RU202324U9

RU202324U9 - Wireless Power Transfer Device

Info

Publication number: RU202324U9
Application number: RU2020133135U
Authority: RU
Inventors: Полина Вячеславовна Капитанова; Станислав Борисович Глыбовский; Павел Алексеевич Смирнов; Сун Минчжао
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2021-07-01
Also published as: RU202324U1

Abstract

Полезная модель относится к электрорадиотехнике, а более конкретно к устройствам беспроводной передачи энергии, способным заряжать одно или несколько мобильных устройств одновременно.Устройство беспроводной передачи энергии содержит блок беспроводной передачи энергии и не менее одного блока беспроводного приема энергии. Передатчик электромагнитной энергии, который входит в блок беспроводной передачи энергии, представляет собой резонансную метаматериальную структуру, состоящую из двух слоев печатных проводников, в каждом из которых проводники длиной L, где L удовлетворяет условию 0,005⋅λM<L<0,05⋅λM, расположены в одной плоскости параллельно друг другу на расстояниях si, причем siсвязано с их длиной следующим соотношениемгде i - порядковый номер проводника; k - коэффициент неоднородности; N - количество проводников в слое. Расстояние между слоями равно h, где h удовлетворяет условию 0,001⋅λM<h<0,1⋅λM. Угол между проводниками разных слоев составляет 90°. В углах конструкции между проводниками расположен высокочастотный диэлектрический материал с диэлектрической проницаемостью ε, где ε удовлетворяет условию 10<ε<500. Техническим результатом являются увеличение технологичности производства, повышение безопасности для человека устройства беспроводной передачи энергии за счет уменьшения напряженности электрического поля вблизи передатчика и повышение эффективности передачи энергии к нескольким мобильным устройствам, которое достигается за счет формирования равномерного магнитного поля над поверхностью передатчика устройства беспроводной передачи энергии. 7 ил.The invention relates to electrical and radio engineering, and more specifically to wireless power transmission devices capable of charging one or more mobile devices at the same time. The wireless power transmission device comprises a wireless power transmission unit and at least one wireless power reception unit. The transmitter of electromagnetic energy, which is included in the wireless power transmission unit, is a resonant metamaterial structure consisting of two layers of printed conductors, in each of which conductors of length L, where L satisfies the condition 0.005⋅λM <L <0.05⋅λM, are located in one plane parallel to each other at distances si, and si is related to their length by the following ratio, where i is the serial number of the conductor; k is the coefficient of heterogeneity; N is the number of conductors in the layer. The distance between the layers is equal to h, where h satisfies the condition 0.001⋅λM <h <0.1⋅λM. The angle between conductors of different layers is 90 °. In the corners of the structure, between the conductors, there is a high-frequency dielectric material with a dielectric constant ε, where ε satisfies the condition 10 <ε <500. The technical result is an increase in the manufacturability of production, an increase in the safety for a person of a wireless power transmission device by reducing the electric field strength near the transmitter and an increase in the efficiency of energy transfer to several mobile devices, which is achieved by forming a uniform magnetic field over the transmitter surface of the wireless power transmission device. 7 ill.

Description

Полезная модель относится к электрорадиотехнике, а более конкретно к устройствам беспроводной передачи энергии, способным заряжать одно или несколько мобильных устройств одновременно.The utility model relates to electrical and radio engineering, and more specifically to wireless power transmission devices capable of charging one or more mobile devices at the same time.

Известна «Гибридная метаматериальная панельная структура с высокой эффективностью и система беспроводной передачи энергии с ее использованием» (патент Южной Кореи №0076349 А, МПК H02J 7/02; H02J 50/12, дата приоритета 27.12.2016, дата публикации 05.07.2018), в котором описано применение гибридной метаматериальной структуры в системе беспроводной передачи энергии. Метематериальная плита состоит двух частей. Ее центральная часть имеет магнитную проницаемость близкую к нулю и преломляет падающее на нее магнитное поле в перпендикулярном к метаповерхности направлении. Вторая часть метаматериала расположена на внешнем периферийном участке, охватывающем центральную часть метаматериала, и имеет на рабочей частоте отрицательную магнитную проницаемость, что позволяет отклонять падающее на нее магнитное поле в направлении к центру метаповерхности. Таким образом, применение метаматериальной структуры для управления магнитным полем позволяет повысить эффективность систем беспроводной передачи, путем снижения потерь энергии на излучение. Недостатком такого решения является то, что метаматериальная структура используется в качестве промежуточного звена между передатчиком и приемником электромагнитной энергии, что значительно увеличивает габариты всей системы и усложняет ее практическое применение.Known "Hybrid metamaterial panel structure with high efficiency and a wireless power transmission system using it" (South Korean patent No. 0076349 A, IPC H02J 7/02; H02J 50/12, priority date 12/27/2016, publication date 07/05/2018), which describes the application of a hybrid metamaterial structure in a wireless power transmission system. The meteorological slab consists of two parts. Its central part has a magnetic permeability close to zero and refracts the incident magnetic field in the direction perpendicular to the metasurface. The second part of the metamaterial is located on the outer peripheral area, covering the central part of the metamaterial, and has a negative magnetic permeability at the operating frequency, which makes it possible to deflect the magnetic field incident on it towards the center of the metasurface. Thus, the use of a metamaterial structure to control the magnetic field makes it possible to increase the efficiency of wireless transmission systems by reducing energy losses for radiation. The disadvantage of this solution is that the metamaterial structure is used as an intermediate link between the transmitter and receiver of electromagnetic energy, which significantly increases the dimensions of the entire system and complicates its practical application.

Известна также «Радиочастотная ближнепольная зарядная площадка с многодиапазонным антенным элементом с адаптивной нагрузкой для эффективной зарядки электронного устройства при любом положении на площадке» (патент США № US 10079515 В2, МПК H02J 7/00; H02J 50/20, дата приоритета 12.12.2016, дата публикации 18.09.2018), в котором предложена радиочастотная зарядная площадка с антенным элементом в виде проводящей линии в форме меандра с адаптивной нагрузкой на конце. Зарядная площадка имеет размеры значительно большие, чем приемник, расположенный внутри заряжаемого электронного устройства. При помещении электронного устройства на площадку, происходит определение его местоположения, а затем подстройка передающей антенны для повышения эффективности беспроводной передачи энергии. Таким образом, повышается устойчивость системы к смещению передающей и приемных антенн друг относительно друга. Недостатком этого решения является то, что настройка возможна только на одно приемное устройство, то есть большая часть зарядной площадки не будет задействована при работе системы. Также не предусмотрено экранирование паразитного электрического поля, которое влияет на биологические объекты, расположенные вблизи системы.It is also known "A radio frequency near-field charging pad with a multi-band antenna element with an adaptive load for efficient charging of an electronic device in any position on the site" (US patent No. US 10079515 B2, IPC H02J 7/00; H02J 50/20, priority date 12.12.2016, publication date 09/18/2018), which proposes a radio frequency charging pad with an antenna element in the form of a conducting line in the form of a meander with an adaptive load at the end. The charging pad is much larger than the receiver located inside the electronic device being charged. When an electronic device is placed on the site, its location is determined, and then the transmitting antenna is adjusted to improve the efficiency of wireless energy transfer. Thus, the system's resistance to offset of the transmitting and receiving antennas with respect to each other is increased. The disadvantage of this solution is that adjustment is possible only for one receiving device, that is, most of the charging pad will not be used during the operation of the system. Also, there is no provision for shielding the parasitic electric field, which affects biological objects located near the system.

Известно также «Устройство беспроводной передачи энергии» (Патент РФ № RU 196766 U1, МПК H02J 50/00, дата приоритета 05.12.2019, опубликовано 16.03.2020), которое пригодно для зарядки одного или нескольких устройств одновременно, содержащее источник энергии, соединенный через первую цепь согласования импедансов с передатчиком электромагнитной энергии, представляющим собой метаматериал, содержащий слой проводников, один из которых имеет разрез, расположенных параллельно друг другу в одной плоскости на расстоянии s_i друг от друга, где s_i удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,1⋅λ_M, где λ_M- длина электромагнитной волны в метаматериале. Недостатком этого решения является расположение на концах проводников конденсаторов, в области над которыми сконцентрировано электрическое поле высокой напряженности, которое ограничивает максимально допустимую для передачи мощность, а также сильная неоднородность магнитного поля в области над метаматериалом.It is also known "Wireless power transmission device" (RF Patent No. RU 196766 U1, IPC H02J 50/00, priority date 12/05/2019, published 03/16/2020), which is suitable for charging one or more devices simultaneously, containing a power source connected through the first impedance matching circuit with an electromagnetic energy transmitter, which is a metamaterial containing a layer of conductors, one of which has a cut located parallel to each other in the same plane at a distance s _i from each other, where s _i satisfies the condition 0.001⋅λ _M <s _i <0.1⋅λ _M , where λ _M is the length of the electromagnetic wave in the metamaterial. The disadvantage of this solution is the location of capacitors at the ends of the conductors, in the area above which a high-intensity electric field is concentrated, which limits the maximum allowable power for transmission, as well as a strong inhomogeneity of the magnetic field in the region above the metamaterial.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип является «Устройство беспроводной передачи энергии» (Патент РФ № RU 187264 U1, МПК H02J 50/00; H02J 7/00, дата приоритета 23.05.2018, опубликовано 27.02.2019), способное заряжать одно или несколько устройств одновременно, содержащее блок беспроводной передачи энергии, включающий источник энергии, соединенный с передатчиком электромагнитной энергии через первую цепь согласования импедансов, и не менее одного блока беспроводного приема энергии, который включает приемник электромагнитной энергии, индуктивно связанный с передатчиком электромагнитной энергии и последовательно соединенный через вторую цепь согласования импедансов и выпрямитель переменного электрического тока с нагрузкой, при этом передатчик электромагнитной энергии представляет собой метаматериал, состоящий из двух слоев проводников, которые, по меньшей мере, частично размещены внутри диэлектрика, где в каждом слое проводники расположены в одной плоскости параллельно друг другу на расстояниях s_i друг от друга, где s_i удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,1⋅λ_M, где λ_M- длина электромагнитной волны в метаматериале, каждый из которых характеризуется длинной l_i, среднее значение которой равно L, a L удовлетворяет условию 0,2⋅λ_M<L<0,5⋅λ_M, при этом расстояние между слоями проводников метаматериала равно h, где h удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<h<0,1⋅λ_M, а угол поворота слоев относительно друг друга β удовлетворяет условию 0°<β<90°. Недостатком прототипа является необходимость размещения слоев проводников, из которых состоит метаматериал, использующийся в качестве передатчика, внутри диэлектрика с целью уменьшения рабочей частоты передатчика. Такой подход к уменьшению рабочей частоты является нетехнологичным по нескольким причинам: 1) При использовании твердых диэлектриков необходимо использование сложных технологических процедур для размещения внутри него слоев проводников. 2) При использовании жидких диэлектриков, внутри которых располагаются слои метаматериала, необходимо использование сложных технологических процедур для закрепления проводников внутри диэлектрика и поддержания постоянной высоты h между слоями. Также при использовании жидких диэлектриков возможно нарушение герметичности конструкции, что приведет к изменению ее характеристик, а именно увеличению потерь внутри диэлектрика, нарушению работы системы. Помимо этого, поскольку диэлектрическая проницаемость диэлектрика, внутри которого располагаются проводники, является основным фактором настройки метаматериала на желаемую рабочую частоту, потому что физическая длина проводников и расстояние между слоями ограничены требованиями к габаритам устройства, то необходимо иметь возможность использовать материалы, диэлектрические проницаемости которых находятся в большом диапазоне значений. Однако одно из максимальных значений диэлектрической проницаемости среди распространенных не композитных жидких диэлектриков имеет вода ε=81, которая не позволит уменьшить габариты устройства до желаемых пределов и является серьезным ограничением для данной конструкции.The closest technical solution adopted for the prototype is the "Wireless Power Transmission Device" (RF Patent No. RU 187264 U1, IPC H02J 50/00; H02J 7/00, priority date 05/23/2018, published 02/27/2019), capable of charging one or several devices simultaneously, comprising a wireless power transmission unit, comprising a power source connected to the electromagnetic energy transmitter through the first impedance matching circuit, and at least one wireless power reception unit, which includes an electromagnetic energy receiver inductively coupled to the electromagnetic energy transmitter and connected in series through a second impedance matching circuit and an alternating electric current rectifier with a load, while the transmitter of electromagnetic energy is a metamaterial consisting of two layers of conductors, which are at least partially located inside the dielectric, where in each layer the conductors are located in one plane parallel about each other at distances s _i from each other, where s _i satisfies the condition 0.001⋅λ _M <s _i <0.1⋅λ _M , where λ _M is the length of an electromagnetic wave in a metamaterial, each of which is characterized by a length l _i , the average the value of which is equal to L, a L satisfies the condition 0.2 Mλ _M <L <0.5 Mλ _M , while the distance between the layers of the conductors of the metamaterial is h, where h satisfies the condition 0.001⋅λ _M <h <0.1⋅ λ _M , and the angle of rotation of the layers relative to each other β satisfies the condition 0 ° <β <90 °. The disadvantage of the prototype is the need to place layers of conductors that make up the metamaterial used as a transmitter inside the dielectric in order to reduce the operating frequency of the transmitter. This approach to reducing the operating frequency is not technologically advanced for several reasons: 1) When using solid dielectrics, it is necessary to use complex technological procedures to place layers of conductors inside it. 2) When using liquid dielectrics, inside which layers of metamaterial are located, it is necessary to use complex technological procedures to fix the conductors inside the dielectric and maintain a constant height h between the layers. Also, when using liquid dielectrics, it is possible to break the tightness of the structure, which will lead to a change in its characteristics, namely, an increase in losses inside the dielectric, disruption of the system. In addition, since the dielectric constant of the dielectric, inside which the conductors are located, is the main factor in tuning the metamaterial to the desired operating frequency, because the physical length of the conductors and the distance between the layers are limited by the requirements for the dimensions of the device, it is necessary to be able to use materials whose dielectric constants are in a wide range of values. However, one of the maximum values of the dielectric constant among common non-composite liquid dielectrics has water ε = 81, which will not allow reducing the dimensions of the device to the desired limits and is a serious limitation for this design.

Основной задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка резонансного передатчика большого размера для устройства беспроводной передачи энергии, имеющего равномерное распределение ближнего магнитного поля, пригодного для подзарядки на частотах менее 30 МГц нескольких мобильных устройств, расположенных на передатчике одновременно, обеспечивающего коэффициент удельного поглощения электромагнитной энергии менее 15 мВт/кг и изготовляемого с использованием технологий массового производства.The main task to be solved by the claimed utility model is the development of a large resonant transmitter for a wireless power transmission device with a uniform distribution of the near magnetic field, suitable for recharging at frequencies less than 30 MHz of several mobile devices located on the transmitter simultaneously, providing the specific absorption of electromagnetic energy less than 15 mW / kg and manufactured using mass production technologies.

Поставленная задача решается за счет использования в устройстве беспроводной передачи энергии в качестве передатчика метаматериальной резонансной структуры, изготовленной с помощью стандартной технологии изготовления печатных плат и применения композитного высокочастотного керамического материала с высоким значением диэлектрической проницаемости для концентрации в нем электрического поля и создания конструктивной распределенной емкости для снижения рабочей частоты.The problem is solved by using a metamaterial resonant structure as a transmitter in a wireless energy transmission device, made using a standard technology for manufacturing printed circuit boards and using a composite high-frequency ceramic material with a high dielectric constant to concentrate an electric field in it and create a constructive distributed capacitance to reduce operating frequency.

Сущность полезной модели заключается в том, что в качестве передатчика электромагнитной энергии в устройстве беспроводной передачи энергии используется резонансная структура на основе метаматериала, состоящего из двух слоев печатных проводников, в каждом из которых проводники длиной L, где L удовлетворяет условию 0,005⋅λ_M<L<0,05⋅λ_M, где λ_M - длина электромагнитной волны в метаматериале и шириной w, расположены в одной плоскости параллельно друг другу на расстояниях s_i, где s_i удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,1⋅λ_M и связано с их длиной следующим соотношением

где i - порядковый номер проводника, считая от края структуры, k - коэффициент неоднородности, который удовлетворяет условию 0,2<k<1, N - количество проводников в каждом слое. Расстояние между слоями равно h, где h удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<h<0,1⋅λ_M. Угол между проводниками разных слоев составляет 90°. Пространство в углах конструкции между проводниками заполнено высокочастотным диэлектрическим материалом с диэлектрической проницаемостью ε, где ε удовлетворяет условию 10<ε<500, и обладающим низкими потерями на рабочих частотах, который используется для создания конструктивной емкости для уменьшения частоты основной моды резонатора. При этом значение емкости, возникающей за счет перекрытия проводников в различных слоях и заполнения пространства между ними высокочастотным диэлектриком, определяется по следующей формуле

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума. Для придания механической устойчивости конструкции, оставшаяся часть пространства также заполнена диэлектриком с отличной от диэлектрических вставок по углам диэлектрической проницаемостью.The essence of the utility model is that a resonant structure based on a metamaterial is used as a transmitter of electromagnetic energy in a wireless power transmission device, which consists of two layers of printed conductors, each of which contains conductors of length L, where L satisfies the condition 0.005⋅λ _M <L <0.05⋅λ _M , where λ _M is the length of an electromagnetic wave in the metamaterial and width w, are located in the same plane parallel to each other at distances s _i , where s _i satisfies the condition 0.001⋅λ _M <s _i <0.1⋅ λ _M and is related to their length by the following relation

where i is the serial number of the conductor, counting from the edge of the structure, k is the coefficient of inhomogeneity, which satisfies the condition 0.2 <k <1, N is the number of conductors in each layer. The distance between the layers is equal to h, where h satisfies the condition 0.001⋅λ _M <h <0.1⋅λ _M. The angle between conductors of different layers is 90 °. The space in the corners of the structure between the conductors is filled with a high-frequency dielectric material with a dielectric constant ε, where ε satisfies the condition 10 <ε <500, and having low losses at operating frequencies, which is used to create a constructive capacitance to reduce the frequency of the fundamental mode of the resonator. In this case, the value of the capacitance arising from the overlap of the conductors in different layers and filling the space between them with a high-frequency dielectric is determined by the following formula

where ε ₀ is the dielectric constant of the vacuum. To impart mechanical stability to the structure, the rest of the space is also filled with a dielectric with a dielectric constant different from dielectric inserts at the corners.

Множественные численные эксперименты показали, что равномерное распределение амплитуды магнитного поля в ближней зоне резонансной метаматериальной структуры в активной области передачи энергии достигается при неэквидистантном расположении проводников в каждом слое. Был выбран закон распределения проводников, предложенный в [1], в соответствии с которым, проводники в одном слое располагаются на расстояниях s_i друг от друга, при этом s_i удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,1⋅λ_M и связано с их длиной следующим соотношением

где i - порядковый номер проводника, считая от края структуры, k - коэффициент неоднородности, который удовлетворяет условию 0,2<k<1, N - количество проводников в каждом слое. Для заданного числа проводников и их длины было подобрано такое значение коэффициента неоднородности k, при котором равномерность распределения напряженности магнитного поля достигла требуемого значения. Равномерная напряженность магнитного поля в центре метаповерхности позволяет добиться одинаковой эффективности передачи энергии к приемникам, независимо от их расположения в рабочей области.Numerous numerical experiments have shown that a uniform distribution of the magnetic field amplitude in the near-field zone of a resonant metamaterial structure in the active region of energy transfer is achieved with a nonequidistant arrangement of the conductors in each layer. The distribution law of conductors proposed in [1] was chosen, according to which conductors in one layer are located at distances s _i from each other, while s _i satisfies the condition 0.001⋅λ _M <s _i <0.1⋅λ _M and is related to their length by the following relation

where i is the serial number of the conductor, counting from the edge of the structure, k is the coefficient of inhomogeneity, which satisfies the condition 0.2 <k <1, N is the number of conductors in each layer. For a given number of conductors and their length, such a value of the inhomogeneity coefficient k was selected, at which the uniformity of the distribution of the magnetic field strength reached the required value. The uniform intensity of the magnetic field in the center of the metasurface makes it possible to achieve the same efficiency of energy transfer to the receivers, regardless of their location in the working area.

В отсутствие диэлектрика рабочая частота резонатора равна f=с/λ_M, где λ_M - длина волны в метаматериале, с - скорость света в вакууме. Заполнение пространства между слоями проводников диэлектриком позволяет создать конструктивные емкости между проводниками, тем самым увеличив их электрическую длину, а следовательно, снизить рабочую частоту метаматериала обратно пропорционально корню из диэлектрической проницаемости е диэлектрика: f~1/√ε.In the absence of a dielectric, the operating frequency of the resonator is f = c / λ _M , where λ _M is the wavelength in the metamaterial, and c is the speed of light in vacuum. Filling the space between the layers of conductors with a dielectric allows you to create constructive capacities between the conductors, thereby increasing their electrical length, and, consequently, reducing the working frequency of the metamaterial in inverse proportion to the root of the dielectric constant e of the dielectric: f ~ 1 / √ε.

В резонансной структуре угол между проводниками разных слоев составляет 90°, а расстояние между слоями h удовлетворяет условию 0,001⋅λ_M<h<0,1⋅λ_M, где λ_M - длина электромагнитной волны в метаматериале, что уменьшает напряженность электрического поля вблизи метаповерхности за счет создания сильной электромагнитной связи между слоями, которая позволяет запасать значительную часть электромагнитной энергии в реактивных полях между слоями проводников. За счет уменьшения напряженности электрического поля в области над структурой, представленная конструкция обеспечивает безопасность использования метаматериальной структуры в присутствии человека в непосредственной близости от нее в режиме работы.In a resonant structure, the angle between the conductors of different layers is 90 °, and the distance between the layers h satisfies the condition 0.001⋅λ _M <h <0.1⋅λ _M , where λ _M is the length of the electromagnetic wave in the metamaterial, which reduces the electric field strength near the metasurface by creating a strong electromagnetic connection between the layers, which allows you to store a significant part of the electromagnetic energy in reactive fields between the layers of conductors. By reducing the electric field strength in the area above the structure, the presented design ensures the safety of using the metamaterial structure in the presence of a person in the immediate vicinity of it during operation.

Совокупность вышеприведенных признаков позволяет создать резонансную метематериальную структуру для использования ее в качестве передатчика в устройстве беспроводной передачи энергии, обладающую равномерным распределением магнитного поля в активной области передачи энергии, пригодную для подзарядки нескольких мобильных устройств одновременно, обеспечивающую более безопасный уровень удельного поглощения электромагнитной энергии по сравнению со стандартными передающими катушками в системах беспроводной передачи энергии за счет концентрации электрического поля в высокочастотном диэлектрическом материале, расположенном по углам конструкции между слоями печатных проводников, а также повысить технологичность по сравнению с прототипом за счет использования стандартных технологий изготовления печатных плат, а также использования вставок из высокочастотного диэлектрического материала по углам конструкции, вместо помещения слоев проводников в диэлектрический бокс.The combination of the above features allows you to create a resonant meteomaterial structure for use as a transmitter in a wireless power transmission device, which has a uniform distribution of the magnetic field in the active region of energy transfer, suitable for recharging several mobile devices simultaneously, providing a safer level of specific absorption of electromagnetic energy compared to standard transmitting coils in wireless power transmission systems due to the concentration of the electric field in a high-frequency dielectric material located at the corners of the structure between the layers of printed conductors, as well as improve manufacturability compared to the prototype through the use of standard technologies for manufacturing printed circuit boards, as well as the use of high-frequency inserts dielectric material at the corners of the structure, instead of placing the layers of conductors in a dielectric box.

Сущность полезной модели поясняется с помощью соответствующих фигур.The essence of the utility model is illustrated using the corresponding figures.

Фиг. 1 - Структурная схема устройства беспроводной передачи энергии.FIG. 1 - Block diagram of a wireless power transmission device.

Фиг. 2. - Чертеж метаматериальной структуры (вид сверху).FIG. 2. - Drawing of the metamaterial structure (top view).

Фиг. 3. - Чертеж метаматериальной структуры (вид спереди).FIG. 3. - Drawing of the metamaterial structure (front view).

Фиг. 4. - Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля над резонатором на высоте 30 мм.FIG. 4. - Distribution of the normal component of the magnetic field strength above the resonator at a height of 30 mm.

Фиг. 5. - График зависимости входной проводимости резонансной метаматериальной структуры от частоты.FIG. 5. - Graph of the dependence of the input conductivity of the resonant metamaterial structure on the frequency.

Фиг.6. - Распределение поверхностных токов в проводниках на частоте, соответствующей фундаментальной моде.Fig. 6. - Distribution of surface currents in conductors at a frequency corresponding to the fundamental mode.

Фиг. 7. - Результат численной оценки удельного поглощения электромагнитной энергии в присутствии модели руки человека.FIG. 7. - The result of a numerical assessment of the specific absorption of electromagnetic energy in the presence of a model of a human hand.

Устройство беспроводной передачи энергии состоит из одного блока беспроводной передачи энергии 1, включающего источник энергии 2, который представляет собой высокочастотный генератор сигнала, цепь согласования импедансов 3 и передатчик электромагнитной энергии 4, а также из одного или нескольких заряжаемых устройств 5, каждый из которых оснащен блоком беспроводного приема электромагнитной энергии 6, включающего приемник электромагнитной энергии 7, цепь преобразования переменного тока в постоянный 8, выполняющей также функцию согласования импедансов, и нагрузку 9.The wireless power transmission device consists of one wireless power transmission unit 1, which includes a power source 2, which is a high-frequency signal generator, an impedance matching circuit 3 and an electromagnetic energy transmitter 4, as well as one or more chargeable devices 5, each of which is equipped with a unit wireless reception of electromagnetic energy 6, including a receiver of electromagnetic energy 7, an alternating current-to-direct current conversion circuit 8, which also performs the function of impedance matching, and a load 9.

Резонансная метаматериальная структура, использующаяся в качестве передатчика электромагнитной энергии 4 для систем беспроводной передачи энергии, показана на фиг. 2 и фиг. 3 и состоит из двух ортогональных слоев печатных проводников 10 длиной L и шириной w, расположенных на расстоянии h друг от друга. В углах структуры расположены вставки из высокочастотного диэлектрического материала 11 с высоким значением диэлектрической проницаемости 8. Оставшееся пространство между проводниками заполнено ABS пластиком 12 для придания механической устойчивости конструкции. Печатные проводники 10 выполнены с помощью технологии изготовления печатных плат на листе FR-4 13. Конструкция представляет собой трехслойную структуру - между двумя печатными платами располагается слой из двух различных диэлектрических материалов. Проводники в каждом из слоев располагаются параллельно друг другу на расстоянии s_i, которое было подобрано таким образом, чтобы добиться равномерного распределения магнитного поля в ближней зоне резонатора. Подключение источника энергии производится к разрыву 14 расположенному на крайнем проводнике одного из слоев метаматериала.A resonant metamaterial structure used as a transmitter of electromagnetic energy 4 for wireless power transmission systems is shown in FIG. 2 and FIG. 3 and consists of two orthogonal layers of printed conductors 10 with a length L and a width w, located at a distance h from each other. In the corners of the structure there are inserts made of a high-frequency dielectric material 11 with a high dielectric constant 8. The remaining space between the conductors is filled with ABS plastic 12 to give mechanical stability to the structure. The printed conductors 10 are made using the technology of manufacturing printed circuit boards on a sheet of FR-4 13. The design is a three-layer structure - between two printed circuit boards is a layer of two different dielectric materials. The conductors in each of the layers are located parallel to each other at a distance s _i , which was selected in such a way as to achieve a uniform distribution of the magnetic field in the near zone of the resonator. The energy source is connected to the gap 14 located on the extreme conductor of one of the metamaterial layers.

Принцип работы устройства беспроводной передачи энергии заключается в следующем. При подаче питания на блок беспроводной передачи энергии 1, источник энергии 2 начинает генерировать переменный электрический ток частотой ƒ. При подключении источника энергии 2 через цепь согласования импедансов 3 к разрыву 14 расположенному на крайнем проводнике одного из слоев метаматериальной структуры из которой выполнен передатчик электромагнитной энергии 4, в нем начинает протекать переменный электрический ток частотой ƒ. За счет того что расстояния s_i между соседними проводниками в каждом слое метаматериала удовлетворяют условию 0,001⋅λ_M<s_i<0,1⋅λ_M, проводники оказываются сильно связанными и из-за этого происходит расщепление резонансной частоты одного проводника на несколько диапазонов, которые соответствуют собственным модам резонатора. Фундаментальной моде соответствует самая низкочастотная собственная мода резонатора. При резонансном возбуждении фундаментальной моды метаматериальной структуры, создается магнитное поле, направленное перпендикулярно к поверхности, причем напряженность магнитного поля оказывается квазиоднородной в центральной области структуры, которую будем считать активной (рабочей) областью беспроводной передачи энергии. Распределение напряженности нормальной составляющей магнитного поля на высоте 30 мм от структуры показано на фиг. 4. Данное распределение магнитного поля обусловлено определенным направлением токов (фиг. 5) в проводниках 10, которые можно интерпретировать как эквивалентные рамки с токами, которые получаются за счет емкостной связи между двумя слоями печатных проводников, которая дополнительно увеличена за счет применения материала с высокой диэлектрической проницаемостью. При помещении в активную область одного или нескольких заряжаемых устройств 5 магнитное поле создаваемое передатчиком электромагнитной энергии 4 наводит индукционный ток частотой ƒ в приемнике электромагнитной энергии 7 каждого из заряжаемых устройств 5. Ток затем преобразуется в постоянный с помощью преобразователя 8, и затем поступает в нагрузку 9. При этом преобразователь 8 также выполняет функцию согласования импедансов приемника электромагнитной энергии и нагрузки.The principle of operation of a wireless power transmission device is as follows. When power is supplied to the wireless power transmission unit 1, the power source 2 begins to generate alternating electric current with a frequency of ƒ. When the energy source 2 is connected through the impedance matching circuit 3 to the gap 14 located on the extreme conductor of one of the layers of the metamaterial structure from which the transmitter of electromagnetic energy 4 is made, an alternating electric current of frequency ƒ begins to flow in it. Due to the fact that the distances s _i between adjacent conductors in each layer of the metamaterial satisfy the condition 0.001⋅λ _M <s _i <0.1⋅λ _M , the conductors turn out to be strongly coupled and because of this, the resonance frequency of one conductor is split into several ranges, which correspond to the eigenmodes of the resonator. The lowest frequency eigenmode of the resonator corresponds to the fundamental mode. Resonant excitation of the fundamental mode of the metamaterial structure creates a magnetic field directed perpendicular to the surface, and the magnetic field strength turns out to be quasi-uniform in the central region of the structure, which we will consider as the active (working) region of wireless energy transfer. The distribution of the strength of the normal component of the magnetic field at a height of 30 mm from the structure is shown in Fig. 4. This distribution of the magnetic field is due to a certain direction of the currents (Fig. 5) in the conductors 10, which can be interpreted as equivalent frames with currents, which are obtained due to the capacitive coupling between the two layers of the printed conductors, which is further increased by the use of a material with a high dielectric permeability. When one or more charged devices 5 are placed in the active area, the magnetic field created by the transmitter of electromagnetic energy 4 induces an induction current of frequency ƒ in the receiver of electromagnetic energy 7 of each of the charged devices 5. The current is then converted into direct current by means of the converter 8, and then enters the load 9 In this case, the converter 8 also performs the function of matching the impedances of the receiver of electromagnetic energy and the load.

Настройка частоты резонанса метаматериальной структуры осуществляется за счет подбора размеров диэлектрических вставок 11 и их диэлектрической проницаемости, выбора параметров печатных проводников 10 и их количества, а также за счет расстояния между слоями. При этом изменение параметров диэлектрических вставок наиболее существенно сказывается на резонансной частоте структуры, по сравнению с изменением других параметров. Для представленной на фиг. 2 структуры частота фундаментальной моды была настроена на 27 МГц. График зависимости входной проводимости показан на фиг. 6, на котором можно наблюдать два резонанса: последовательный и параллельный. В качестве рабочего был выбран последовательный резонанс, поскольку при детальном изучении напряженности магнитного поля для обоих резонансов, оказалось, что при последовательном резонансе она существенно выше, чем при параллельном.Tuning the resonance frequency of the metamaterial structure is carried out by selecting the size of the dielectric inserts 11 and their dielectric constant, choosing the parameters of the printed conductors 10 and their number, as well as the distance between the layers. In this case, a change in the parameters of dielectric inserts most significantly affects the resonance frequency of the structure, compared with a change in other parameters. For the example shown in FIG. 2 structures, the fundamental mode frequency was tuned to 27 MHz. The input conductance plot is shown in FIG. 6, where two resonances can be observed: serial and parallel. A serial resonance was chosen as the working one, since in a detailed study of the magnetic field strength for both resonances, it turned out that with a serial resonance it is significantly higher than with a parallel one.

Численно рассчитанный коэффициент удельного поглощения при расположении биологических тканей над метаматериальной структурой показан на фиг. 7. Для расчета использовалась модель руки человека (VHP-Female CAD model), содержащая детализированные ткани и органы человека с характерными для них электромагнитными параметрами. Модель руки человека была расположена на краю структуры, поскольку в этой области наблюдается максимум электрического поля. Таким образом, был рассмотрен наименее безопасный сценарий использования устройства. Усреднение коэффициента удельного поглощения производилось по 10 граммам тканей. По представленному распределению видно, что максимальное значение коэффициента удельного поглощения составляет 11 мВт/кг, что является приемлемым значением с точки зрения безопасности для человека.The numerically calculated specific absorption coefficient when biological tissues are located above the metamaterial structure is shown in Fig. 7. For the calculation, a human hand model (VHP-Female CAD model) was used, which contains detailed human tissues and organs with their characteristic electromagnetic parameters. The human hand model was positioned at the edge of the structure, since the maximum electric field is observed in this area. Thus, the least secure scenario for using the device was considered. The SAR was averaged over 10 grams of tissue. The presented distribution shows that the maximum value of the specific absorption coefficient is 11 mW / kg, which is an acceptable value from the point of view of human safety.

Таким образом, заявляемое устройство беспроводной передачи энергии, использующее в качестве передатчика электромагнитной энергии резонансную метаматериальную структуру, изготавливаемую с помощью стандартных технологий массового производства, является более безопасным для человека с точки зрения коэффициента удельного поглощения электромагнитной энергии, за счет использования диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости в качестве материала, которым заполнено пространство между слоями печатных проводников и концентрирования электрического поля в области между слоями. Заявляемая структура позволяет повысить эффективность передачи энергии к нескольким мобильным устройствам, оснащенным приемником электромагнитной энергии за счет формирования равномерного магнитного поля высокой интенсивности в активной области над структурой.Thus, the inventive device for wireless energy transmission, which uses a resonant metamaterial structure as a transmitter of electromagnetic energy, manufactured using standard mass production technologies, is safer for humans in terms of the specific absorption coefficient of electromagnetic energy, due to the use of a dielectric with a large dielectric constant as a material that fills the space between the layers of printed conductors and concentrates the electric field in the area between the layers. The claimed structure makes it possible to increase the efficiency of energy transmission to several mobile devices equipped with an electromagnetic energy receiver due to the formation of a uniform high-intensity magnetic field in the active region above the structure.

Список источников:List of sources:

1. Casanova J.J. и др. Transmitting coil achieving uniform magnetic field distribution for planar wireless power transfer system // RWS 2009 IEEE Radio Wirel. Symp. Proc. 2009. C. 530-533.1. Casanova J.J. et al. Transmitting coil achieving uniform magnetic field distribution for planar wireless power transfer system // RWS 2009 IEEE Radio Wirel. Symp. Proc. 2009. S. 530-533.

Claims

A wireless power transmission device comprising a power source connected through a first impedance matching circuit to an electromagnetic energy transmitter capable of inductively coupling with an electromagnetic energy receiver and representing a metamaterial consisting of two layers of conductors, in each of which conductors of length L are located in one planes parallel to each other at distances s _i , where s _i satisfies the condition 0.001⋅λ _M <s _i <0.1⋅λ _M , where λ _M is the length of the electromagnetic wave in the metamaterial, the distance between the layers is h, where h satisfies the condition 0.001 ⋅λ _M <h <0.1⋅λ _M , while the conductors of one layer are oriented at an angle to the conductors of the other, and one of the extreme conductors of one of the layers is made with a gap for connecting a power source, characterized in that the length of the conductors L satisfies the condition 0.005⋅λ _M <L <0.05⋅λ _M , the distance s _i between the conductors is related to their length by the following relation

where i is the serial number of the conductor, counting from the edge of the structure; k - coefficient of heterogeneity, which satisfies the condition 0.2 <k <1; N is the number of conductors in each layer,

between the layers of conductors at the corners of the structure, square inserts made of a high-frequency dielectric with side d are installed, such that the condition is satisfied

with a dielectric constant ε, where ε satisfies the condition 10 <ε <500, the angle between the conductors of different layers is 90 °.