一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无线能量传输领域，具体涉及一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线。
【背景技术】
[0002]根据能量传输实现机理和方式的不同，无线能量传输技术大致上可分为基于电磁感应原理的无线能量传输技术、通过天线发送和接收的电磁波能量传输技术(RF无线电波技术)、激光技术、微波技术和基于电场原理的容性无线电能传输技术。这些能量传输方式中，激光方式只能点对点传输，且易受环境因素的影响;微波和RF无线电波方式在大功率能量传输过程中均存在辐射太强，对人体有害的弊端；电场耦合无线电能传输的技术目前尚处于起步阶段。
[0003]所谓近场，指的是介于感应区和远场自由空间之间的高效率能量传输区域。2007年，美国麻省理工大学的研究出基于耦合模理论磁耦合谐振技术中距离无线能量传输的两大科研成果:I)当两个线圈谐振频率相同的情况下(ω 1= ω 2)，两个线圈的磁场处在强耦合谐振状态，此时，谐振初级线圈不断从激励源中抽取能量，通过强耦合谐振方式传递给谐振次级线圈；2)两线圈的品质因子越大，即储存的电抗能量/辐射及欧姆损耗比率越大，线圈周围空间储存磁场能量越高，福射、欧姆损耗越小，两线圈无线能量传输效率越高。自此以来，国内外关于近场无线能量传输的研究越来越热。根据工作原理，基本分为两大类，一类是两线圈系统，此类系统直接将能量从初级线圈通过谐振传输至次级线圈，系统结构简单，但传输距离短，效率低。另一类是四线圈系统，此类系统在初级线圈与次级线圈中加两个同频谐振器，通过初级、次级线圈优化匹配阻抗，增大传输效率，通过谐振器增加传输距离。
【实用新型内容】
[0004]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线。
[0005]本实用新型采用如下技术方案:
[0006]一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，用于无线能量传输系统发射及接收天线，包括介质基板、馈电环、信号馈入线及螺旋谐振器，所述馈电环印制在介质基板上，所述介质基板与螺旋谐振器接触，且放置在同一中轴线上，所述馈电环由三个末端相连的金属环及外加电容构成，所述螺旋谐振器由铜带从内到外交错螺旋而成。
[0007]所述三个金属环包括外金属环、内金属环及中间金属环，所述外加电容位于外金属环与介质基板长度方向中线的交点处。
[0008]所述螺旋谐振器由铜带从内到外交错螺旋而成，具体内环铜带宽度为4cm，外环宽度外5cm，内、外环间距2cm。
[0009]还包括桥接电容，桥接在螺旋谐振器内环起点与外环终点的连接处。
[0010]所述外加电容为300pf，桥接电容为180pf。
[0011]馈电环的外金属环延伸至介质板边缘形成馈电口，所述信号馈入线与馈电口连接。
[0012]外金属环直径为I Icm，内金属环直径为8cm，在内金属环直径1/3处蜿蜒，中间金属环位于内外两金属环中心，环宽均为3_。
[0013]本天线作为无线能量传输系统发射与接收天线时采用镜面对称结构，且发射、接收天线置于同一水平线上。
[0014]所述中间金属环及外金属环均为矩形环。
[0015]本实用新型的有益效果:
[0016](I)采用条带状金属谐振器而非线型金属，减少导体损耗，增大辐射效率。
[0017](2)条带状导体采用交错螺旋方式，使得电流能限制在谐振器最外层的物理范围内，进一步减少能量损耗，增大辐射效率。
[0018](3)采用新型馈电环，使得整个天线系统能更好地实现50欧姆阻抗匹配。
[0019](4)根据球形模理论，电小天线辐射效率越高，无线能量传输效率就越高，以(I)
(2)方法形成的两新型电小天线分别作为无线能量传输发射与接受天线，获得高效率无线能量传输，在60厘米(3倍天线最大直径)距离无线能量传输效率达92.4%。
【附图说明】
[0020]图1是本实用新型一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线的结构图；
[0021]图2是图1中的馈电环结构图；
[0022]图3是图1中螺旋谐振器的结构图；
[0023]图4是本实用新型用于无线能量传输系统发射及接收天线的结构图；
[0024]图5是本实用新型工作在60cm、70cm以及80cm时的能量传输效率曲线。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0026]实施例
[0027]如图1所示，一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，用于无线能量传输系统发射及接收天线，包括介质基板1、馈电环、信号馈入线及螺旋谐振器2，所述馈电环印制在介质基板上，所述介质基板I与螺旋谐振器2直接接触，且放置在同一中轴线上，所述馈电环由三个末端相连的金属环及外加电容构成，所述螺旋谐振器2由铜带从内到外交错螺旋而成。
[0028]所述馈电环由三个金属环及外加电容构成，具体为外金属环、内金属环及中间金属环，所述外加电容位于外金属环与介质基板长度方向中线的交点处，本实施例中，外金属环及中间金属环均为矩形环，外金属环直径为11cm，内金属环直径为8cm，在内金属环直径I/3处蜿蜒，中间金属环位于内外两金属环中心，环宽均为3mm。电流由馈电口 5馈入，通过此新型馈电环，实现50欧姆端口良好匹配，减少端口损耗。
[0029]馈电环的外金属环延伸至介质板边缘形成馈电口5，所述信号馈入线与馈电口连接。
[0030]介质基板材料采用RT/Duroid5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.57mm0
[0031]所述三个金属环若采用其他形状，将难以实现良好的阻抗匹配特性，外加电容大小为300pf，由于馈电环本身的自电感不能忽略，在此，我们加一个外加电容抵消馈电环的自电感，起调谐作用，大小可变，但300pf为最佳。
[0032]所述螺旋谐振器由铜带从内到外交错螺旋而成，也可采用其他金属，但铜的性价比最高。内环铜带宽度为4cm，外环为5cm。内外环之间间距2cm。上述尺寸根据实际情况可调，最终达到系统谐振频率13.56MHz，同时，内环起点与外环终点桥接一电容，起调谐作用，大小为180pf，使天线的辐射效率为93.5 %。无线能量传输是天线直径、工作频率及工作距离的函数，本实用新型是电小天线，且ka = 0.04的数量级。通过此新型交错螺旋方式条带状导体螺旋谐振器，使得电流能限制在谐振器最外层的物理范围内，进一步减少能量损耗，增大辐射效率。从而使得接收天线能接收到的能量最大化。
[0033]本实用新型工作频率在13.56兆赫兹，较kHz频率，谐振线长度减小，近场范围较大，耦合强度增加。
[0034]如图4所示，本实施例中，发射天线与接收天线采用镜面对称结构，且发射、接收天线置于同一水平线上。
[0035]图2中Cf为外加电容，大小为300pf ； ds为外环直径，长度I 1mm ； d2为内环直径，长度80mm;dw为印制金属线宽，宽度3mm。
[0036]图3中3表示内环起点，4表示外环终点。C表示桥接电容，大小为180pf;wl为内环高度，4cm;w2为外环高度，5cm;g表示两环之间间距，为2cm;箭头方向表示螺旋带的绕制方向。
[0037]以上述尺寸制作的无线能量传输电小天线的能量传输效率仿真结果如图5所示。在60cm( 3倍最大尺寸)处，传输效率达90 %以上，在70cm处，传输效率达80 %以上，在80cm处，达60 %以上，说明本实用新型具有良好的能量传输特性。
[0038]本实用新型介质基板与谐振器内环直接接触，使得电流能限制在谐振器最外层的物理范围内，进一步减少能量损耗，增大辐射效率。
[0039]本实用新型低频、大小与辐射效率平衡优化，以获得以最小体积获得最大辐射效率及最远无线能量传输距离。
[0040]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，用于无线能量传输系统发射及接收天线，其特征在于，包括介质基板、馈电环、信号馈入线及螺旋谐振器，所述馈电环印制在介质基板上，所述介质基板与螺旋谐振器接触，且放置在同一中轴线上，所述馈电环由三个末端相连的金属环及外加电容构成，所述螺旋谐振器由铜带从内到外交错螺旋而成。2.根据权利要求1所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，所述三个末端相连的金属环包括外金属环、内金属环及中间金属环，所述外加电容位于外金属环与介质基板长度方向中线的交点处。3.根据权利要求1所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，所述螺旋谐振器由铜带从内到外交错螺旋而成，具体内环铜带宽度为4cm，外环宽度外5cm，内、夕卜环间距2cm。4.根据权利要求3所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，所述螺旋谐振器还包括桥接电容，桥接在螺旋谐振器内环起点与外环终点的连接处。5.根据权利要求4所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，夕卜加电容为300pf，桥接电容为180pf。6.根据权利要求1所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，馈电环的外金属环延伸至介质基板边缘形成馈电口，所述信号馈入线与馈电口连接。7.根据权利要求2所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，夕卜金属环直径为11 cm，内金属环直径为8cm，在内金属环直径I/3处蜿蜒，中间金属环位于内外两金属环中心，环宽均为3_。8.根据权利要求1所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，本天线作为无线能量传输系统发射与接收天线时采用镜面对称结构，且发射与接收天线置于同一水平线上。9.根据权利要求2所述的一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，其特征在于，所述中间金属环及外金属环均为矩形环。
【专利摘要】本实用新型公开了一种无线能量传输高辐射效率电小螺旋天线，用于无线能量传输系统发射及接收天线，包括介质基板、馈电环、信号馈入线及螺旋谐振器，所述馈电环印制在介质基板上，所述介质基板与螺旋谐振器接触，且放置在同一中轴线上，所述馈电环由三个末端相连的金属环及外加电容构成，所述螺旋谐振器由铜带从内到外交错螺旋而成。本实用新型能够减少导体损耗，增大辐射效率。
【IPC分类】H01Q7/06, H02J50/27, H01Q1/36, H01Q1/50
【公开号】CN205211929
【申请号】CN201520965740
【发明人】黄惠芬, 李婷
【申请人】华南理工大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年11月26日