RU2740957C1

RU2740957C1 - Method of providing maximum high-frequency electrical energy transmission ratio when changing distance between microstrip structures in certain limits

Info

Publication number: RU2740957C1
Application number: RU2020130874A
Authority: RU
Inventors: Игорь Борисович Широков; Елена Игоревна Широкова; Андрей Андреевич Азаров; Игорь Владимирович Сердюк
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Генезис-Таврида"
Priority date: 2020-09-19
Filing date: 2020-09-19
Publication date: 2021-01-22

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering, in particular to the waveguide structures construction technique, directional couplers, devices based on them, and can be used for wireless transmission of electric energy of high frequency. Method achieves the fact that an iterative process of reaching the optimum frequency of the system is performed for the set distance between the microstrip structures. At any change of this distance between microstrip structures, the iteration process is automatically restarted again and the optimum operating frequency of the system is again obtained, characterized by maximum energy transfer coefficient for new distance between microstrip structures of system.EFFECT: technical result consists in providing maximum high-frequency energy transfer coefficient when changing distance between microstrip structures in certain operating ranges.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике построения волноводных структур, направленных ответвителей, устройств на их основе и может быть использовано для беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты, необходимой, например, для беспроводной зарядки аккумуляторных батарей, реализуемой при выпрямлении токов высокой частоты.The invention relates to a technique for constructing waveguide structures, directional couplers, devices based on them, and can be used for wireless transmission of high frequency electrical energy, which is necessary, for example, for wireless charging of batteries, which is realized when rectifying high frequency currents.

Известны способы беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты, используемые для бесконтактной (беспроводной) зарядки батарей мобильных телефонов и других современных гаджетов. Данные способы беспроводной передачи энергии, используемые для зарядки аккумуляторных батарей, объединяются в т.н. стандарт Ци («Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging» (Электронный ресурс). — https://www.prnewswire.com/news-releases/global-qi-standard-powers-up-wireless-charging-102043348.html или «Guidelines for Automotive Aftermarket Qi/ Chargers The Wireless Power Consortium 2012 2012/10/01»). Стандарт Ци подразумевает использование магнитной связи между плоскими катушками индуктивности, возникающей на относительно низких рабочих частотах, исчисляемыми десятками или сотнями килогерц. Однако данный способ передачи энергии характеризуется крайне малым рабочим расстоянием между элементами системы передачи энергии. Эффективная передача энергии осуществляется практически при полном контакте поверхностей элементов передачи энергии. При расстоянии между поверхностями уже в 3-5 мм передача энергии прекращается. Known methods of wireless transmission of high frequency electrical energy used for contactless (wireless) charging of batteries of mobile phones and other modern gadgets. These methods of wireless transmission of energy used to charge batteries are combined into the so-called. Qi standard ("Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging" (Electronic resource). - https://www.prnewswire.com/news-releases/global-qi-standard-powers-up-wireless-charging-102043348.html or "Guidelines for Automotive Aftermarket Qi / Chargers The Wireless Power Consortium 2012 2012/10/01"). The Qi standard involves the use of magnetic coupling between flat inductors, which occurs at relatively low operating frequencies, in the tens or hundreds of kilohertz. However, this method of power transmission is characterized by an extremely small working distance between the elements of the power transmission system. Efficient power transmission occurs with virtually complete contact between the surfaces of the power transmission elements. When the distance between the surfaces is already 3-5 mm, the energy transfer stops.

Работа устройства с увеличенным расстоянием действия основана на принципе магниторезонансной передачи энергии и описана в работах Kurs A., Karalis A., Moffatt R., Joannopoulos J. D., Fisher P, Soljačić M. “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science, 06 Jul 2007, Vol. 317, Issue 5834, pp. 83-86б, DOI: 10.1126/science.1143254; или Karalis A., Joannopoulos J. D., Soljačić M. “Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,” Annals of Physics 323 (2008) P. 34–48; или Goodbye wires! MIT team experimentally demonstrates wireless power transfer, potentially useful for powering laptops, cell phones without cords (Электронный ресурс). — http://news.mit.edu/2007/wireless-0607. По заверениям авторов, передача энергии может осуществляться изотропно и на значительные расстояния, достигающие нескольких метров. Однако работа такого устройства является небезопасной для живых организмов, находящихся в непосредственной близости от системы беспроводной передачи энергии, особенно если уровень передаваемой мощности излучения поднять до нескольких ватт и более.Long range device operation is based on the principle of magnetic resonance energy transfer and is described in the works of Kurs A., Karalis A., Moffatt R., Joannopoulos JD, Fisher P, Soljačić M. “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science, 06 Jul 2007, Vol. 317, Issue 5834, pp. 83-86b, DOI: 10.1126 / science.1143254; or Karalis A., Joannopoulos J. D., Soljačić M. “Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,” Annals of Physics 323 (2008) P. 34–48; or Goodbye wires! MIT team experimentally demonstrates wireless power transfer, potentially useful for powering laptops, cell phones without cords (Electronic resource). - http://news.mit.edu/2007/wireless-0607. According to the assurances of the authors, the transmission of energy can be carried out isotropically and over considerable distances, reaching several meters. However, the operation of such a device is unsafe for living organisms in the immediate vicinity of the wireless power transmission system, especially if the level of the transmitted radiation power is raised to several watts or more.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является Способ беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты, описанный Патенте РФ № 2704602. Closest to the proposed invention is the Method for wireless transmission of high frequency electrical energy, described in RF Patent No. 2704602.

По этому способу первоначально генерируют высокочастотные колебания настолько малым уровнем мощности, насколько такой уровень позволяет измерить коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи, и подают эти колебания через измеритель КСВ на первый конец первой микрополосковой линии передачи определенной длины, второй конец которой замыкают на землю или оставляют свободным. При этом микрополосковую линию передачи для экономии места сворачивают в спираль. К первой микрополосковой линии передачи подносят вторую микрополосковую линию передачи такой же длины, второй конец которой также замыкают на землю или оставляют свободным, причем вторую микрополосковую линию передачи также для экономии места сворачивают в спираль, причем сворачивание в спираль второй микрополосковой линии передачи осуществляют зеркально по отношению к сворачиванию в спираль первой микрополосковой линии передачи. При этом вторую микрополосковую линию передачи подносят к первой микрополосковой линии передачи лицом, в результате чего между двумя отдельными микрополосковыми линиями передачи организуют сильную лицевую связь и, тем самым, две отдельные микрополосковые линии передачи преобразуют в один направленный ответвитель с лицевой связью на симметричных полосковых линиях передачи. При этом измеряют КСВ в первой микрополосковой линии передачи и оценивают его значение. При этом задаются некоторым пороговым значением КСВ. Если значение измеренного КСВ оказывается выше этого заданного порогового значения, то уровень мощности первоначально генерируемых высокочастотных колебаний оставляют на том же настолько малом уровне, насколько такой уровень позволяет измерить КСВ в первой микрополосковой линии передачи. Тем самым минимизируют непроизводительные потери энергии. Если значение измеренного КСВ по мере приближения второй микрополосковой линии передачи к первой микрополосковой линии передачи падает ниже заданного порогового значения, то по этому факту уровень мощности генерируемых высокочастотных колебаний делают максимальным и организуют, тем самым, эффективную беспроводную передачу энергии от генератора высокочастотных колебаний к нагрузке через две микрополосковые линии передачи с лицевой связью. При этом с первого конца второй микрополосковой линии передачи снимают высокочастотные колебания, энергию которых используют далее по назначению. При этом вредное влияние энергии высокочастотных колебаний на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии, сводят к нулю, поскольку направленный ответвитель, образованный по факту симметричными полосковыми линиями передачи с лицевой связью не производит излучения энергии в свободное пространство.According to this method, high-frequency oscillations are initially generated at a power level as low as this level allows to measure the standing wave ratio (SWR) in the transmission line, and these oscillations are fed through the SWR meter to the first end of the first microstrip transmission line of a certain length, the second end of which is shorted to ground or left free. In this case, the microstrip transmission line is coiled to save space. A second microstrip transmission line of the same length is brought to the first microstrip transmission line, the second end of which is also short-circuited to the ground or left free, and the second microstrip transmission line is also coiled to save space, and the coiling of the second microstrip transmission line is carried out in a mirror image with respect to to coiling of the first microstrip transmission line. In this case, the second microstrip transmission line is brought to the first microstrip transmission line with a face, as a result of which a strong facial connection is organized between two separate microstrip transmission lines and, thus, two separate microstrip transmission lines are converted into one directional coupler with a face connection on symmetrical strip transmission lines ... In this case, the VSWR is measured in the first microstrip transmission line and its value is estimated. In this case, a certain threshold value of the SWR is set. If the measured SWR is above this predetermined threshold, then the power level of the initially generated high frequency oscillations is left at the same level as low as this level allows the SWR to be measured in the first microstrip transmission line. Thus, non-productive energy losses are minimized. If the value of the measured SWR, as the second microstrip transmission line approaches the first microstrip transmission line, falls below a predetermined threshold value, then the power level of the generated high-frequency oscillations is therefore maximized and, thereby, efficient wireless transmission of energy from the high-frequency oscillator to the load through two front-coupled microstrip transmission lines. In this case, high-frequency oscillations are removed from the first end of the second microstrip transmission line, the energy of which is used further for its intended purpose. In this case, the harmful effect of the energy of high-frequency vibrations on a person and other biological objects located in the area of \ u200b \ u200bthe wireless energy transmission system is reduced to zero, since the directional coupler, formed in fact by symmetrical strip transmission lines with a face link, does not emit energy into free space.

Однако, приведенный способ беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты обладает недостатком. Согласно приведенному на фиг. 4 графике (Патент РФ № 2704602), значение коэффициента передачи энергии изменяется с изменением частоты генерируемого сигнала. При этом наблюдаются периодические максимумы коэффициента передачи энергии высокой частоты. И эти максимумы соответствуют частотам, кратным первой основной частоте, определяемой четвертью электрической длины соответствующей волны, которая равна физической длине микрополосковой линии передачи. При этом коэффициент передачи энергии в максимумах возрастает с ростом частоты сигнала до определенного предела, после чего увеличения коэффициента передачи энергии не происходит. Очевидно, что с дальнейшим увеличением частоты сигнала общий КПД системы будет падать, что обусловлено потерями энергии в ее генерирующих и выпрямительных цепях. Очевидно, что оптимальным числом кратности основной частоты системы, согласно фиг. 4, следует считать число 4. Кроме того, при изменении расстояния между микрополосковыми структурами в некоторых пределах вблизи ее рабочего положения, при котором КСВ первой микрополосковой линии передачи остается ниже некоторого заданного порогового значения, значение электрической длины микрополосковой линии передачи также изменяется в некоторых пределах. Этот факт очевиден в силу того, что изменяются в некоторых пределах характеристики полученного направленного ответвителя (его погонные емкости и индуктивности). Этот факт был подтвержден также в результате проведенного компьютерного моделирования и экспериментальных исследований (Shirokov I., Shirokova E., Azarov A. The Study of Operation of the System of Wireless Energy Transfer at Real Conditions. Proceedings of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), St. Petersburg and Moscow, Russia, January 27-30, 2020, P. 1306-1310. DOI: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039441). Следовательно, максимальный коэффициент передачи на фиксированной оптимальной рабочей частоте, может быть достигнут строго при определенном расстоянии между микрополосковыми структурами. При любом отклонении этого расстояния от этого значения коэффициент передачи энергии будет падать, поскольку будет изменяться электрическая длина волны в полосковой линии передачи, и будет изменяться частота максимума коэффициента передачи.However, the above method for wireless transmission of high frequency electrical energy has a drawback. As shown in FIG. 4 graph (RF Patent No. 2704602), the value of the energy transfer coefficient changes with a change in the frequency of the generated signal. In this case, periodic maxima of the high-frequency energy transfer coefficient are observed. And these maxima correspond to frequencies that are multiples of the first fundamental frequency, defined by a quarter of the electrical wavelength of the corresponding wave, which is equal to the physical length of the microstrip transmission line. In this case, the energy transfer coefficient at the maxima increases with increasing signal frequency up to a certain limit, after which the energy transfer coefficient does not increase. Obviously, with a further increase in the signal frequency, the overall efficiency of the system will decrease, which is due to energy losses in its generating and rectifying circuits. It is obvious that the optimal number of times the fundamental frequency of the system, according to FIG. 4, the number 4 should be considered 4. In addition, when the distance between the microstrip structures changes within certain limits near its operating position, at which the SWR of the first microstrip transmission line remains below a certain predetermined threshold value, the value of the electrical length of the microstrip transmission line also changes within certain limits. This fact is obvious due to the fact that the characteristics of the obtained directional coupler (its linear capacitance and inductance) vary within certain limits. This fact was also confirmed as a result of computer modeling and experimental research (Shirokov I., Shirokova E., Azarov A. The Study of Operation of the System of Wireless Energy Transfer at Real Conditions. Proceedings of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), St. Petersburg and Moscow, Russia, January 27-30, 2020, P. 1306-1310. DOI: 10.1109 / EIConRus49466.2020.9039441). Consequently, the maximum transmission coefficient at a fixed optimum operating frequency can be achieved strictly at a certain distance between the microstrip structures. Any deviation of this distance from this value will decrease the energy transfer coefficient, since the electrical wavelength in the strip transmission line will change, and the frequency of the maximum transfer coefficient will change.

Целью изобретения является обеспечение максимального коэффициента передачи энергии высокой частоты при изменении расстояния между микрополосковыми структурами в некоторых рабочих пределах.The aim of the invention is to provide the maximum power transmission coefficient of high frequency when changing the distance between microstrip structures within certain operating limits.

Указанная цель достигается тем, что по способу обеспечения максимального коэффициента передачи электрической энергии высокой частоты при изменении расстояния между микрополосковыми структурами в некоторых пределах, включающему первоначальное генерирование высокочастотных колебаний с настолько малым уровнем мощности, насколько такой уровень позволяет измерить коэффициент стоячей волны в линии передачи, которая представляет собой микрополосковую структуру, подачу этих колебаний через измеритель коэффициента стоячей волны на первый конец первой микрополосковой структуры определенной длины, второй конец которой замыкают на землю или оставляют свободным, сворачивание в спираль для экономии места первой микрополосковой структуры, приближение к первой микрополосковой структуре второй микрополосковой структуры такой же длины, второй конец которой также замыкают на землю или оставляют свободным, также сворачивание в спираль для экономии места второй микрополосковой структуры, зеркальное сворачивание в спираль второй микрополосковой структуры по отношению к сворачиванию в спираль первой микрополосковой структуры, приближение лицом второй микрополосковой структуры к первой микрополосковой структуре, организацию лицевой связи между двумя отдельными микрополосковыми структурами и, тем самым, преобразование двух отдельных микрополосковых структур в один направленный ответвитель с лицевой связью на симметричных полосковых линиях передачи, измерение коэффициента стоячей волны в первой микрополосковой структуре и оценивание его значения, задание некоторого порогового значения коэффициента стоячей волны, оставление уровня мощности первоначально генерируемых высокочастотных колебаний на том же настолько малом уровне, насколько такой уровень позволяет измерить коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой структуре, если значение измеренного коэффициента стоячей волны оказывается выше этого заданного порогового значения, установку максимального уровня мощности генерируемых высокочастотных колебаний, если значение измеренного коэффициента стоячей волны по мере приближения второй микрополосковой структуры к первой микрополосковой структуре падает ниже заданного порогового значения, и организуют, тем самым, эффективную беспроводную передачу энергии от генератора высокочастотных колебаний к нагрузке через две микрополосковые структуры или один направленный ответвитель с лицевой связью на симметричных полосковых линиях передачи с лицевой связью, с первого конца второй микрополосковой структуры снимают высокочастотные колебания, энергию которых используют далее по назначению, This goal is achieved by the fact that according to the method of ensuring the maximum transmission coefficient of high-frequency electrical energy when the distance between microstrip structures changes within certain limits, including the initial generation of high-frequency oscillations with as low a power level as this level allows you to measure the standing wave ratio in the transmission line, which represents a microstrip structure, the supply of these vibrations through a standing wave ratio meter to the first end of the first microstrip structure of a certain length, the second end of which is closed to the ground or left free, coiling into a spiral to save space of the first microstrip structure, approaching the first microstrip structure of the second microstrip structure of the same length, the other end of which is also grounded or left free, also coiled to save space for the second microstrip structure, mirror-like coiling the second microstrip structure with respect to coiling the first microstrip structure, bringing the face of the second microstrip structure closer to the first microstrip structure, organizing a face connection between two separate microstrip structures, and thereby converting two separate microstrip structures into one directional coupler with a face communication on symmetric strip transmission lines, measuring the standing wave ratio in the first microstrip structure and estimating its value, setting a certain threshold value of the standing wave ratio, leaving the power level of the initially generated high-frequency oscillations at the same as low level as this level allows you to measure the standing wave ratio in the first microstrip structure, if the value of the measured standing wave ratio is above this predetermined threshold value, setting the maximum power level of the generated high-frequency frequency fluctuations, if the value of the measured standing wave ratio, as the second microstrip structure approaches the first microstrip structure, falls below a predetermined threshold value, and thus efficient wireless energy transfer from the high-frequency oscillator to the load through two microstrip structures or one directional coupler with front-coupled on symmetrical strip transmission lines with front-link, high-frequency vibrations are removed from the first end of the second microstrip structure, the energy of which is used further for its intended purpose,

отличающийся тем, что characterized in that

первоначально частоту высокочастотных колебаний устанавливают равной ее среднему значению вблизи ее оптимального значения, установленного ранее по результатам моделирования или экспериментального измерения при некотором среднем рабочем расстоянии между микрополосковыми структурами, при этом измеряют и фиксируют коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой структуре, после чего изменяют частоту высокочастотных колебаний на некоторое значение в ту или иную сторону, уменьшения или увеличения, задавая тем самым определенный вектор изменения частоты, после чего вновь измеряют и фиксируют коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой структуре, после чего сравнивают полученные два значения коэффициента стоячей волны и если значение коэффициента стоячей волны, полученного первоначально, оказалось больше чем значение коэффициента стоячей волны, полученного после изменения частоты, то заданный первоначально вектор изменения частоты оставляют прежним и продолжают дальнейшее последовательное изменение частоты высокочастотных колебаний в том же направлении с тем же значением с очередным последовательным измерением коэффициента стоячей волны в первой микрополосковой структуре, если очередное изменение частоты высокочастотных колебаний приводит к увеличению коэффициента стоячей волны, то вектор изменения частоты меняют на противоположный и продолжают далее всю процедуру изменения частоты с последующим измерением коэффициента стоячей волны, в результате чего достигают постоянного знакопеременного изменения вектора изменения частоты высокочастотных колебаний, характеризующегося тем, что изменение частоты высокочастотных колебаний происходит вблизи значения, соответствующего максимуму коэффициента передачи энергии, причем, чем меньше задают изменение частоты высокочастотных колебаний, тем точнее устанавливают требуемое значение частоты и достигают большего значения коэффициента передачи энергии, но тем дольше осуществляют итерационный процесс выхода на оптимальную частоту системы для установленного расстояния между микрополосковыми структурами, причем при любом изменении этого расстояния между микрополосковыми структурами вновь автоматически запускают итерационный процесс и вновь получают оптимальную рабочую частоту системы, характеризующуюся максимумом коэффициента передачи энергии.initially, the frequency of high-frequency vibrations is set equal to its average value near its optimal value, previously established from the results of modeling or experimental measurement at a certain average working distance between the microstrip structures, while the standing wave ratio in the first microstrip structure is measured and recorded, after which the frequency of high-frequency vibrations is changed by a certain value in one direction or another, decrease or increase, thereby setting a certain vector of frequency change, after which the standing wave ratio is measured and fixed in the first microstrip structure, after which the two obtained values of the standing wave ratio are compared and if the value of the standing wave ratio is , obtained initially, turned out to be greater than the value of the standing wave ratio obtained after changing the frequency, then the initially specified vector of the frequency change is left unchanged and further subsequent a significant change in the frequency of high-frequency oscillations in the same direction with the same value with the next sequential measurement of the standing wave ratio in the first microstrip structure, if the next change in the frequency of high-frequency oscillations leads to an increase in the standing wave ratio, then the vector of frequency change is reversed and the whole procedure is continued further frequency changes with subsequent measurement of the standing wave ratio, as a result of which a constant alternating change in the vector of change in the frequency of high-frequency oscillations is achieved, characterized in that the change in the frequency of high-frequency oscillations occurs near the value corresponding to the maximum of the energy transfer coefficient, and, the less the change in the frequency of high-frequency oscillations is set, the more accurately the required frequency is set and the higher the energy transfer coefficient is achieved, but the longer the iterative process of reaching the optimal frequency is carried out systems for the set distance between the microstrip structures, and with any change in this distance between the microstrip structures, the iterative process is automatically started again and the optimum operating frequency of the system, characterized by the maximum power transfer coefficient, is again obtained.

Данные свойства предполагаемого изобретения являются новыми, поскольку для способа прототипа, в силу присущего ему недостатка, установка частоты была детерминирована. Она выбиралась по результатам моделирования и/или результатам экспериментальных исследований для строго определенного расстояния между микрополосковыми структурами по критерию получения максимума коэффициента передачи энергии. Любое отклонение этого расстояния в любую сторону приводит к уменьшению коэффициента передачи энергии.These properties of the proposed invention are new, since for the prototype method, due to its inherent drawback, the frequency setting was deterministic. It was chosen based on the results of modeling and / or the results of experimental studies for a strictly defined distance between microstrip structures according to the criterion for obtaining the maximum energy transfer coefficient. Any deviation of this distance in any direction leads to a decrease in the energy transfer coefficient.

Указанный способ обеспечения максимального коэффициента передачи электрической энергии высокой частоты при изменении расстояния между микрополосковыми структурами в некоторых пределах можно реализовать с помощью устройства, показанного на фиг. 1.The specified method for ensuring the maximum transmission coefficient of high frequency electrical energy when the distance between the microstrip structures changes within certain limits can be implemented using the device shown in FIG. one.

Устройство для обеспечения максимального коэффициента передачи электрической энергии высокой частоты при изменении расстояния между микрополосковыми структурами в некоторых пределах состоит из генератора высокочастотных колебаний 1, измерителя коэффициента стоячей волны 2, блока вычислений и управления 3, первой микрополосковой структуры 4, второй микрополосковой структуры 5, нагрузки 6.A device for ensuring the maximum transmission coefficient of high-frequency electrical energy when the distance between microstrip structures changes within certain limits consists of a high-frequency oscillator 1, a standing wave ratio meter 2, a computing and control unit 3, a first microstrip structure 4, a second microstrip structure 5, a load 6 ...

Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с высокочастотным входом измерителя коэффициента стоячей волны 2, высокочастотный выход которого соединен с первым выводом первой микрополосковой структуры 4, второй вывод которой закорочен на землю или оставлен свободным (как это показано на фиг. 1), при этом информационный выход измерителя коэффициента стоячей волны 2 соединен с входом блока вычислений и управления 3, первый выход которого соединен с входом управления мощностью P генератора высокочастотных колебаний 1, а второй выход которого соединен с входом управления частотой f генератора высокочастотных колебаний 1, при этом первый вывод второй микрополосковой структуры 5 соединен с нагрузкой 6, второй вывод которой закорочен на землю или оставлен свободным (как это показано на фиг. 1).The output of the high-frequency oscillator 1 is connected to the high-frequency input of the standing wave ratio meter 2, the high-frequency output of which is connected to the first terminal of the first microstrip structure 4, the second terminal of which is shorted to ground or left free (as shown in Fig. 1), while the information output the standing wave ratio meter 2 is connected to the input of the computing and control unit 3, the first output of which is connected to the power control input P of the high-frequency oscillator 1, and the second output of which is connected to the frequency control input f of the high-frequency oscillator 1, with the first output of the second microstrip structure 5 is connected to a load 6, the second terminal of which is shorted to ground or left free (as shown in Fig. 1).

Работает устройство для обеспечения максимального коэффициента передачи электрической энергии высокой частоты при изменении расстояния между микрополосковыми структурами в некоторых пределах следующим образом. The device operates to ensure the maximum transmission coefficient of high frequency electrical energy when the distance between microstrip structures changes within certain limits as follows.

С помощью генератора высокочастотных колебаний 1 первоначально генерируют высокочастотные колебания малой мощности. Эти высокочастотные колебания подают через измеритель коэффициента стоячей волны 2 на первый конец первой микрополосковой структуры 4 определенной длины. Длина микрополосковой структуры 4 определят рабочий диапазон частот системы беспроводной передачи энергии. Для экономии места микрополосковую линию передачи микрополосковой структуры 4 сворачивают в спираль. Второй конец первой микрополосковой структуры 4 замыкают на землю или оставляют свободным, что обеспечивает полное отражение от второго конца первой микрополосковой структуры 4 высокочастотных колебаний, распространяющихся от ее первого конца ко второму. При этом непроизводительные потери энергии в микрополосковой структуре и в ее нагрузке отсутствуют. При отсутствии второй микрополосковой структуры 5 вся энергия высокочастотного сигнала отражается от закороченного или свободного конца первой микрополосковой структуры 4 и возвращается к генератору высокочастотных колебаний 1 через измеритель коэффициента стоячей волны 2. Измеритель коэффициента стоячей волны 2 формирует на своем информационном выходе уровень напряжения, пропорциональный коэффициенту стоячей волны. Это напряжение сравнивают в блоке вычислений и управления 3 с некоторым пороговым уровнем, характеризующим пороговое значение коэффициента стоячей волны. При превышении этого напряжения на информационном выходе измерителя коэффициента стоячей волны 2 заданного порогового уровня блок вычислений и управления 3 формирует на своем первом выходе управления мощностью P соответствующий сигнал, который управляет мощностью генератора и оставляет генератор высокочастотных колебаний в режиме генерации сигналов малой мощности.Using the high-frequency oscillator 1, low-power high-frequency oscillations are initially generated. These high frequency vibrations are fed through the standing wave ratio meter 2 to the first end of the first microstrip structure 4 of a certain length. The length of the microstrip structure 4 will determine the operating frequency range of the wireless power transmission system. To save space, the microstrip transmission line of the microstrip structure 4 is coiled. The second end of the first microstrip structure 4 is shorted to ground or left free, which provides complete reflection from the second end of the first microstrip structure 4 of high frequency vibrations propagating from its first end to the second. At the same time, there are no unproductive energy losses in the microstrip structure and in its load. In the absence of the second microstrip structure 5, all the energy of the high-frequency signal is reflected from the short-circuited or free end of the first microstrip structure 4 and returns to the generator of high-frequency oscillations 1 through the standing wave ratio meter 2. The standing wave ratio meter 2 forms at its information output a voltage level proportional to the standing ratio waves. This voltage is compared in the computing and control unit 3 with a certain threshold level characterizing the threshold value of the standing wave ratio. When this voltage is exceeded at the information output of the standing wave ratio meter 2 of a predetermined threshold level, the computing and control unit 3 generates at its first power control output P a corresponding signal that controls the generator power and leaves the high-frequency oscillator in the low-power signal generation mode.

Далее к первой микрополосковой структуре 4 подносят вторую микрополосковую структуру 5 такой же длины. Второй конец второй микрополосковой структуры 5 также замыкают на землю или оставляют свободным. Вторая микрополосковая структура также для экономии места свернута в спираль, причем сворачивание в спираль второй микрополосковой структуры 5 осуществляют зеркально по отношению к сворачиванию в спираль первой микрополосковой структуры 4. Next, a second microstrip structure 5 of the same length is brought to the first microstrip structure 4. The second end of the second microstrip structure 5 is also grounded or left free. The second microstrip structure is also coiled in order to save space, and the coiling of the second microstrip structure 5 is carried out in a mirror image with respect to the coiling of the first microstrip structure 4.

При приближении второй микрополосковой структуры 5 к первой микрополосковой структуре 4 часть энергии высокочастотных колебаний перетекает из первой микрополосковой структуры 4 во вторую микрополосковую структуры 5. Далее высокочастотные колебания распространяются во второй микрополосковой структуре 5 от ее второго конца к первому концу, и энергия этих высокочастотных колебаний попадает в нагрузку 6. Другая часть энергии, которая не перетекла из первой микрополосковой структуры 4 во вторую микрополосковую структуру 5, распространяется в первой микрополосковой структуре 4 до ее второго конца, где высокочастотные колебания полностью отражаются и распространяются далее в первой микрополосковой структуре 4 от ее второго конца к первому. Часть энергии этих колебаний также перетекает во вторую микрополосковую структуру 5. Далее высокочастотные колебания распространяются от ее первого конца ко второму. Отразившись от закороченного или свободного второго конца второй микрополосковой структуры 5, высокочастотные колебания распространяются во второй микрополосковой структуре 5 и попадают в нагрузку 6, повышая тем самым коэффициент передачи энергии из первой микрополосковой структуры 4 во вторую микрополосковую структуру 5. When the second microstrip structure 5 approaches the first microstrip structure 4, part of the energy of high-frequency vibrations flows from the first microstrip structure 4 to the second microstrip structure 5. Further, high-frequency vibrations propagate in the second microstrip structure 5 from its second end to the first end, and the energy of these high-frequency vibrations enters into load 6. Another part of the energy, which did not flow from the first microstrip structure 4 to the second microstrip structure 5, propagates in the first microstrip structure 4 to its second end, where high-frequency vibrations are completely reflected and propagate further in the first microstrip structure 4 from its second end to the first. Part of the energy of these vibrations also flows into the second microstrip structure 5. Further, high-frequency vibrations propagate from its first end to the second. Reflecting from the short-circuited or free second end of the second microstrip structure 5, high-frequency vibrations propagate in the second microstrip structure 5 and enter the load 6, thereby increasing the coefficient of energy transfer from the first microstrip structure 4 to the second microstrip structure 5.

Процесс передачи высокочастотной энергии был промоделирован в пакете прикладных программ Microwave Office. Электромагнитная структура, составляющая две микрополосковые линии, объединенные в один направленный ответвитель, показана на фиг. 2 (2D изображение) и фиг. 3 (3D изображение). Расстояние между двумя микрополосковыми структурами было взято равным 10 мм. Результат моделирования процесса перетекания энергии показан на Фиг. 4.The RF power transmission process was simulated in the Microwave Office software package. An electromagnetic structure constituting two microstrip lines combined into one directional coupler is shown in FIG. 2 (2D image) and FIG. 3 (3D image). The distance between the two microstrip structures was taken equal to 10 mm. The result of the simulation of the energy transfer process is shown in FIG. 4.

Одна кривая, отмеченная квадратными маркерами, отображает изменение коэффициента передачи энергии сигнала S(2,1) от частоты колебаний в направленном ответвителе, образованном двумя микрополосковыми линиями передачи или микрополосковыми структурами, обращенными лицом друг к другу. Первый максимум наблюдается на частоте, которая характеризирует длину линии передачи, равную четверти длины волны высокочастотных колебаний в этой микрополосковой линии передачи. Коэффициент передачи энергии на этой частоте невелик. Зато уже при четвертом максимуме (четыре четверти длины волны) значение коэффициента передачи энергии сигнала S(2,1) достигает величины –0,88 дБ, что является совершенно приемлемым для организации процесса беспроводной передачи энергии от генератора высокочастотных колебаний 1 к нагрузке 6. One curve, marked with square markers, represents the change in the energy transfer coefficient of the signal S (2,1) versus the oscillation frequency in a directional coupler formed by two microstrip transmission lines or microstrip structures facing each other. The first maximum is observed at a frequency that characterizes the length of the transmission line, equal to a quarter of the wavelength of high-frequency oscillations in this microstrip transmission line. The energy transfer coefficient at this frequency is small. But already at the fourth maximum (four quarters of the wavelength) the value of the signal energy transfer coefficient S (2.1) reaches -0.88 dB, which is perfectly acceptable for organizing the process of wireless energy transfer from the high-frequency oscillation generator 1 to the load 6.

Другая кривая, отмеченная треугольными маркерами, отображает изменение коэффициента возвратных потерь энергии сигнала S(1,1) от частоты колебаний в первой микрополосковой структуре 4. Эта величина характеризует коэффициент стоячей волны высокочастотных колебаний в первой микрополосковой структуре 4. Совершенно очевидно, что эта кривая имеет обратный осциллирующий характер по отношению к первой кривой.Another curve, marked with triangular markers, represents the change in the signal energy return loss ratio S (1,1) versus the oscillation frequency in the first microstrip structure 4. This value characterizes the standing wave ratio of high-frequency oscillations in the first microstrip structure 4. It is quite obvious that this curve has inverse oscillating character with respect to the first curve.

На частоте четвертого максимума коэффициента передачи энергии высокочастотных колебаний возвратные потери опускаются ниже уровня –10 дБ, что соответствует снижению коэффициента стоячих волн ниже 2. Это значение коэффициента стоячих волн, например, можно принять как пороговое. При уменьшении уровня возвратных потерь ниже –10 дБ (снижении коэффициента стоячих волн ниже 2) блок вычислений и управления 3 формирует на своем первом выходе управления мощностью P сигнал, которым переводит генератор высокочастотных колебаний 1 в режим генерации сигнала максимальной мощности, обеспечивая тем самым эффективную передачу энергии высокочастотных колебаний от генератора высокочастотных колебаний 1 в нагрузку 6. Непроизводительные потери энергии высокочастотных колебаний сводятся при этом к минимуму. Поскольку передача энергии осуществляется в объединенном направленном ответвителе, реализованном по факту на симметричных полосковых линиях с лицевой связью, а не микрополосковых линиях, если рассматривать их в отдельности, то излучение высокочастотной энергии в свободное пространство практически полностью отсутствует.At the frequency of the fourth maximum of the energy transfer coefficient of high-frequency oscillations, the return loss falls below the level of –10 dB, which corresponds to a decrease in the standing wave ratio below 2. This value of the standing wave ratio, for example, can be taken as a threshold value. With a decrease in the level of return loss below –10 dB (a decrease in the standing wave ratio below 2), the computing and control unit 3 forms a signal at its first power control output P, which transfers the high-frequency oscillator 1 to the mode of generating a signal of maximum power, thereby ensuring efficient transmission energy of high-frequency oscillations from the generator of high-frequency oscillations 1 into the load 6. Unproductive losses of energy of high-frequency oscillations are reduced to a minimum. Since the transmission of energy is carried out in a combined directional coupler, implemented in fact on symmetrical strip lines with face-to-face coupling, and not on microstrip lines, when considered separately, there is practically no emission of high-frequency energy into free space.

При включении генератора высокочастотных колебаний 1 на максимальную мощность автоматически запускают итерационный процесс установки оптимальной рабочей частоты системы, которую определяют по критерию максимального коэффициента передачи энергии, что в точности соответствует минимальному значению коэффициента стоячей волны в первой микрополосковой структуре 4. При этом первоначально частоту высокочастотных колебаний устанавливают равной ее среднему значению вблизи ее оптимального значения, установленного ранее по результатам моделирования или экспериментального измерения при некотором среднем рабочем расстоянии между микрополосковыми структурами. Установку требуемой частоты осуществляют формированием соответствующего сигнала на втором выходе управления частотой f блока вычислений и управления 3. После этого измеряют и фиксируют коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой структуре 4.When the high-frequency oscillator 1 is turned on at maximum power, the iterative process of setting the optimal operating frequency of the system is automatically started, which is determined by the criterion of the maximum energy transfer coefficient, which exactly corresponds to the minimum value of the standing wave ratio in the first microstrip structure 4. In this case, the frequency of high-frequency oscillations is initially set equal to its average value near its optimal value established earlier from the results of modeling or experimental measurements at a certain average working distance between microstrip structures. The required frequency is set by forming a corresponding signal at the second frequency control output f of the calculating and control unit 3. After that, the standing wave ratio is measured and fixed in the first microstrip structure 4.

Далее блок вычислений и управления 3 на своем втором выходе управления частотой f формирует сигнал, с помощью которого изменяют частоту высокочастотных колебаний на некоторое значение в ту или иную сторону, уменьшения или увеличения, задавая тем самым определенный вектор изменения частоты. Далее вновь измеряют и фиксируют коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой структуре 4, после чего сравнивают полученные два значения коэффициента стоячей волны. Further, the block of calculations and control 3 at its second output of the frequency control f generates a signal with the help of which the frequency of high-frequency oscillations is changed by some value in one direction or another, decreasing or increasing, thereby setting a certain vector of frequency change. Next, the standing wave ratio is measured and recorded again in the first microstrip structure 4, after which the two obtained values of the standing wave ratio are compared.

Если значение коэффициента стоячей волны, полученного первоначально, оказалось больше, чем значение коэффициента стоячей волны, полученного после изменения частоты, то заданный первоначально вектор изменения частоты оставляют прежним. Таким образом, изменяют значение сигнала на втором выводе управления частотой f блока вычислений и управления 3 и продолжают дальнейшее последовательное изменение частоты высокочастотных колебаний в том же направлении с тем же значением изменения частоты с очередным последовательным измерением коэффициента стоячей волны в первой микрополосковой структуре 4. If the value of the standing wave ratio obtained initially turned out to be greater than the value of the standing wave ratio obtained after changing the frequency, then the initially set vector of the frequency change is left unchanged. Thus, the value of the signal at the second control terminal of the frequency f of the computing and control unit 3 is changed and further sequential change in the frequency of high-frequency oscillations in the same direction with the same frequency change value is continued with the next sequential measurement of the standing wave ratio in the first microstrip structure 4.

Если очередное изменение частоты высокочастотных колебаний приводит к увеличению коэффициента стоячей волны, которое фиксируют в блоке вычислений и управления 3, то вектор изменения частоты с помощью блока вычислений и управления 3 меняют на противоположный и продолжают далее всю процедуру изменения частоты с последующим измерением коэффициента стоячей волны. If the next change in the frequency of high-frequency oscillations leads to an increase in the standing wave ratio, which is recorded in the calculation and control unit 3, then the frequency change vector using the calculation and control unit 3 is reversed and the entire procedure for changing the frequency is continued with subsequent measurement of the standing wave ratio.

В результате достигают постоянного знакопеременного изменения вектора изменения частоты высокочастотных колебаний, характеризующегося тем, что изменение частоты высокочастотных колебаний происходит вблизи значения, соответствующего максимуму коэффициента передачи энергии. Чем меньше задают изменение частоты высокочастотных колебаний, тем точнее устанавливают требуемое значение частоты и достигают большего коэффициента передачи энергии. Вместе с тем в этом случае дольше осуществляется итерационный процесс выхода на оптимальную частоту системы для установленного расстояния между микрополосковыми структурами. При любом изменении этого расстояния между микрополосковыми структурами вновь автоматически запускают итерационный процесс и вновь получают оптимальную рабочую частоту системы, характеризующуюся максимумом коэффициента передачи энергии для нового расстояния между микрополосковыми структурами 4 и 5.As a result, a constant alternating change in the vector of change in the frequency of high-frequency oscillations is achieved, characterized in that the change in the frequency of high-frequency oscillations occurs near the value corresponding to the maximum of the energy transfer coefficient. The less the change in the frequency of high-frequency oscillations is set, the more accurately the required frequency value is set and a higher energy transfer coefficient is achieved. At the same time, in this case, the iterative process of reaching the optimum system frequency for the specified distance between the microstrip structures takes longer. With any change in this distance between the microstrip structures, the iterative process is automatically started again and the optimal operating frequency of the system is again obtained, characterized by the maximum energy transfer coefficient for the new distance between microstrip structures 4 and 5.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности эффективно, с минимальными потерями, передавать энергию сигнала генератора высокочастотных колебаний в нагрузку без проводов. При этом конструкция устройства, реализующего данный способ беспроводной передачи энергии предельно проста.The national economic effect from the use of the proposed invention is associated with the emergence of the possibility to effectively, with minimal losses, transfer the signal energy of the high-frequency oscillator to the load without wires. At the same time, the design of a device that implements this method of wireless power transmission is extremely simple.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с тем, что в процессе работы системы беспроводной передачи энергии ее рабочая частота выбирается оптимальной по критерию максимального коэффициента передачи энергии для установленного расстояния между микрополосковыми структурами системы. Любое изменение этого расстояния в пределах возможного рабочего диапазона запускает автоматически итерационный процесс установки частоты, направленный на то, чтобы коэффициент передачи энергии был бы максимальным. Another aspect of increasing the efficiency from the use of the proposed invention is related to the fact that during the operation of the wireless power transmission system, its operating frequency is selected optimal according to the criterion of the maximum power transfer coefficient for the specified distance between the microstrip structures of the system. Any change in this distance within the possible operating range starts an automatically iterative process of setting the frequency, aimed at ensuring that the power transfer ratio is maximized.

Claims

A method for ensuring the maximum transmission coefficient of high-frequency electrical energy when the distance between microstrip structures changes within certain limits, including the initial generation of high-frequency oscillations with as low a power level as this level allows to measure the standing wave ratio in a transmission line, which is a microstrip structure, supplying these oscillations through the meter of the standing wave ratio to the first end of the first microstrip structure of a certain length, the second end of which is shorted to the ground or left free, coiling into a spiral to save space of the first microstrip structure, approaching the first microstrip structure of the second microstrip structure of the same length, the second end of which also shorted to ground or left free, also coiling to save space for the second microstrip structure, mirror coiling of the second microstrip station handles with respect to coiling of the first microstrip structure, bringing the face of the second microstrip structure to the first microstrip structure, organizing a face connection between two separate microstrip structures and thereby converting two separate microstrip structures into one directional coupler with a face connection on symmetrical strip lines transmission, measuring the standing wave ratio in the first microstrip structure and evaluating its value, setting a certain threshold value of the standing wave ratio, leaving the power level of the initially generated high-frequency oscillations at the same level as low as this level allows measuring the standing wave ratio in the first microstrip structure, if the value of the measured standing wave ratio is higher than this predetermined threshold value, setting the maximum power level of the generated high frequency oscillations, if the value is measured standing wave ratio, as the second microstrip structure approaches the first microstrip structure, it falls below a predetermined threshold value, and thus, efficient wireless transmission of energy from the high-frequency oscillator to the load is organized through two microstrip structures or one directional coupler with face coupling on symmetric strip transmission lines with front communication, high-frequency vibrations are removed from the first end of the second microstrip structure, the energy of which is used further for its intended purpose,

characterized in that

initially, the frequency of high-frequency vibrations is set equal to its average value near its optimal value, previously established from the results of modeling or experimental measurement at a certain average working distance between the microstrip structures, while the standing wave ratio in the first microstrip structure is measured and recorded, after which the frequency of high-frequency vibrations is changed by some value in one direction or another, decrease or increase, thereby setting a certain vector of frequency change, after which the standing wave ratio in the first microstrip structure is measured and recorded again, after which the two obtained values of the standing wave ratio are compared, and if the value of the standing wave ratio wave, obtained initially, turned out to be larger than the value of the standing wave ratio obtained after changing the frequency, then the initially set vector of frequency change is left unchanged and further subsequent a significant change in the frequency of high-frequency oscillations in the same direction with the same value with the next sequential measurement of the standing wave ratio in the first microstrip structure, if the next change in the frequency of high-frequency oscillations leads to an increase in the standing wave ratio, then the vector of frequency change is reversed and the whole procedure is continued further frequency changes followed by measuring the standing wave ratio, as a result of which a constant alternating change in the vector of change in the frequency of high-frequency oscillations is achieved, characterized in that the change in the frequency of high-frequency oscillations occurs near the value corresponding to the maximum of the energy transfer coefficient, and the less the change in the frequency of high-frequency oscillations is set, the the more accurately the required frequency is set and the higher the energy transfer coefficient is achieved, but the longer the iterative process of reaching the optimal frequency is carried out systems for the set distance between the microstrip structures, and with any change in this distance between the microstrip structures, the iterative process is automatically started again and the optimum operating frequency of the system, characterized by the maximum power transfer coefficient, is again obtained.