邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，包括：諧振單元，由多個相分離的電容加載導體環(huán)依次嵌套而成，每一電容加載導體環(huán)包括相連接的一導體環(huán)和一加載電容，加載電容可使多個相分離的電容加載導體環(huán)具有相同或相近的固有諧振頻率，進而可使多個相分離的電容加載導體環(huán)工作時實現共振，其中，多個相分離的電容加載導體環(huán)嵌套設置在最大直徑電容加載導體環(huán)的毗鄰區(qū)內；和驅動單元環(huán)，位于諧振單元內，驅動單元環(huán)的直徑小于各電容加載導體環(huán)的直徑，且與功率源相連接并與各電容加載導體環(huán)相分離。通過本發(fā)明的技術方案，可以大大提高空間利用率和諧振器的品質因數，打破諧振器的關鍵參數對性能的制約，提高功率傳輸效率。
【專利說明】邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子元器件【技術領域】，具體而言，涉及一種應用在無線功率傳輸技術 中的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器。
【背景技術】
[0002] 如今，筆記本電腦、手機、平板電腦和嵌入式設備等高便攜性電子設備在我們的日 常生活中扮演著越來越重要的角色，這些電子設備及配件的供電高度依賴電池，盡管亞微 米級加工技術的進步已使低功耗電子設備獲得了快速持續(xù)發(fā)展，但是這些便攜電子設備的 功能也在日益增加，使得總體能源消耗難以下降，便攜電子設備往往因為電池供電不夠持 久而很難發(fā)揮出全部潛能，其便利性也因頻繁充電或更換電池而大打折扣。此外，對于那些 不能接有線充電器的設備來說，比如生物醫(yī)學領域的人體植入設備，其電池的更換需要通 過外科手術來實現，而通過無線可充電電源可以使病人尤其是老年人避免進行這種危險性 較高的外科手術。同時，由于人體和日常生活中廣泛使用的各種材料與電場有較強的相互 作用，而與磁場只有微弱的相互作用，這使得采用磁耦合技術的無線功率傳輸系統對人體 的安全性較高，而對設備正常工作的環(huán)境要求比較低，因此，采用磁耦合技術的無線功率傳 輸系統成為了近年的研究熱點。
[0003] 磁耦合技術的無線功率傳輸分為兩類，非諧振的磁耦合無線功率傳輸技術和諧振 的磁耦合無線功率傳輸技術。非諧振的磁耦合無線功率傳輸技術具有安全、低成本、中低功 率和短距離（通常小于0.1倍的諧振器的直徑）的特點，傳輸距離的限制使得非諧振的磁 耦合無線功率傳輸技術的應用領域頗為受限。諧振的磁耦合無線功率傳輸技術通過使用高 Q值的諧振器，使無線功率傳輸距離達到2到3倍諧振器的直徑，大大超過了采用非諧振的 磁耦合無線功率傳輸技術的設備的傳輸距離，從而實現了對多個移動目標進行大范圍、多 角度、高效率和較低成本的安全供電。
[0004] 諧振器的性能在諧振的磁耦合無線功率傳輸技術中至關重要。非用于無線功率傳 輸領域的諧振器多為封閉結構，諧振器之間的耦合需通過一些技術手段進行抑制，這類諧 振器的品質因數，即Q值為最重要的技術指標。用于無線功率傳輸的諧振器位于開放空間， 通過諧振器之間的耦合傳遞能量，因此諧振器間的耦合系數需要通過一些技術手段進行增 強和優(yōu)化。磁耦合諧振式無線功率傳輸設備的效率由諧振器間的耦合系數與諧振器的Q值 的積及諧振器共振頻率決定，因此耦合系數與Q值同為無線功率傳輸系統最重要的技術指 標。
[0005] 諧振的磁耦合無線功率傳輸技術是基于高Q值高耦合系數的諧振器實現的。被廣 泛用于磁耦合無線功率傳輸技術的三維螺旋線圈諧振器是高Q值諧振器的一個最典型的 代表。其線圈依靠各匝導線之間的分布電容與分布電感的相互作用來實現共振，比如MIT 相關科研人員在《Science》刊登的文章中的0. 6m直徑的等距離螺旋諧振器。三維線圈的 耦合系數主要取決于線圈匝數和線圈直徑；同時其諧振頻率主要取決于直徑、匝數和線圈 節(jié)距；線圈的導體損耗由導線的材料、長度和直徑決定；而線圈的輻射損耗由直徑決定。通 過研究可以發(fā)現這種諧振器的線圈節(jié)距對諧振頻率的影響較強而對耦合系數的影響較弱， 這意味著調整三維線圈的節(jié)距來控制諧振頻率，同時幾乎不影響無線功率傳輸中三維線圈 的耦合系數和Q值兩個關鍵參數。因此，三維螺旋線圈諧振器實現了高耦合系數和高Q值 從而作為核心部件被廣泛應用在中距離無線功率傳輸系統中。這種諧振器最大的問題是其 所占空間較大，尤其在中遠距離的無線功率傳輸系統中，過于龐大的三維螺旋線圈諧振器 直接導致了無線功率傳輸設備難以商用。因此越來越多的研究人員把目光投向了二維平面 諧振器的研制工作，目前的二維螺旋諧振器主要有平面螺旋諧振器和電容加載環(huán)諧振器兩 種。
[0006] 平面螺旋諧振器是一種在二維平面中實現的較高Q值諧振器，其各匝線圈具有不 同的半徑。由于平面空間的局限性，導致平面線圈的節(jié)距對耦合系數影響很大，這一點與三 維螺旋線圈有很大不同。由于在最佳頻率條件下不能使耦合系數和Q值同時達到最優(yōu)，并 且沿導線正弦分布的電流更靠近諧振器的中軸線，進一步降低了二維線圈的電感。這些原 因造成了二維線圈能達到的耦合系數和Q值要比三維線圈要低很多。
[0007] 平面電容加載環(huán)諧振器是另一種在二維平面中實現的較高Q值諧振器，其是由單 導體環(huán)端接低損耗電容實現諧振，可以在給定諧振器直徑的條件下，通過采用恰當電容達 到最佳諧振頻率，但由于單導體環(huán)并未充分利用二維平面空間，自感和互感都較低，從而使 得耦合系數和Q值要比三維諧振器低很多。
[0008] 以上兩種平面諧振器的功率傳輸效率在傳輸距離等于兩倍諧振器直徑處遠遠低 于相應的三維螺旋諧振器，形成了諧振的磁耦合無線功率傳輸技術的一個瓶頸。
[0009] 因此，需要一種新的技術方案，可以解決三維諧振器體積過大和傳統二維諧振器 效率低下的技術難題，打破諧振器的關鍵參數對性能的制約，從而提高傳輸功率，優(yōu)化諧振 器的性能。
【發(fā)明內容】
[0010] 本發(fā)明正是基于上述問題，提出了一種新的技術方案，可以解決三維諧振器體積 過大和傳統二維諧振器效率低下的技術難題，打破諧振器的關鍵參數對性能的制約，從而 提高無線功率傳輸效率，優(yōu)化諧振器的性能。
[0011] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，包括：諧振單元， 所述諧振單元由多個相分離的電容加載導體環(huán)依次嵌套而成，每一所述電容加載導體環(huán)包 括相連接的一導體環(huán)和一加載電容，所述加載電容可使多各個相分離的所述電容加載導體 環(huán)具有相同或相近的固有諧振頻率，進而可使多各個相分離的所述電容加載導體環(huán)工作時 實現共振，其中，所述多個相分離的電容加載導體環(huán)中除去最大直徑電容加載導體環(huán)外，存 在其他多個電容加載導體環(huán)嵌套設置在所述最大直徑電容加載導體環(huán)的毗鄰區(qū)內，所述毗 鄰區(qū)為靠近所述最大直徑電容加載導體環(huán)內側方向且徑向為所述最大直徑電容加載導體 環(huán)直徑的0. 68倍至1倍、在與所述最大直徑電容加載環(huán)的環(huán)面垂直方向且為環(huán)面兩側的 到環(huán)面距離切向為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的0倍至1. 5倍的區(qū)域；和驅動單元 環(huán)，位于所述諧振單元內，所述驅動單元環(huán)的直徑小于所述各電容加載導體環(huán)的直徑，且所 述驅動單元環(huán)與功率源相連接并與所述各電容加載導體環(huán)相分離。
[0012] 在該技術方案中，諧振器內各電容加載導體環(huán)是否位于所述最大電容加載導體環(huán) 的特殊毗鄰區(qū)內決定了電容加載導體環(huán)能否有效提升諧振器的功率傳輸效率。共振工作的 多環(huán)諧振器，相對于只有其中一個電容加載環(huán)的單環(huán)諧振器，有更大的金屬表面積從而能 有效降低導體損耗，從而提高諧振器的Q值。然而諧振器中的電容加載導體環(huán)按直徑大小 相互嵌套時，會使電流分布向環(huán)中心靠近，從而降低了諧振器間的耦合系數。因此諧振器的 最大電容加載導體環(huán)有一個特殊的毗鄰區(qū)，在該區(qū)域增加電容加載導體環(huán)的個數使諧振器 的Q值提高得較多而使耦合系數降低得較少，從而耦合系數與Q值的積是增加的，最終使得 諧振器間的無線功率傳輸效率得到提升。本發(fā)明通過在毗鄰區(qū)內在最大電容加載導體環(huán)邊 緣密集嵌套多個共振的電容加載導體環(huán)，極大程度提高無線功率傳輸系統的無線功率傳輸 效率，同時相對單環(huán)諧振器不會明顯增加諧振器的體積。通過合理安排各電容加載導體環(huán) 的直徑，可以使各電容加載導體環(huán)及中心驅動單元環(huán)相互嵌套在一個平面上，實現諧振器 的平面化。
[0013] 其中，各電容加載導體環(huán)共振工作，即只要有電容加載導體環(huán)工作，所有電容加載 導體環(huán)全部工作，且各電容加載導體環(huán)諧振在相同的頻率
[0014] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述毗鄰區(qū)為靠近所述最大直徑電容加載導體環(huán)內 側方向且徑向為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的0.68倍至1倍、切向為所述最大直徑 電容加載導體環(huán)直徑的〇倍至〇. 25倍的區(qū)域。
[0015] 毗鄰區(qū)邊界可以通過僅有兩個電容加載導體環(huán)的諧振器間的無線功率傳輸效率 的仿真確定。可以得到毗鄰區(qū)在諧振器最大電容加載導體環(huán)所在平面的截面為環(huán)型，環(huán)的 寬度約為〇. 16倍最大環(huán)的直徑。同時可以得到能夠提升無線功率傳輸效率的嵌套區(qū)域在 與諧振器最大環(huán)垂直且通過環(huán)中心的平面內的截面近似為半橢圓，其短軸為0. 16倍最大 加載環(huán)直徑，長軸為〇. 68倍最大加載環(huán)直徑。由于減小各電容加載導體環(huán)的距離可以增大 電容加載導體環(huán)間的非諧振耦合，從而降低對加載電容精度的要求，從而可使用實際可以 得到的具有一定容差的電容實現；同時為了相對于傳統諧振器具有體積上的優(yōu)勢，本發(fā)明 的諧振器中的各嵌套環(huán)的中心距離需得到控制。因此毗鄰區(qū)選擇在上述半橢圓區(qū)域中到短 軸距離小于〇. 25倍最大加載環(huán)直徑的區(qū)域。
[0016] 采用多個相分離的電容加載導體環(huán)密集嵌套于諧振器中最大電容加載導體環(huán)的 特殊毗鄰區(qū)，可以有效降低諧振器導體損耗從而提高諧振器的品質因數（Q值），同時諧振 器間的耦合系數下降較少，總體效果是提升了諧振器無線功率傳輸的效率。諧振器的Q值 的提高除了可以通過增加嵌套環(huán)的個數降低導體損耗來實現，還需要對諧振頻率進行優(yōu) 化。隨著諧振頻率的提高，導體環(huán)的輻射損耗會快速增大，從而使諧振器的Q值下降。如果 給定諧振器中各諧振單元的直徑，有存在一個最優(yōu)的諧振頻率，使諧振器的無線功率傳輸 效率最高。諧振頻率高于最優(yōu)諧振頻率繼續(xù)增加，會使輻射損耗明顯增加。
[0017] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個相分離的所述電容加載導體環(huán)中的各個所述加 載電容中任意兩個加載電容與所述邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的中心連線的夾角均 小于90度，每個所述電容加載導體環(huán)中的導體環(huán)僅有一圈，且所述加載電容與與其相連接 的所述導體環(huán)位于同一平面內。
[0018] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述最大直徑電容加載導體環(huán)與位于所述毗鄰區(qū)中 的其他多個所述電容加載導體環(huán)的表面積總和，占所有邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的 表面積的2/3以上。
[0019] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個所述電容加載導體環(huán)的共振頻率與所述最大直 徑電容加載導體環(huán)的直徑之積小于2xl0 7m . Hz。
[0020] 在該技術方案中，為有效控制輻射損耗，所述電容加載導體環(huán)的共振頻率與所述 最大直徑電容加載導體環(huán)的直徑之積小于2xl0 7m . Hz。由于每一個電容加載導體環(huán)都由 一個導體環(huán)和一個加載電容組成，可以利用集總電容來調節(jié)諧振頻率，使各電容加載導體 環(huán)有幾乎相同的自諧振頻率的同時將諧振器的諧振頻率調整至最優(yōu)值。由于在這個過程中 不會改變諧振器間的耦合系數，打破了諧振器關鍵參數對其性能的制約，同時實現了諧振 器的高品質因數、高耦合系數和遠小于傳統三維諧振器的體積。
[0021] 一般地，為多個具有較高Q值的獨立的導體環(huán)加載不同大小的電容以實現相同的 諧振頻率從工業(yè)角度來看是不可能的，因為商用的低損耗電容都有1% -5%的容差，而高 精度的電容很難獲得，并且價格昂貴，而本技術方案采用近距離嵌套的方法實現共振，通過 增大嵌套環(huán)之間的非諧振耦合，大大降低了對加載的低損耗電容的電容值精度的要求，普 通商用的具有1%容差的低損耗電容已經可以很好的應用在本發(fā)明的諧振器中，相對采用 更高精度電容加載的情形僅有輕微的性能損失。近距離嵌套的方法通過共同的磁鏈將各自 獨立的電容加載導體環(huán)聯系起來，使得環(huán)與環(huán)之間耦合得非常強烈，從而形成一定的并聯 關系，這意味著即使加載電容不能使每個環(huán)剛好諧振在完全相同頻率或是比較接近的頻 率，非諧振耦合依然能將它們聯合起來產生唯一的諧振頻率。由于諧振耦合在諧振中依然 扮演著重要的角色，當每個環(huán)的諧振頻率與其它環(huán)非常接近時，諧振器的諧振將達到最高 水平，功率傳輸也達到最高效率。
[0022] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個相分離的所述電容加載導體環(huán)中每個所述電容 加載導體環(huán)與其他所述電容加載導體環(huán)具有不同的等效串聯電感。
[0023] 在該技術方案中，優(yōu)選地，邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器中的每個導體環(huán)的直 徑不同，且位于諧振器的不同位置，因此每個導體環(huán)有不同的等效串聯電感。
[0024] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，每個所述電容加載導體環(huán)采用不同直徑，多個所述電 容加載導體環(huán)具有共同的圓心并位于同一平面內。
[0025] 在該技術方案中，優(yōu)選地，多個分離的電容加載導體環(huán)共平面且共圓心，同時直徑 各不相同，通過采用近距離平面嵌套的方法來實現多重諧振，增大了嵌套環(huán)之間的非諧振 耦合，從而大大降低了對加載的低損耗電容的電容值的精度要求。同時最大限度地利用了 諧振器所占據的二維空間，相對于傳統的單電容加載導體環(huán)諧振器而言顯著提升了品質因 數，從而做到更遠距離的能量傳輸。
[0026] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，任意兩個所述電容加載導體環(huán)上加載電容間的位置 在空間上的距離，小于其中一個所述電容加載導體環(huán)上的所述導體環(huán)到對應的所述加載電 容最遠的位置和其中另一個所述電容加載導體環(huán)上的所述導體環(huán)到對應的所述加載電容 最遠的位置在空間上的距離。
[0027] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述驅動單元環(huán)上設置有端口輸出阻抗，所述端口輸 出阻抗與所述加載電容對應設置。
[0028] 在該技術方案中，驅動單元的端口輸出阻抗可以取50歐姆，當然，還可以是除此 之外的其他值。
[0029] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述導體環(huán)由截面為圓形的導線、薄金屬帶或其他截 面形狀的導線繞制而成。
[0030] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器位于自由空間 中，或位于印刷電路板上。
[0031] 在該技術方案中，所述電容加載導體環(huán)可以是自由空間中的電容加載導體環(huán)，其 中，所述自由空間中的導體環(huán)可由截面為圓形或其他截面形狀的導線繞制而成，亦可由薄 金屬帶繞制而成。所述電容加載導體環(huán)也可以是印刷電路板（PCB)上的電容加載的帶狀導 體環(huán)。對于PCB板上印刷的一般的平面螺旋諧振器，當使用損耗較大的介質基板時，比如基 板FR4,功率傳輸效率會大大降低，而對于具有印刷電容加載導體環(huán)的諧振器，通過采用嵌 套結構和低損耗電容加載，絕大部分的電能存儲在比使用的介質基板的介質損耗因數小很 多的陶瓷電容器中，這意味著即使FR4被用作介質基板，邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器 依然能接近處于自由空間時的性能，使功率傳輸效率不用受到介質基板類型的制約。另外， 印刷電路具有穩(wěn)定、廉價、體積小等許多優(yōu)勢，用PCB印刷技術實現本發(fā)明的邊緣密集嵌套 電容加載環(huán)諧振器，有利于減小諧振器占用的空間，節(jié)省成本并便于系統集成。
[0032] 通過以上技術方案，可以解決三維諧振器體積過大和傳統二維諧振器效率低下的 技術難題，采用多導體環(huán)邊緣嵌套及電容加載結構，打破了諧振器的耦合系數、品質因數及 諧振頻率對性能的制約，從而使功率傳輸效率大幅度提高，優(yōu)化了諧振器的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033] 圖1示出了根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的框圖；
[0034] 圖2示出了根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的結構示意 圖；
[0035] 圖3示出了根據本發(fā)明的實施例的印刷嵌套電容加載環(huán)諧振器的結構示意圖；
[0036] 圖4A和圖4B示出了根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的毗 鄰區(qū)的截面示意圖，其中，圖4A為與最大電容加載導體環(huán)相垂直且通過環(huán)中心的截面示意 圖，圖4B為與最大電容加載導體環(huán)相平行且通過環(huán)中心的截面示意圖。
[0037] 附圖1至附圖4B中標號和部件的對應關系為：
[0038] 100邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，102諧振單元，104驅動單元，200邊緣密集 嵌套電容加載環(huán)諧振器，202低損耗電容，204電容加載導體環(huán)，206中心圓環(huán)，208端口，300 印刷嵌套電容加載環(huán)諧振器，302低損耗電容，304電容加載導體環(huán)，306中心圓環(huán)，308端 口，402最大直徑電容加載導體環(huán)，404毗鄰區(qū)。
【具體實施方式】
[0039] 為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施 例及實施例中的特征可以相互組合。
[0040] 在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可 以采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發(fā)明的保護范圍并不受下面公開 的具體實施例的限制。
[0041] 圖1示出了根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的框圖。
[0042] 如圖1所示，根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器100包括：諧 振單元102,所述諧振單元102由多個相分離的電容加載導體環(huán)依次嵌套而成，每一所述電 容加載導體環(huán)包括相連接的一導體環(huán)和一加載電容，所述加載電容可使多個相分離的所述 電容加載導體環(huán)具有相同或相近的固有諧振頻率，進而可使多個相分離的所述電容加載導 體環(huán)工作時實現共振，其中，所述多個相分離的電容加載導體環(huán)嵌套設置在最大直徑電容 加載導體環(huán)的毗鄰區(qū)內，所述毗鄰區(qū)為靠近所述最大直徑電容加載導體環(huán)內側方向且徑向 為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的0. 68倍至1倍、在與所述最大直徑電容加載環(huán)的環(huán) 面垂直方向且為環(huán)面兩側的到環(huán)面距離為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的〇倍至1. 5 倍的區(qū)域；和驅動單元環(huán)104,所述驅動單元環(huán)104位于所述諧振單元102內，并與多個相 分離的所述電容加載導體環(huán)具有共同的圓心并位于同一平面內，且所述驅動單元環(huán)與功率 源相連接并與所述諧振單元102相分離。
[0043] 在該技術方案中，諧振器內各電容加載導體環(huán)是否位于所述最大電容加載導體環(huán) 的特殊毗鄰區(qū)內決定了電容加載導體環(huán)能否有效提升諧振器的功率傳輸效率。共振工作的 多環(huán)諧振器，相對于只有其中一個電容加載環(huán)的單環(huán)諧振器，有更大的金屬表面積從而能 有效降低導體損耗，從而提高諧振器的Q值。然而諧振器中的電容加載導體環(huán)按直徑大小 相互嵌套時，會使電流分布向環(huán)中心靠近，從而降低了諧振器間的耦合系數。因此諧振器的 最大電容加載導體環(huán)有一個特殊的毗鄰區(qū)，在該區(qū)域增加電容加載導體環(huán)的個數使諧振器 的Q值提高得較多而使耦合系數降低得較少，從而耦合系數與Q值的積是增加的，最終使得 諧振器間的無線功率傳輸效率得到提升。本發(fā)明通過在毗鄰區(qū)內在最大電容加載導體環(huán)邊 緣密集嵌套多個共振的電容加載導體環(huán)，極大程度提高無線功率傳輸系統的無線功率傳輸 效率，同時相對單環(huán)諧振器不會明顯增加諧振器的體積。通過合理安排各電容加載導體環(huán) 的直徑，可以使各電容加載導體環(huán)及中心驅動單元環(huán)相互嵌套在一個平面上，實現諧振器 的平面化。
[0044] 其中，各電容加載導體環(huán)共振工作，即只要有電容加載導體環(huán)工作，所有電容加載 導體環(huán)全部工作，且各電容加載導體環(huán)諧振在相同的頻率
[0045] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述毗鄰區(qū)為靠近所述最大直徑電容加載導體環(huán)內 側方向且徑向為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的0.68倍至1倍、切向為所述最大直徑 電容加載導體環(huán)直徑的〇倍至〇. 25倍的區(qū)域。
[0046] 毗鄰區(qū)邊界可以通過僅有兩個電容加載導體環(huán)的諧振器間的無線功率傳輸效率 的仿真確定?？梢缘玫脚弲^(qū)在諧振器最大電容加載導體環(huán)所在平面的截面為環(huán)型，環(huán)的 寬度約為〇. 16倍最大環(huán)的直徑。同時可以得到能夠提升無線功率傳輸效率的嵌套區(qū)域在 與諧振器最大環(huán)垂直且通過環(huán)中心的平面內的截面近似為半橢圓，其短軸為0. 16倍最大 加載環(huán)直徑，長軸為〇. 68倍最大加載環(huán)直徑。由于減小各電容加載導體環(huán)的距離可以增大 電容加載導體環(huán)間的非諧振耦合，從而降低對加載電容精度的要求，從而可使用實際可以 得到的具有一定容差的電容實現；同時為了相對于傳統諧振器具有體積上的優(yōu)勢，本發(fā)明 的諧振器中的各嵌套環(huán)的中心距離需得到控制。因此毗鄰區(qū)選擇在上述半橢圓區(qū)域中到短 軸距離小于〇. 25倍最大加載環(huán)直徑的區(qū)域。
[0047] 采用多個相分離的電容加載導體環(huán)密集嵌套于諧振器中最大電容加載導體環(huán)的 特殊毗鄰區(qū)，可以有效降低諧振器導體損耗從而提高諧振器的品質因數（Q值），同時諧振 器間的耦合系數下降較少，總體效果是提升了諧振器無線功率傳輸的效率。諧振器的Q值 的提高除了可以通過增加嵌套環(huán)的個數降低導體損耗來實現，還需要對諧振頻率進行優(yōu) 化。隨著諧振頻率的提高，導體環(huán)的輻射損耗會快速增大，從而使諧振器的Q值下降。如果 給定諧振器中各諧振單元102的直徑，有存在一個最優(yōu)的諧振頻率，使諧振器的無線功率 傳輸效率最高。諧振頻率高于最優(yōu)諧振頻率繼續(xù)增加，會使輻射損耗明顯增加。
[0048] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個相分離的所述電容加載導體環(huán)中的各個所述加 載電容中任意兩個加載電容與所述邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的中心連線的夾角均 小于90度，每個所述電容加載導體環(huán)中的導體環(huán)僅有一圈，且所述加載電容與與其相連接 的所述導體環(huán)位于同一平面內。
[0049] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述最大直徑電容加載導體環(huán)與位于所述毗鄰區(qū)中 的其他多個所述電容加載導體環(huán)的表面積總和，占所有邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的 表面積的2/3以上。
[0050] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個所述電容加載導體環(huán)的共振頻率與所述最大直 徑電容加載導體環(huán)的直徑之積小于2xl0 7m . Hz。
[0051] 在該技術方案中，為有效控制輻射損耗，所述電容加載導體環(huán)的共振頻率與所述 最大直徑電容加載導體環(huán)的直徑之積小于2xl0 7m . Hz。由于每一個電容加載導體環(huán)都由 一個導體環(huán)和一個加載電容組成，可以利用集總電容來調節(jié)諧振頻率，使各電容加載導體 環(huán)有幾乎相同的自諧振頻率的同時將諧振器的諧振頻率調整至最優(yōu)值。由于在這個過程中 不會改變諧振器間的耦合系數，打破了諧振器關鍵參數對其性能的制約，同時實現了諧振 器的高品質因數、高耦合系數和遠小于傳統三維諧振器的體積。
[0052] -般地，為多個具有較高Q值的獨立的導體環(huán)加載不同大小的電容以實現相同的 諧振頻率從工業(yè)角度來看是不可能的，因為商用的低損耗電容都有1% -5%的容差，而高 精度的電容很難獲得，并且價格昂貴，而本技術方案采用近距離嵌套的方法實現共振，通過 增大嵌套環(huán)之間的非諧振耦合，大大降低了對加載的低損耗電容的電容值精度的要求，普 通商用的具有1%容差的低損耗電容已經可以很好的應用在本發(fā)明的諧振器中，相對采用 更高精度電容加載的情形僅有輕微的性能損失。近距離嵌套的方法通過共同的磁鏈將各自 獨立的電容加載導體環(huán)聯系起來，使得環(huán)與環(huán)之間耦合得非常強烈，從而形成一定的并聯 關系，這意味著即使加載電容不能使每個環(huán)剛好諧振在完全相同頻率或是比較接近的頻 率，非諧振耦合依然能將它們聯合起來產生唯一的諧振頻率。由于諧振耦合在諧振中依然 扮演著重要的角色，當每個環(huán)的諧振頻率與其它環(huán)非常接近時，諧振器的諧振將達到最高 水平，功率傳輸也達到最高效率。
[0053] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個相分離的所述電容加載導體環(huán)中每個所述電容 加載導體環(huán)與其他所述電容加載導體環(huán)具有不同的等效串聯電感。
[0054] 在該技術方案中，優(yōu)選地，邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器中的每個導體環(huán)的直 徑不同，且位于諧振器的不同位置，因此每個導體環(huán)有不同的等效串聯電感。
[0055] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，每個所述電容加載導體環(huán)采用不同直徑，多個所述電 容加載導體環(huán)具有共同的圓心并位于同一平面內。
[0056] 在該技術方案中，優(yōu)選地，多個分離的電容加載導體環(huán)共平面且共圓心，同時直徑 各不相同，通過采用近距離平面嵌套的方法來實現多重諧振，增大了嵌套環(huán)之間的非諧振 耦合，從而大大降低了對加載的低損耗電容的電容值的精度要求。同時最大限度地利用了 諧振器所占據的二維空間，相對于傳統的單電容加載導體環(huán)諧振器而言顯著提升了品質因 數，從而做到更遠距離的能量傳輸。
[0057] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，任意兩個所述電容加載導體環(huán)上加載電容間的位置 在空間上的距離，小于其中一個所述電容加載導體環(huán)上的所述導體環(huán)到對應的所述加載電 容最遠的位置和其中另一個所述電容加載導體環(huán)上的所述導體環(huán)到對應的所述加載電容 最遠的位置在空間上的距離。
[0058] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述驅動單元環(huán)上設置有端口輸出阻抗，所述端口輸 出阻抗與所述加載電容對應設置。
[0059] 在該技術方案中，驅動單元的端口輸出阻抗可以取50歐姆，當然，還可以是除此 之外的其他值。
[0060] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述導體環(huán)由截面為圓形的導線、薄金屬帶或其他截 面形狀的導線繞制而成。
[0061] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器位于自由空間 中，或位于印刷電路板上。
[0062] 在該技術方案中，所述電容加載導體環(huán)可以是自由空間中的電容加載導體環(huán)，其 中，所述自由空間中的導體環(huán)可由截面為圓形或其他截面形狀的導線繞制而成，亦可由薄 金屬帶繞制而成。所述電容加載導體環(huán)也可以是印刷電路板（PCB)上的電容加載的帶狀導 體環(huán)。對于PCB板上印刷的一般的平面螺旋諧振器，當使用損耗較大的介質基板時，比如基 板FR4,功率傳輸效率會大大降低，而對于具有印刷電容加載導體環(huán)的諧振器，通過采用嵌 套結構和低損耗電容加載，絕大部分的電能存儲在比使用的介質基板的介質損耗因數小很 多的陶瓷電容器中，這意味著即使FR4被用作介質基板，邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器 依然能接近處于自由空間時的性能，使功率傳輸效率不用受到介質基板類型的制約。另外， 印刷電路具有穩(wěn)定、廉價、體積小等許多優(yōu)勢，用PCB印刷技術實現本發(fā)明的邊緣密集嵌套 電容加載環(huán)諧振器，有利于減小諧振器占用的空間，節(jié)省成本并便于系統集成。
[0063] 圖2示出了根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的結構示意 圖。
[0064] 如圖2所示，根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器200,其諧振 單元由若干個分離的低損耗電容202和電容加載導體環(huán)204在最大電容加載導體環(huán)的毗 鄰區(qū)內嵌套而成，多個電容加載導體環(huán)204具有不同的直徑，邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧 振器200的驅動單元環(huán)為中心圓環(huán)206,其端口 208具有50歐姆端口輸出阻抗，中心圓環(huán) 206可與多個分離的電容加載導體環(huán)204共圓心（當然，也可以不共圓心，在此，以共圓心為 例），且中心圓環(huán)206的直徑小于多個分離的電容加載導體環(huán)204中任一電容加載導體環(huán)的 直徑。中心圓環(huán)206與功率源直接相連。
[0065] 在該技術方案中，邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器200采用在最大電容加載導體 環(huán)的特殊毗鄰區(qū)內嵌套有多個分離的電容加載導體環(huán)的新型結構，利用集總電容來調節(jié)諧 振頻率，幾乎不用改變互感系數就能將諧振頻率調整至最優(yōu)值，同時相對于單電容加載環(huán) 降低了導體損耗提升了品質因數。打破了諧振器的關鍵參數，即耦合系數、品質因數和諧振 頻率對其性能的制約，使諧振器的性能大幅度提高，增加了功率傳輸效率。另外，設定中心 圓環(huán)與多個分離的電容加載導體環(huán)共平面且共圓心，最大限度地利用了諧振器所占據的二 維空間，通過共同的磁鏈將各自獨立的電容加載導體環(huán)聯系起來，相對于傳統的單導體環(huán) 加載低損耗電容實現的諧振器而言顯著提升了品質因數，從而做到更遠距離的能量傳輸。
[0066] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個分離的電容加載導體環(huán)位于同一平面。
[0067] 在該技術方案中，通過采用在最大直徑的電容加載環(huán)的特殊毗鄰區(qū)內平面嵌套多 個電容加載導體環(huán)的方法來實現多環(huán)共振，提高諧振器功率傳輸的效率，并增大了嵌套環(huán) 之間的非諧振耦合，并大大降低了對加載的低損耗電容的電容值的精度要求。
[0068] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，驅動單元具有50歐姆端口輸出阻抗。
[0069] 在該技術方案中，驅動單元的端口輸出阻抗可以取50歐姆，當然，還可以是除此 之外的其他值。
[0070] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個相分離的所述電容加載導體環(huán)中每個電容加載 導體環(huán)具有與其他電容加載導體環(huán)不同的等效串聯電感。
[0071] 在該技術方案中，邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器中的每個導體環(huán)的直徑不同， 且位于諧振器的不同位置，因此每個導體環(huán)有不同的等效串聯電感。
[0072] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，多個分離的電容加載導體環(huán)中每個電容加載導體環(huán) 加載與其他電容加載導體環(huán)不同的電容。
[0073] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述電容加載的導體環(huán)為自由空間中的導體環(huán)。
[0074] 在該技術方案中，為使整個諧振器有唯一的諧振頻率，每個導體環(huán)需要有幾乎相 同的自諧振頻率，而相同的自諧振頻率需要通過加載不同大小的電容來實現，因此每個導 體環(huán)必須加載不同大小的電容。一般地，為多個具有較高Q值的電容加載導體環(huán)加載不同 大小的電容以實現完全相同的自諧振頻率從工業(yè)角度來看是不可能的，因為商用的低損耗 電容都有1% -5%的容差，而高精度的電容很難獲得，并且價格昂貴，而本技術方案采用邊 緣密集嵌套的方法實現多重諧振，通過增大嵌套環(huán)之間的非諧振耦合，大大降低了對加載 的低損耗電容的電容值精度的要求，普通商用的具有1%容差的低損耗電容已經可以很好 的應用在本發(fā)明的諧振器中，相對采用更高精度電容加載的情形僅有輕微的性能損失。近 距離平面嵌套的方法通過共同的磁鏈將各自獨立的電容加載導體環(huán)聯系起來，使得環(huán)與環(huán) 之間耦合得非常強烈，從而形成一定的并聯關系，這意味著即使加載電容不能使每個環(huán)剛 好諧振在完全相同的頻率，非諧振耦合依然能將它們聯合起來產生唯一的諧振頻率。由于 諧振耦合在諧振中依然扮演著重要的角色，當每個環(huán)的諧振頻率與其它環(huán)非常接近時，諧 振器的諧振將達到最高水平，無線功率傳輸也達到最高效率。
[0075] 圖3示出了根據本發(fā)明的實施例的印刷嵌套電容加載環(huán)諧振器的結構示意圖。
[0076] 如圖3所示，根據本發(fā)明的實施例的印刷嵌套電容加載環(huán)諧振器300,其諧振單元 由若干個分離的低損耗電容302和電容加載導體環(huán)304,并在最大電容加載導體環(huán)的毗鄰 區(qū)內嵌套而成，印刷電容加載導體環(huán)304為薄金屬帶，多個印刷電容加載導體環(huán)304具有不 同的直徑，印刷邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器300的驅動單元為中心圓環(huán)306,其具有50 歐姆指定端口輸出阻抗（如50歐姆）的端口 308,且通過端口 308與功率源直接相連。其 中，中心圓環(huán)306可以與多個分離的印刷電容加載導體環(huán)304共圓心（當然，也可以不共圓 心，在此，以共圓心為例），且中心圓環(huán)306的直徑小于多個分離的印刷電容加載導體環(huán)304 中任一印刷電容加載導體環(huán)的直徑。
[0077] 在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述印刷電容加載導體環(huán)為平面薄帶狀導體環(huán)。
[0078] 在該技術方案中，還可以采用PCB印刷技術，對于PCB板上印刷的一般的平面螺旋 諧振器，當使用損耗較大的介質基板時，比如基板FR4,介質損耗會使傳輸效率顯著降低，而 對于具有印刷電容加載導體環(huán)的諧振器，通過采用邊緣密集嵌套結構和低損耗電容，絕大 部分的電能存儲在比使用的介質基板的介質損耗因數小很多的陶瓷電容器中，這意味著即 使FR4被用作介質基板，印刷邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器依然能接近處于自由空間時 的性能，使傳輸效率不會受到介質基板類型的制約。另外，印刷電路具有穩(wěn)定、廉價、體積小 等許多優(yōu)勢，用PCB印刷技術實現本發(fā)明的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，有利于減小 諧振器占用的空間，節(jié)省成本便于系統集成。
[0079] 此外，PCB板的覆銅厚度應大于趨膚效應深度兩倍以上以減少導體損耗，覆銅厚度 為35微米（1盎司）的PCB板可用來制作諧振頻率在13MHz以上的邊緣密集嵌套電容加載 環(huán)諧振器；覆銅厚度為70微米（2盎司）的PCB板可用來制作諧振頻率在3. 5MHz以上的邊 緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器。這意味著用常用的PCB板來制作高Q值印刷邊緣嵌套電容 加載環(huán)是合適的，低成本和高性能的特點使得印刷邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器成為商 業(yè)應用的一個很好的備選。
[0080] 圖4A和圖4B示出了根據本發(fā)明的實施例的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的毗 鄰區(qū)的截面圖。其中，圖4A為與最大電容加載導體環(huán)相垂直且通過環(huán)中心的截面示意圖， 圖4B為與最大電容加載導體環(huán)相平行且通過環(huán)中心的截面示意圖。
[0081] 毗鄰區(qū)404邊界可以通過僅有兩個電容加載導體環(huán)的諧振器間的無線功率傳輸 效率的仿真確定?？梢赃x擇特殊尺寸的發(fā)明實例進行仿真，但所得結果對任意尺寸的實例 均成立?？梢缘玫脚弲^(qū)在諧振器的最大電容加載環(huán)所在平面的截面為環(huán)型，如圖4A所 示，Btt鄰區(qū)404為靠近最大直徑電容加載導體環(huán)402內側方向且徑向為所述最大直徑電容 加載導體環(huán)402直徑的0. 68倍至1倍、在與最大直徑電容加載環(huán)402的環(huán)面垂直方向且為 環(huán)面兩側的到環(huán)面距離為最大直徑電容加載導體環(huán)402直徑的0倍至1. 5倍的區(qū)域，即假 設最大電容加載導體環(huán)402的直徑為D，則圖中L1為1. 優(yōu)選地，Btt鄰區(qū)404為靠近最 大直徑電容加載導體環(huán)內側方向且徑向為最大直徑電容加載導體環(huán)402直徑的0. 68倍至1 倍、在與最大直徑電容加載環(huán)402的環(huán)面垂直的方向且為環(huán)面兩側的到環(huán)面距離為最大直 徑電容加載導體環(huán)402直徑的0倍至0. 25倍的區(qū)域，其中，圖中L2為0. 25D。
[0082] 因此，可以得到能夠提升無線功率傳輸效率的嵌套區(qū)域在與諧振器最大電容加載 導體環(huán)402垂直且通過環(huán)中心的平面的截面近似為半橢圓，其短軸為0. 16倍最大電容加載 導體環(huán)直徑，即〇. 16D，長軸為0. 68倍最大電容加載導體環(huán)直徑。由于減小各電容加載導體 環(huán)的距離可以增大電容加載導體環(huán)間的非諧振耦合，從而降低對加載電容精度的要求，同 時由于減小諧振器的體積也是本發(fā)明的目的之一，為了相對于傳統諧振器具有體積上的優(yōu) 勢，本發(fā)明的諧振器中的各嵌套環(huán)的中心距離須得到控制。因此，Btt鄰區(qū)404選擇在上述半 橢圓區(qū)域中到短軸距離小于0. 25倍最大電容加載環(huán)402直徑的區(qū)域，如圖4B所示。
[0083] 以上結合附圖詳細說明了本發(fā)明的技術方案，通過本發(fā)明的技術方案，可以解決 三維諧振器體積過大和傳統二維諧振器效率低下的技術難題，采用多導體環(huán)邊緣嵌套及電 容加載結構，打破了諧振器的耦合系數、品質因數及諧振頻率對性能的制約，從而使傳輸效 率大幅度提高，優(yōu)化了諧振器的性能。
[0084] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技 術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于，包括： 諧振單元，所述諧振單元由多個相分離的電容加載導體環(huán)依次嵌套而成，每一所述電 容加載導體環(huán)包括相連接的一導體環(huán)和一加載電容，所述加載電容可使各個相分離的所述 電容加載導體環(huán)具有相同或相近的固有諧振頻率，進而可使各個相分離的所述電容加載導 體環(huán)工作時實現共振； 其中，所述多個相分離的電容加載導體環(huán)中除去最大直徑電容加載導體環(huán)外，其他多 個電容加載導體環(huán)嵌套設置在所述最大直徑電容加載導體環(huán)的毗鄰區(qū)內，所述毗鄰區(qū)為靠 近所述最大直徑電容加載導體環(huán)內側方向且徑向為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的 0. 68倍至1倍、在與所述最大直徑電容加載環(huán)的環(huán)面垂直方向且為環(huán)面兩側的到環(huán)面距離 為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的0倍至1. 5倍的區(qū)域；和 驅動單元環(huán)，位于所述諧振單元內，所述驅動單元環(huán)的直徑小于各個所述電容加載導 體環(huán)的直徑，且所述驅動單元環(huán)與功率源相連接并與各個所述電容加載導體環(huán)相分離。
2. 根據權利要求1所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 所述毗鄰區(qū)為靠近所述最大直徑電容加載導體環(huán)內側方向且徑向為所述最大直徑電 容加載導體環(huán)直徑的〇. 68倍至1倍、在與最大直徑電容加載環(huán)的環(huán)面垂直的方向且為環(huán)面 兩側的到環(huán)面距離為所述最大直徑電容加載導體環(huán)直徑的〇倍至〇. 25倍的區(qū)域。
3. 根據權利要求2所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 多個相分離的所述電容加載導體環(huán)中的各個所述加載電容中任意兩個加載電容與所 述邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的中心連線的夾角均小于90度。
4. 根據權利要求3所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 每個所述電容加載導體環(huán)中的導體環(huán)僅有一圈，且所述加載電容與與其相連接的所述 導體環(huán)位于同一平面內。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 所述最大直徑電容加載導體環(huán)與位于所述毗鄰區(qū)中的其他多個所述電容加載導體環(huán) 的表面積總和，占所有邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器的表面積的2/3以上。
6. 根據權利要求1至4中任一項所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 多個所述電容加載導體環(huán)的共振頻率與所述最大直徑電容加載導體環(huán)的直徑之積小 于 2xl07m · Hz。
7. 根據權利要求1至4中任一項所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 每個所述電容加載導體環(huán)采用不同直徑，多個所述電容加載導體環(huán)具有共同的圓心并 位于同一平面內。
8. 根據權利要求1至4中任一項所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 所述驅動單元環(huán)上設置有端口輸出阻抗，所述端口輸出阻抗與所述加載電容對應設 置。
9. 根據權利要求1至4中任一項所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在于， 所述導體環(huán)由截面為圓形的導線、薄金屬帶或其他截面形狀的導線繞制而成。
10. 根據權利要求1至4中任一項所述的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器，其特征在 于， 所述邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器位于自由空間中，或位于印刷電路板上。
【文檔編號】H02J17/00GK104158303SQ201410362842
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權日:2014年7月28日
【發(fā)明者】吳柯, 王巍, 西蒙·海默 申請人:杭州柯茂睿?？萍加邢薰?br>