本發(fā)明屬于無(wú)線能量傳輸或無(wú)線功率傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置及其能量傳輸方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線能量傳輸或無(wú)線功率傳輸，是指能量從能量源傳輸?shù)诫娯?fù)載的一個(gè)過程，這個(gè)過程不是傳統(tǒng)的用有線來完成，而是通過無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)。無(wú)線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)在于高效的發(fā)射和接收天線裝置，以使得無(wú)限能量傳輸?shù)木嚯x最大化，同時(shí)無(wú)線能量傳輸?shù)奈恢米杂苫?。饋入發(fā)射天線中的能量能夠被高效的發(fā)射出去，經(jīng)過一定距離的無(wú)線傳輸被接收天線裝置在自由空間中高效的接收。

現(xiàn)有無(wú)線能量傳輸?shù)陌l(fā)射和接收天線裝置主要是諧振線圈，通過線圈電磁互感的原理或磁共振原理實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。電能發(fā)射線圈安裝在充電底座內(nèi)，接收線圈則安裝在電子設(shè)備中。這種原理的無(wú)線輸電方式市場(chǎng)上已經(jīng)存在。該無(wú)線充電裝置要求發(fā)射線圈和接收線圈的距離很小，而且隨著發(fā)射線圈和接收線圈距離的增加，無(wú)限能量傳輸效率快速降低，極大地限制了電子產(chǎn)品的活動(dòng)半徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明主要基于另一種無(wú)線能量傳輸機(jī)制，即開放式諧振腔原理來提供一種廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置以實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸?shù)淖杂苫?/p>

本發(fā)明的廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置，包括多個(gè)結(jié)構(gòu)相同、且均為支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋中心線重合。相鄰兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋中心的距離小于3r，其中r為金屬螺旋結(jié)構(gòu)的半徑。本發(fā)明的多個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)相互諧振并通過相鄰金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的空間產(chǎn)生強(qiáng)烈的能量交換，并在金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的自由空間中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電能到充滿整個(gè)諧振腔空間交變磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。調(diào)整激發(fā)源，使該無(wú)線能量發(fā)射裝置以某一諧振頻率振動(dòng)；其產(chǎn)生的非輻射磁場(chǎng)即把電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，在多個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)間形成無(wú)所不在的能量通道；當(dāng)作為無(wú)線能量接收端的金屬線圈放置在該自由空間任意位置并和交變磁場(chǎng)有一定的夾角時(shí)，隨著每一次共振，接收線圈中會(huì)有更多的電壓產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)廣域自由空間任意位置能量的無(wú)線傳輸。

優(yōu)選的，所述的金屬螺旋結(jié)構(gòu)為任意形狀的金屬螺旋結(jié)構(gòu)，如金屬平面或立體螺旋結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)的相互設(shè)置方式為任意相對(duì)位置。更進(jìn)一步的，部分相鄰的金屬螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋中心線重合或全部金屬螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋中心線重合，螺旋中心線重合的兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)相互設(shè)置方式為對(duì)稱設(shè)置或反對(duì)稱設(shè)置。

優(yōu)選的，所述的金屬螺旋結(jié)構(gòu)包含一個(gè)螺旋中心和一根或若干根金屬螺旋臂；當(dāng)螺旋中心連接多根金屬螺旋臂時(shí)，所述的多根金屬螺旋臂旋向和結(jié)構(gòu)相同，并均勻連接在螺旋中心上。

優(yōu)選的，所述的發(fā)射天線裝置包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同、且均為支持磁偶極子模式的任意形狀的金屬螺旋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋中心線重合。

優(yōu)選的，所述的金屬螺旋結(jié)構(gòu)為金屬平面或立體螺旋結(jié)構(gòu)，所述的兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)的相互設(shè)置方式為對(duì)稱設(shè)置或反對(duì)稱設(shè)置。

更加優(yōu)選的，所述的兩個(gè)或多個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)上下設(shè)置且螺旋中心線重合。

所述廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置的無(wú)線能量傳輸方法如下：

設(shè)置激發(fā)源在下端的金屬螺旋結(jié)構(gòu)附近，由于兩個(gè)或多個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同并支持磁耦極子模式，因此兩者的磁耦極子模式的諧振頻率一樣，兩個(gè)或多個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間發(fā)生諧振并通過相鄰金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的空間產(chǎn)生強(qiáng)烈的能量交換；其中兩個(gè)低頻和高頻的分裂共振模式都在上下兩個(gè)磁諧振腔中間的空間中產(chǎn)生一種非輻射的交變磁場(chǎng)，從而把電能轉(zhuǎn)換成交變磁場(chǎng)并充滿整個(gè)空間；

調(diào)整激發(fā)源頻率，使該廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置以某一頻率振動(dòng)；其諧振產(chǎn)生的非輻射磁場(chǎng)即把電能轉(zhuǎn)換成交變磁場(chǎng)并充滿兩個(gè)或多個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的整個(gè)空間；當(dāng)接收線圈放置在該自由空間的任意位置并和交變諧振磁場(chǎng)有夾角時(shí)，作為無(wú)線能量接收端的接收線圈會(huì)隨著每一次共振產(chǎn)生更多的電壓，從而實(shí)現(xiàn)廣域自由空間任意位置能量的無(wú)線傳輸。

優(yōu)選的，所述的接收線圈的諧振頻率和該金屬螺旋結(jié)構(gòu)諧振腔的其中一個(gè)諧振模式的頻率相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于開放式諧振腔原理的廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置及其能量傳輸方法。解決了現(xiàn)有技術(shù)中要求發(fā)射線圈和接收線圈的距離很小的問題，同時(shí)也解決了現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)線能量傳輸裝置自由移動(dòng)化的問題，這與傳統(tǒng)的線圈耦合式(第一代無(wú)線能量傳輸原理)以及磁諧振式(第二代無(wú)線能量傳輸原理)有重大區(qū)別。

本發(fā)明的磁耦合諧振的頻率由金屬螺旋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)決定，這樣就為無(wú)限能量傳輸接受發(fā)射天線裝置提供了更加自由的設(shè)計(jì)方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中通過垂直耦合的金屬螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)造的開放式磁諧振腔示意圖；

圖2為兩個(gè)垂直耦合的金屬螺旋結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)磁耦合響應(yīng)頻譜；

圖3為兩個(gè)垂直耦合金屬螺旋結(jié)構(gòu)的諧振模式的電流，磁場(chǎng)分布。(a)為第一個(gè)分裂模式的電流分布；(b)為第一個(gè)分裂模式磁場(chǎng)分布。(c)為第二個(gè)分裂模式的電流分布；(d)為第二個(gè)分裂模式磁場(chǎng)分布。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的基于開放式諧振腔原理的廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置需要兩個(gè)或更多個(gè)互連的共振系統(tǒng)，分別由一種金屬螺旋磁共振結(jié)構(gòu)制成，而不是傳統(tǒng)的磁感應(yīng)線圈。通過調(diào)整發(fā)射頻率使該無(wú)線能量發(fā)射裝置以某一諧振頻率振動(dòng)，其產(chǎn)生的不是彌漫于各處的普通電磁波，而是一種非輻射的充滿上兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間整個(gè)空間的磁場(chǎng)，即把電能轉(zhuǎn)換成交變磁場(chǎng)，在兩個(gè)或多個(gè)金屬螺旋磁共振結(jié)構(gòu)之間的自由空間內(nèi)形成一種無(wú)所不在的能量通道。當(dāng)作為接收端的金屬線圈放置在該自由空間的任意位置并和交變磁場(chǎng)成一定夾角，隨著每一次共振，接收端線圈中會(huì)有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng)過產(chǎn)生多次共振，接收端線圈表面就會(huì)集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射交變磁場(chǎng)中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了廣域自由空間任意位置電能的無(wú)線傳輸。

實(shí)施例1

上下的磁諧振腔都是由一條金屬螺旋臂構(gòu)成的支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)。該金屬螺旋結(jié)構(gòu)的磁偶極子模式的諧振頻率由金屬螺旋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)決定。在該文中金屬螺旋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為：金屬螺旋臂寬w＝0.005m,繞著中心旋轉(zhuǎn)15.6圈，金屬螺旋臂之間的距離為d＝0.015m。如圖1所示。上下兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的距離為h＝0.5m。

由于該金屬結(jié)構(gòu)是一種螺旋結(jié)構(gòu)，所以垂直放置的上下磁諧振腔有各種不同的位型，分別為對(duì)稱結(jié)構(gòu)和反對(duì)稱結(jié)構(gòu)或者任意相對(duì)位置。在本發(fā)明中我們?nèi)∩舷聦?duì)稱結(jié)構(gòu)作為示例，如圖1所示。圖1為基于金屬螺旋結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱位型的廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射天線裝置。黑色箭頭表示激發(fā)源和探針。上下兩層金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的垂直距離為h＝0.5m。整個(gè)垂直耦合的金屬螺旋結(jié)構(gòu)作為無(wú)線能量發(fā)射裝置，激發(fā)源放置在下端金屬螺旋臂旁邊。磁場(chǎng)探針放在上端金屬螺旋結(jié)構(gòu)之上的空間中。由于上下磁諧振腔是同一種金屬螺旋結(jié)構(gòu)并支持磁耦極子模式，所以他們的磁偶極模式的諧振頻率是一樣的。這樣上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)相互耦合并產(chǎn)生強(qiáng)烈的能量交換，從而把電能轉(zhuǎn)換成充滿整個(gè)空間的交變磁場(chǎng)。當(dāng)作為接受端的線圈被放置在上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的空間中任意位置并和交變磁場(chǎng)成一定的夾角時(shí)，隨著每一次共振，接收端線圈中會(huì)有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng)過產(chǎn)生多次共振，接收端線圈表面就會(huì)集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射交變磁場(chǎng)中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了廣域自由空間任意位置電能的無(wú)線傳輸。

實(shí)施例2

通過激發(fā)下面的金屬螺旋結(jié)構(gòu)并探測(cè)上端金屬螺旋結(jié)構(gòu)附近的磁場(chǎng)來說明能量的無(wú)線傳輸。首先測(cè)試了單個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)磁諧振頻譜，如圖2中灰實(shí)線所示，該金屬螺旋結(jié)構(gòu)在ωm＝6.91mhz的諧振頻率支持一個(gè)磁偶極子諧振模式。然后測(cè)試對(duì)稱結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)磁諧振頻譜，如圖2中黑實(shí)線所示，由于上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)相互耦合，單個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)的磁偶極子諧振模式分裂成為兩個(gè)模式。兩個(gè)分裂模式的諧振頻率分別為和

為了進(jìn)一步理解該廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射裝置怎么實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸，畫出了低頻分裂模式的電流，磁場(chǎng)分布圖，分別如圖3(a)和圖3(b)所示?？梢钥吹剑谠撝C振模式上，上下兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)上都支持一個(gè)閉合的反向電流環(huán)，這樣就形成了對(duì)稱磁偶極子諧振模式，而且在兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的空間中有強(qiáng)烈的能量交換，從而電能在兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換成無(wú)所不在的交變磁場(chǎng)，如圖3(b)所示。當(dāng)接收端金屬線圈放置在兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間空間的任意位置并和交變磁場(chǎng)成一定的夾角時(shí)，該接受金屬線圈就會(huì)隨著諧振而接受能量，從而實(shí)現(xiàn)基于開放式磁諧振腔機(jī)制的廣域自由空間任意位置的無(wú)線能量傳輸。

當(dāng)該廣域自由空間任意位置無(wú)線能量傳輸發(fā)射裝置的諧振頻率處在高頻分裂模式時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)自由空間任意位置的無(wú)線能量的傳輸。畫出了高頻分裂模式的電流，磁場(chǎng)分布圖，分別如圖3(c)和圖3(d)所示?？梢钥吹?，在該諧振模式上，上下兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)上分別支持一個(gè)正向和一個(gè)反向的閉合電流環(huán)，這樣就形成了反對(duì)稱磁偶極子諧振模式，而且在兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的空間中有強(qiáng)烈的能量交換，從而電能在兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換成無(wú)所不在的交變磁場(chǎng)，如圖3(d)所示。當(dāng)接收端金屬線圈放置在兩個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間空間的任意位置并和交變磁場(chǎng)成一定的夾角時(shí)，該接受金屬線圈就會(huì)隨著諧振而接受能量，從而實(shí)現(xiàn)基于開放式磁諧振腔機(jī)制的廣域自由空間任意位置的無(wú)線能量傳輸。