本發(fā)明涉及一種無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，具體涉及一種性能可控的平面雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸線(xiàn)圈裝置。

背景技術(shù)：

無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)現(xiàn)了非接觸的能量傳輸，有著廣泛的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中磁共振式的無(wú)線(xiàn)能量傳輸更是取得了許多的關(guān)注，尤其是該技術(shù)在無(wú)線(xiàn)傳感器、移動(dòng)通信設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。最近幾年，有大量的科研工作者對(duì)多頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸展開(kāi)了研究。與單頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)相比，多頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)可以提供多個(gè)頻段傳輸能量或信息，提高了無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。然而，如何產(chǎn)生多個(gè)頻段并且提高各個(gè)頻段的傳輸效率是科研工作者最重要的研究問(wèn)題之一。

目前，已經(jīng)出現(xiàn)了一些產(chǎn)生雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的方法。文獻(xiàn)《G.Wang,P.Wang,Y.Tang,and W.Liu,“Analysis of dual band power and data telemetry for biomedical implants,”IEEE Trans.Biomed.Circuits Syst.,vol.6,no.3,pp.208–215,Jun.2012.》中，采用4個(gè)不同結(jié)構(gòu)的平面螺旋諧振線(xiàn)圈構(gòu)成雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端均引入不同諧振頻率的線(xiàn)圈，線(xiàn)圈與線(xiàn)圈之間的互耦使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。在文獻(xiàn)《M.-L.Kung and K.-H.Lin,“Enhanced analysis and design method of dual-band coil module for near-field wireless power transfer systems,”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.63,no.3,pp.821–832,Mar.2015.》和《M.-L.Kung and K.-H.Lin,“Investigation of dual-band coil module for near-field wireless power transfer systems,”in Proc.Wireless Power Transfer Conf.,Jeju,Korea,2015,pp.265–268.》中，研究了利用集總電容和電感來(lái)產(chǎn)生雙頻傳輸通道的方法。由于采用了集總元器件，避免了不同諧振頻率的線(xiàn)圈之間的互耦。但上述方法在高頻率通帶的傳輸效率仍然較低，而且兩個(gè)頻帶內(nèi)的響應(yīng)無(wú)法獨(dú)立控制。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)雙頻段響應(yīng)獨(dú)立可調(diào)、傳輸效率高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，對(duì)于進(jìn)一步提高無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的功率傳輸效率具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種性能可控的平面雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸線(xiàn)圈裝置。

本發(fā)明在無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端采用相同的雙頻電路結(jié)構(gòu),利用集總電容和電感及一個(gè)諧振線(xiàn)圈構(gòu)成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙頻線(xiàn)圈模型，通過(guò)一個(gè)饋電線(xiàn)圈對(duì)雙頻線(xiàn)圈模型饋電產(chǎn)生一個(gè)雙頻高效的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)；通過(guò)在饋電線(xiàn)圈上加載一個(gè)集總電容實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頻帶響應(yīng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率；同時(shí)，通過(guò)將饋電線(xiàn)圈和雙頻線(xiàn)圈模型設(shè)計(jì)在同一塊印刷電路板上，減小了電路的體積。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種性能可控的平面雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸線(xiàn)圈裝置，包括發(fā)射端及接收端，所述發(fā)射端及接收端具有相同的電路結(jié)構(gòu)，均包括正面微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板和背面微帶結(jié)構(gòu)，所述正面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述背面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述正面微帶結(jié)構(gòu)包括正面饋電線(xiàn)圈和雙頻線(xiàn)圈，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括連接正面饋電線(xiàn)圈的外接端口。

所述正面饋電線(xiàn)圈由第六微帶線(xiàn)6、第七微帶線(xiàn)7、第八微帶線(xiàn)8、第九微帶線(xiàn)9、第十微帶線(xiàn)10、第三電容28、第一微帶線(xiàn)1、第二微帶線(xiàn)2、第三微帶線(xiàn)3、第四微帶線(xiàn)4及第五微帶線(xiàn)5依次連接構(gòu)成，其中第五微帶線(xiàn)5的末端及第六微帶線(xiàn)6的末端分別通過(guò)金屬化過(guò)孔與背面微帶結(jié)構(gòu)的外接端口連接。

所述雙頻線(xiàn)圈由第一電容25及依次連接的第十三微帶線(xiàn)13、第十四微帶線(xiàn)14、第十五微帶線(xiàn)15、第十六微帶線(xiàn)16、第十七微帶線(xiàn)17、第十八微帶線(xiàn)18、第十九微帶線(xiàn)19、第二十微帶線(xiàn)20、第二十一微帶線(xiàn)21、第二十二微帶線(xiàn)22、第二十三微帶線(xiàn)23及第二十四微帶線(xiàn)24構(gòu)成，所述第一電容25跨接在第二十四微帶線(xiàn)24及第十八微帶線(xiàn)18之間；

還包括依次連接的第二電容26、第十一微帶線(xiàn)11、第一電感27及第十二微帶線(xiàn)12，所述第十二微帶線(xiàn)12與第二十四微帶線(xiàn)24連接，所述第二電容26與第十八微帶線(xiàn)18連接。

作為發(fā)射端時(shí)，所述外接端口作為輸入端口I/P，連接信號(hào)源的兩端；作為接收端時(shí)，所述外接端口作為輸出端口O/P，連接負(fù)載的兩端。

所述第一微帶線(xiàn)1及第三微帶線(xiàn)3分別與第十三微帶線(xiàn)13相互平行，所述第四微帶線(xiàn)4與第十四微帶線(xiàn)14相互平行，所述第五微帶線(xiàn)5及第六微帶線(xiàn)6分別與第十五微帶線(xiàn)15相互平行，所述第七微帶線(xiàn)7與第十六微帶線(xiàn)16相互平行。

所述第二電容26及第十一微帶線(xiàn)11位于第十八微帶線(xiàn)18的延長(zhǎng)線(xiàn)上、所述第十二微帶線(xiàn)12位于第二十四微帶線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上，所述第一電感27跨接在第十二微帶線(xiàn)12及第十一微帶線(xiàn)11之間。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明利用集總電容和電感及一個(gè)諧振線(xiàn)圈構(gòu)成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙頻線(xiàn)圈模型，通過(guò)一個(gè)饋電線(xiàn)圈對(duì)雙頻線(xiàn)圈模型饋電產(chǎn)生一個(gè)雙頻高效的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)；

(2)本發(fā)明在饋電線(xiàn)圈上加載一個(gè)集總電容實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頻帶響應(yīng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率；

(3)本發(fā)明將饋電線(xiàn)圈和雙頻線(xiàn)圈模型設(shè)計(jì)在同一塊印刷電路板上，減小了電路的體積，節(jié)約了成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的背面結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明的尺寸標(biāo)注圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例在傳輸距離為40mm時(shí)不同頻率下的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

圖1-圖2所示，一種性能可控的平面雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸線(xiàn)圈裝置，包括發(fā)射端及接收端，所述發(fā)射端和接收端具有相同的電路結(jié)構(gòu)，均包括正面微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板和背面微帶結(jié)構(gòu)，所述正面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述背面微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述正面微帶結(jié)構(gòu)包括正面饋電線(xiàn)圈和雙頻線(xiàn)圈，所述雙頻線(xiàn)圈位于正面饋電線(xiàn)圈的外圍，所述背面微帶結(jié)構(gòu)包括連接正面饋電線(xiàn)圈的外接端口。通過(guò)在系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端采用相同的雙頻電路結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)饋電線(xiàn)圈對(duì)雙頻線(xiàn)圈模型饋電，并通過(guò)在饋電線(xiàn)圈上加載一個(gè)集總電容實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頻帶響應(yīng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，提高了無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。

所述正面饋電線(xiàn)圈由第六微帶線(xiàn)6、第七微帶線(xiàn)7、第八微帶線(xiàn)8、第九微帶線(xiàn)9、第十微帶線(xiàn)10、第三電容28、第一微帶線(xiàn)1、第二微帶線(xiàn)2、第三微帶線(xiàn)3、第四微帶線(xiàn)4及第五微帶線(xiàn)5依次連接構(gòu)成，其中第五微帶線(xiàn)5的末端及第六微帶線(xiàn)6的末端分別通過(guò)金屬化過(guò)孔與背面的外接端口連接。上述微帶線(xiàn)均為垂直方式連接，當(dāng)所述電路作為無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端時(shí)，該外接端口作為輸入端口I/P，連接信號(hào)源的兩端，用于將交流源的能量傳輸?shù)街C振器上；當(dāng)所述電路作為無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的接收端時(shí)，該外接端口作為輸出端口O/P，連接負(fù)載的兩端，用于將諧振器上的能量傳輸?shù)截?fù)載上。

所述雙頻線(xiàn)圈由第一電容25及依次連接的第十三微帶線(xiàn)13、第十四微帶線(xiàn)14、第十五微帶線(xiàn)15、第十六微帶線(xiàn)16、第十七微帶線(xiàn)17、第十八微帶線(xiàn)18、第十九微帶線(xiàn)19、第二十微帶線(xiàn)20、第二十一微帶線(xiàn)21、第二十二微帶線(xiàn)22、第二十三微帶線(xiàn)23及第二十四微帶線(xiàn)24構(gòu)成，所述第一電容25跨接在第二十四微帶線(xiàn)及第十八微帶線(xiàn)之間，上述連接方式均為垂直連接；

還包括依次連接的第二電容26、第十一微帶線(xiàn)11、第一電感27及第十二微帶線(xiàn)12，所述第十二微帶線(xiàn)12與第二十四微帶線(xiàn)24連接，所述第二電容26與第十八微帶線(xiàn)18連接；

所述第二電容26及第十一微帶線(xiàn)11位于第十八微帶線(xiàn)18的延長(zhǎng)線(xiàn)上、所述第十二微帶線(xiàn)12位于第二十四微帶線(xiàn)24的延長(zhǎng)線(xiàn)上，所述第一電感27跨接在第十二微帶線(xiàn)12及第十一微帶線(xiàn)11之間。

所述第一微帶線(xiàn)1及第三微帶線(xiàn)3與第十三微帶線(xiàn)13相互平行，所述第四微帶線(xiàn)4與第十四微帶線(xiàn)14相互平行，所述第五微帶線(xiàn)5及第六微帶線(xiàn)6與第十五微帶線(xiàn)15相互平行，所述第七微帶線(xiàn)7與第十六微帶線(xiàn)16相互平行。

本實(shí)施例中一種性能可控的平面雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸線(xiàn)圈裝置，其發(fā)射/接收端的電路尺寸標(biāo)注圖如圖3所示，以下僅僅為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例。本實(shí)例中所用的介質(zhì)基板為FR4,其厚度為1.6mm，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02，微帶線(xiàn)厚度為35um。本實(shí)施例中正面饋電線(xiàn)圈及雙頻線(xiàn)圈均為正方形，其中正面饋電線(xiàn)圈的邊長(zhǎng)L₃＝113mm,線(xiàn)寬W₂＝1.5mm；雙頻線(xiàn)圈的內(nèi)圈邊長(zhǎng)L₂＝128mm，外圈邊長(zhǎng)L₁＝150mm，線(xiàn)寬W₁＝4.5mm；第一電容C₁＝170pF；第二電容C₂＝170pF；C₃＝720pF，第一電感Ld＝330nH；第十一微帶線(xiàn)11的邊長(zhǎng)L₄＝2.5mm，線(xiàn)寬W₃＝1.5mm；第十二微帶線(xiàn)12的邊長(zhǎng)L₅＝4mm，線(xiàn)寬W₄＝1.5mm。電路整體尺寸為150mm×150mm。

圖4所示是傳輸距離為40mm時(shí)本發(fā)明實(shí)施例在不同頻率下的仿真結(jié)果，圖中縱坐標(biāo)數(shù)字表示傳輸效率，單位為％。由圖可知，本發(fā)明提出的雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)工作在13.56MHz和36MHz時(shí)，傳輸效率分別能達(dá)到82％和74％。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種性能可控的平面雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸線(xiàn)圈裝置，該電路通過(guò)在無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端采用相同的雙頻電路結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)饋電線(xiàn)圈對(duì)由集總電容和電感及一個(gè)諧振線(xiàn)圈構(gòu)成的雙頻線(xiàn)圈模型饋電產(chǎn)生雙頻高效的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)。通過(guò)在饋電線(xiàn)圈上加載一個(gè)集總電容實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頻帶響應(yīng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高了無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。不僅如此，通過(guò)將饋電線(xiàn)圈和雙頻線(xiàn)圈模型設(shè)計(jì)在同一塊印刷電路板上，減小了電路的體積，節(jié)約了成本。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。