一種中距離無線能量傳輸柱面螺旋電小天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及無線能量傳輸天線領(lǐng)域，特別涉及一種中距離無線能量傳輸柱面螺旋電小天線。
【背景技術(shù)】
[0002]無線能量傳輸是利用近場傳輸能量，包括短距離與中距離傳輸。短距離傳輸基于變壓器原理的電磁感應(yīng)定律，目前技術(shù)已經(jīng)成熟。2007年美國麻省理工大學(xué)基于耦合模理論磁耦合諧振技術(shù)給中距離無線能量傳輸給帶來驚喜:當(dāng)兩個(gè)線圈諧振頻率相同的情況下(ω? = ω2)，電場被限制在外加集總電容中，磁場分布在線圈周圍空間，兩個(gè)線圈的磁場處在強(qiáng)耦合諧振狀態(tài)，此時(shí)，諧振初級線圈不斷從激勵(lì)源中抽取能量，通過強(qiáng)耦合諧振方式傳遞給諧振次級線圈，兩個(gè)線圈間建立起一個(gè)穩(wěn)定的能量傳輸通道。兩線圈的品質(zhì)因子越大，即儲存的電抗能量/輻射及歐姆損耗比率越大，線圈周圍空間儲存磁場能量越高，輻射、歐姆損耗越小，兩線圈無線能量傳輸效率越高。能量傳輸效率與工作距離(初、次級線圈的間距)函數(shù)關(guān)系經(jīng)歷三個(gè)不同區(qū)域:第一個(gè)是高效率能量傳輸區(qū)域，這是感興趣的耦合模距離；第二個(gè)區(qū)域能量傳輸效率以Ι/r4衰減，第三個(gè)區(qū)域是遠(yuǎn)場自由空間，能量傳輸效率以Ι/r2衰減。目前基于耦合模理論的中距離無線能量傳輸存在如下問題:(I)距離-效率問題。耦合模距離太短，超過耦合模距離，效率下降很快，當(dāng)距離大于2倍天線尺寸時(shí)，傳輸效率低于50%。所以中距離傳輸再次限入低谷。(2)大尺寸問題。為了有效中距離無線能量傳輸，需大范圍近場，近場距離⑷與工作波長(λ)的關(guān)系:d = 2π/λ，所以，工作頻率應(yīng)該盡可能低。近來，近場無線能量及數(shù)據(jù)傳輸工作頻段:或者低頻LF 30 - 300 kHz或高頻HF3-30MHZ。無論如何在幾百kHz要獲得小體積是困難的，且因長度很長需要很長仿真時(shí)間，這就是低頻方法至今沒有采用的原因，選擇工作頻率幾個(gè)兆赫茲高頻，較kHz頻率諧振線長度減小，耦合強(qiáng)度增加，但還是存在尺寸很大，需要長時(shí)間仿真。
[0003]Jaechun Lee和Sangwook Nam在2010年提出基于球形模理論電小天線中距離無線能量傳輸技術(shù):(I)無線能量傳輸效率是發(fā)射/接受電小天線單獨(dú)工作時(shí)的輻射效率、工作距離、工作頻率的函數(shù)。(2)當(dāng)工作距離、工作頻率一定，只有達(dá)到一定輻射效率的電小天線才會高傳輸效率，且輻射效率越高，發(fā)射天線與接受天線之間的近場越強(qiáng)，能量傳輸效率越大。(3)為了高效率能量傳輸，電小天線必須滿足的輻射效率值與工作頻率有關(guān)，低的頻率要求滿足的輻射效率低些。(4)當(dāng)工作距離、電小天線輻射效率一定時(shí)，頻率越低，近場范圍越大，能量傳輸效率距離越遠(yuǎn)。然而據(jù)專利作者知識，至今沒有切實(shí)可行的仿真或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，且研宄的文獻(xiàn)也很少。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型提供一種中距離無線能量傳輸柱面螺旋電小天線。
[0005]本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種中距離無線能量傳輸柱面螺旋電小天線，包括兩根銅線，所述兩根銅線相間繞成柱面螺旋線結(jié)構(gòu)，所述柱面螺旋線結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積填充滿磁性材料，所述在兩根銅線的起始?而及終點(diǎn)立而加載嘲機(jī)帽。
[0007]所述兩根銅線的結(jié)構(gòu)長度相同，兩根銅線長度均為12.56米。
[0008]所述柱面螺旋線結(jié)構(gòu)的螺旋線繞有10圈，所述柱面螺旋線結(jié)構(gòu)的直徑為40厘米，尚30厘米。
[0009]所述喇叭帽的材料為銅，具體個(gè)數(shù)為4個(gè)，分別加載在兩根銅線的起始端及兩根銅線的終點(diǎn)端，加載在兩根銅線起始端的兩個(gè)喇叭帽的喇叭口朝上，加載在兩根銅線終點(diǎn)端的兩個(gè)喇叭帽的喇叭口朝下。
[0010]所述喇叭帽的喇叭口開口直徑40厘米，喇叭帽深度10厘米。
[0011]所述磁性材料為鐵氧體，相對磁導(dǎo)率為1000。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果:
[0013](I)采用一臂激勵(lì)，另一臂產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成雙臂輻射，提高輻射面積，進(jìn)而提高輻射效率。
[0014](2)簡單結(jié)構(gòu)具有多功能性。首先，對于加載的喇叭帽:兩端加載喇叭帽的柱面螺旋線對線長度改變非常敏感，稍微減小線長度，諧振頻率會劇烈下降，形成低頻非常電小天線，進(jìn)而延伸近場距離。喇叭帽大幅度增加輻射面積，從而提高輻射效率，同時(shí)，發(fā)射/接受天線帽間形成極強(qiáng)的電場耦合。所以喇叭帽能大幅度提高高效率無線能量傳輸?shù)木嚯x。其次，高磁導(dǎo)率填充，增加了線圈電感，從而大幅度降低頻率。同時(shí)，高磁導(dǎo)率材料產(chǎn)生磁極化電流，降低電場儲存能量，即降低品質(zhì)因子Q，因而增加輻射能量，增加輻射效率。所以高磁導(dǎo)率填充螺旋線內(nèi)部空間能大幅度提高高效率無線能量傳輸?shù)木嚯x。
[0015](3)本實(shí)用新型作為發(fā)射球形天線及接受天線時(shí)，饋電端口位于發(fā)射球形天線其中一輻射臂中點(diǎn)，接受50歐負(fù)載位于接受球形天線其中一臂中點(diǎn)接，避免能量反射，饋電與負(fù)載的這種位置有利于阻抗匹配。
【附圖說明】
[0016]圖1是一臂柱面螺旋單極子天線；
[0017]圖2是二臂柱面螺旋單極子天線；
[0018]圖3是本實(shí)用新型二臂兩端加載喇叭帽的柱面螺旋線單極子，內(nèi)部體積無磁材料填充結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本實(shí)用新型一種中距離無線能量傳輸柱面螺旋電小天線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖5是本實(shí)用新型實(shí)例能量傳輸效率(縱坐標(biāo)PTE)與工作頻率(f)曲線數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0022]實(shí)施例
[0023]一種中距離無線能量傳輸柱面螺旋電小天線，包括兩根銅線，所述兩根銅線相間繞成柱面螺旋線結(jié)構(gòu)2，每根銅線的起始端及終點(diǎn)端分別加載喇叭帽3，形成二臂柱面螺旋線兩端喇叭加載的單極子非常電小天線，柱面螺旋線結(jié)構(gòu)2內(nèi)部體積填充滿高磁導(dǎo)率的磁性材料4，兩根銅線的起始端及終點(diǎn)端分別加載喇叭帽，本天線可以作為無線能量傳輸發(fā)射天線或無線能量傳輸接受天線，同時(shí)獲得高效率的中距離無線能量傳輸。
[0024]本實(shí)施例中，兩根銅線的結(jié)構(gòu)長度完全相同，兩根銅線的長度均為12.56米，兩根銅線相間繞成