的最佳工作点，此时的工作状态为最佳工作状态，随着温度的持续升高就会导致达到居里温度导致无法工作。而空心软磁性材料因软磁性材料中心点到外表面的厚度能有效的降低矫顽力、涡流损耗，增加了感值与品质因数，所以效率高温度低。当温度持续上升时达到40℃后，空心软磁性材料达到了最佳工作温度点此时的效率最高。此时的效率和温度都会达到一个平衡，其软磁性材料的温度不会上涨，其效率也不会降低。图中空心软磁性材料温度达到一个温平衡以后温度就不会上涨。

如图10所示，是空心软磁材料外环与内环不同比例时的效率曲线图。外环与内环进行不同比例测试时发现，减薄了软磁性材料中心点到外表面的厚度时，只有当内环与外环的比例达到了一个相对均衡的比例时其效率才会越高，其温度才会越低。

在本发明实施例中，品质因数的高低与绕制射频天线的导线的直流电阻、软磁性材料的线圈骨架的介质损耗和磁性介质等引起的损耗等有关。例如，同样一个磁性介质，如果其天线线材总长、绕线方式、绕线长短、软磁性材料尺寸和软磁性材料参数等均不改变，仅改变绕制射频天线线材的电感导线的粗细，则导线粗的射频天线电感与品质因数要比导线细的射频天线电感与品质因数值要高。至于软磁性的品质因数值更是取决于构成软磁性的材料和制作工艺。

品质因数的大小还与工作频率有关。一般的软磁性材料会随着频率的变高其品质因数也会增高。但它有一个门限值，当超过这个门限值频率点后电感的品质因数会陡然下降，这时软磁性材料就失去了作用。当工作频率偏离它们的谐振频率后，其品质因数将急剧下降，同时它们也将不能工作。品质因数越大，谐振的通频带就越宽，也就是可使用的频率范围就更宽，在使用中需要宽一点的通频带，品质因数值越大越好。

软磁性材料常用公式中软磁性材料的损耗P、磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe，P＝Ph+Pe＝af+bf2+cPeμf2t2/r,降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc，降低涡流损耗Pe的方法是减薄软磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率r。

在本发明实施例中，第一试验方式：收发天线软磁性材料均采用相同材质，天线均采用相同匝数、相同直径和相同长短。制作方式是采用实心的软磁性材料圆柱体作为天线骨架，在此项实验中发射天线采用多股丝包线线材紧贴绕制在实心软磁材料骨架外表面，采用单股多层绕线方式，天线留有一个射频交流信号馈入口，馈入口接入发射板。

接收天线采用多股丝包线线材紧贴绕制在实心软磁材料外表面，采用单股多层绕线方式，天线留有一个射频交流信号馈入口，馈入口接入接收板。

经仪器测量，发射天线感值L为9.2uH，品质因数为46。接收天线感值L为9.1uH，品质因数为45.8。收发天线因手工绕制加上仪器测量有0.5％的误差。收发天线间间距为2cm，在实测中带载5V/1A整体充电效率为35％，带载10分钟后发射天线温度达80℃，当时间推移到20分钟时温度已达120℃，磁滞损耗和涡流损耗较大导致温度高自发磁性消失，磁性材料失去其作用系统整体无法正常工作。

在本发明实施例中，第二试验方式收发天线：根据损耗P、磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe，P＝Ph+Pe＝af+bf2+cPeμf2t2/r,降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc，降低涡流损耗Pe的方法是减薄软磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率r，此种方式来选定软磁性材料。所使用的软磁性材料均采用相同材质，天线均采用相同匝数、相同直径和相同长短。制作方式是采用空心的软磁性材料圆环作为天线骨架，在此项实验中软磁体材料的直径与实施例一中直径一样。发射天线采用多股丝包线线材紧贴绕制在实心软磁材料骨架外表面，采用单股多层绕线方式，天线留有一个射频交流信号馈入口，馈入口接入发射板。

接收天线采用多股丝包线线材紧贴绕制在实心软磁材料外表面，采用单股多层绕线方式，天线留有一个射频交流信号馈入口，馈入口接入接收板。

经仪器测量，发射天线感值L为15uH，品质因数为84。接收天线感值L为15.2uH，品质因数为84.3。收发天线因手工绕制加上仪器测量有0.5％的误差。收发天线间间距为2cm，在实测中带载5V/1A整体充电效率为70％，带载10分钟后发射天线温度达45℃，当时间推移到20分钟时温度已达热平衡53℃，磁滞损耗、涡流损耗影响较小。

由本发明实施例中第一试验方式第二试验方式可得出，当减薄软磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率r，增加了天线的感值与品质因数后对整体的充电效率有较高的提升，因为减薄了软磁性材料中心点到外表面的厚度能有效的降低低矫顽力和涡流损耗，因为软磁性材料是空心大大的增加了天线中软磁性材料的间隙一方面可以减小涡流，另一方面由于间隙效应，导致材料具有恒导磁特性。又由于软磁性材料颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。

以上实施列中软磁性材料的空心内环与外环之间比为2:5时的效果最好，得出此结论是采用实心软磁性材料和空心软磁性材质进行对比所得出，其增加的感值与品质因数为最高。

以上实验结论不包括其他形态的软磁性材料，仅为本实施例中一和实施例二的实验结论。空心软磁性材料对于射频在KHZ-MHZ频段均有增益效果。

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实用新型的原理，应被理解为本实用新型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实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型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实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于空心软磁材料的收发天线，其特征在于，包括第一软磁体(1-1)、发射天线(1-2)、第二软磁体(2-1)和接收天线(2-2)；

所述发射天线(1-2)均匀缠绕于第一软磁体(1-1)的内壁、外表面、上表面或下表面；所述接收天线(2-2)均匀缠绕于第二软磁体(2-1)的内壁、外表面、上表面或下表面；所述发射天线(1-2)和接收天线(2-2)采用单层缠绕或多层缠绕。

2.根据权利要求1所述的基于空心软磁材料的收发天线，其特征在于，所述第一软磁体(1-1)和第二软磁体(2-1)均呈空心状。

3.根据权利要求1所述的基于空心软磁材料的收发天线，其特征在于，所述发射天线(1-2)单层缠绕于第一软磁体(1-1)的内壁、外表面、上表面或下表面，所述发射天线(1-2)上设置有第一能量输出口(1-3)；

所述发射天线(1-2)多层缠绕于第一软磁体(1-1)的内壁、外表面、上表面或下表面，所述发射天线(1-2)上设置有若干个第一能量输出口(1-3)。

4.根据权利要求1所述的基于空心软磁材料的收发天线，其特征在于，所述接收天线(2-2)单层缠绕于第二软磁体(2-1)的内壁、外表面、上表面或下表面，所述接收天线(2-2)上设置有第二能量输出口(2-3)；

所述接收天线(2-2)多层缠绕于第二软磁体(2-1)的内壁、外表面、上表面或下表面，所述接收天线(2-2)上设置有若干个第二能量输出口(2-3)。

5.根据权利要求1所述的基于空心软磁材料的收发天线，其特征在于，所述发射天线(1-2)和接收天线(2-2)均采用多股丝包线。

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