边缘密集嵌套电容加载环谐振器的制造方法

边缘密集嵌套电容加载环谐振器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种边缘密集嵌套电容加载环谐振器，包括：谐振单元，由多个相分离的电容加载导体环依次嵌套而成，每一电容加载导体环包括相连接的一导体环和一加载电容，加载电容可使多个相分离的电容加载导体环具有相同或相近的固有谐振频率，进而可使多个相分离的电容加载导体环工作时实现共振，其中，多个相分离的电容加载导体环嵌套设置在最大直径电容加载导体环的毗邻区内；和驱动单元环，位于谐振单元内，驱动单元环的直径小于各电容加载导体环的直径，且与功率源相连接并与各电容加载导体环相分离。通过本发明的技术方案，可以大大提高空间利用率和谐振器的品质因数，打破谐振器的关键参数对性能的制约，提高功率传输效率。
【专利说明】边缘密集嵌套电容加载环谐振器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子元器件【技术领域】，具体而言，涉及一种应用在无线功率传输技术 中的边缘密集嵌套电容加载环谐振器。

【背景技术】
[0002] 如今，笔记本电脑、手机、平板电脑和嵌入式设备等高便携性电子设备在我们的日 常生活中扮演着越来越重要的角色，这些电子设备及配件的供电高度依赖电池，尽管亚微 米级加工技术的进步已使低功耗电子设备获得了快速持续发展，但是这些便携电子设备的 功能也在日益增加，使得总体能源消耗难以下降，便携电子设备往往因为电池供电不够持 久而很难发挥出全部潜能，其便利性也因频繁充电或更换电池而大打折扣。此外，对于那些 不能接有线充电器的设备来说，比如生物医学领域的人体植入设备，其电池的更换需要通 过外科手术来实现，而通过无线可充电电源可以使病人尤其是老年人避免进行这种危险性 较高的外科手术。同时，由于人体和日常生活中广泛使用的各种材料与电场有较强的相互 作用，而与磁场只有微弱的相互作用，这使得采用磁耦合技术的无线功率传输系统对人体 的安全性较高，而对设备正常工作的环境要求比较低，因此，采用磁耦合技术的无线功率传 输系统成为了近年的研究热点。
[0003] 磁耦合技术的无线功率传输分为两类，非谐振的磁耦合无线功率传输技术和谐振 的磁耦合无线功率传输技术。非谐振的磁耦合无线功率传输技术具有安全、低成本、中低功 率和短距离（通常小于0.1倍的谐振器的直径）的特点，传输距离的限制使得非谐振的磁 耦合无线功率传输技术的应用领域颇为受限。谐振的磁耦合无线功率传输技术通过使用高 Q值的谐振器，使无线功率传输距离达到2到3倍谐振器的直径，大大超过了采用非谐振的 磁耦合无线功率传输技术的设备的传输距离，从而实现了对多个移动目标进行大范围、多 角度、高效率和较低成本的安全供电。
[0004] 谐振器的性能在谐振的磁耦合无线功率传输技术中至关重要。非用于无线功率传 输领域的谐振器多为封闭结构，谐振器之间的耦合需通过一些技术手段进行抑制，这类谐 振器的品质因数，即Q值为最重要的技术指标。用于无线功率传输的谐振器位于开放空间， 通过谐振器之间的耦合传递能量，因此谐振器间的耦合系数需要通过一些技术手段进行增 强和优化。磁耦合谐振式无线功率传输设备的效率由谐振器间的耦合系数与谐振器的Q值 的积及谐振器共振频率决定，因此耦合系数与Q值同为无线功率传输系统最重要的技术指 标。
[0005] 谐振的磁耦合无线功率传输技术是基于高Q值高耦合系数的谐振器实现的。被广 泛用于磁耦合无线功率传输技术的三维螺旋线圈谐振器是高Q值谐振器的一个最典型的 代表。其线圈依靠各匝导线之间的分布电容与分布电感的相互作用来实现共振，比如MIT 相关科研人员在《Science》刊登的文章中的0. 6m直径的等距离螺旋谐振器。三维线圈的 耦合系数主要取决于线圈匝数和线圈直径；同时其谐振频率主要取决于直径、匝数和线圈 节距；线圈的导体损耗由导线的材料、长度和直径决定；而线圈的辐射损耗由直径决定。通 过研究可以发现这种谐振器的线圈节距对谐振频率的影响较强而对耦合系数的影响较弱， 这意味着调整三维线圈的节距来控制谐振频率，同时几乎不影响无线功率传输中三维线圈 的耦合系数和Q值两个关键参数。因此，三维螺旋线圈谐振器实现了高耦合系数和高Q值 从而作为核心部件被广泛应用在中距离无线功率传输系统中。这种谐振器最大的问题是其 所占空间较大，尤其在中远距离的无线功率传输系统中，过于庞大的三维螺旋线圈谐振器 直接导致了无线功率传输设备难以商用。因此越来越多的研究人员把目光投向了二维平面 谐振器的研制工作，目前的二维螺旋谐振器主要有平面螺旋谐振器和电容加载环谐振器两 种。
[0006] 平面螺旋谐振器是一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其各匝线圈具有不 同的半径。由于平面空间的局限性，导致平面线圈的节距对耦合系数影响很大，这一点与三 维螺旋线圈有很大不同。由于在最佳频率条件下不能使耦合系数和Q值同时达到最优，并 且沿导线正弦分布的电流更靠近谐振器的中轴线，进一步降低了二维线圈的电感。这些原 因造成了二维线圈能达到的耦合系数和Q值要比三维线圈要低很多。
[0007] 平面电容加载环谐振器是另一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其是由单 导体环端接低损耗电容实现谐振，可以在给定谐振器直径的条件下，通过采用恰当电容达 到最佳谐振频率，但由于单导体环并未充分利用二维平面空间，自感和互感都较低，从而使 得耦合系数和Q值要比三维谐振器低很多。
[0008] 以上两种平面谐振器的功率传输效率在传输距离等于两倍谐振器直径处远远低 于相应的三维螺旋谐振器，形成了谐振的磁耦合无线功率传输技术的一个瓶颈。
[0009] 因此，需要一种新的技术方案，可以解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器 效率低下的技术难题，打破谐振器的关键参数对性能的制约，从而提高传输功率，优化谐振 器的性能。


【发明内容】

[0010] 本发明正是基于上述问题，提出了一种新的技术方案，可以解决三维谐振器体积 过大和传统二维谐振器效率低下的技术难题，打破谐振器的关键参数对性能的制约，从而 提高无线功率传输效率，优化谐振器的性能。
[0011] 有鉴于此，本发明提出了一种边缘密集嵌套电容加载环谐振器，包括：谐振单元， 所述谐振单元由多个相分离的电容加载导体环依次嵌套而成，每一所述电容加载导体环包 括相连接的一导体环和一加载电容，所述加载电容可使多各个相分离的所述电容加载导体 环具有相同或相近的固有谐振频率，进而可使多各个相分离的所述电容加载导体环工作时 实现共振，其中，所述多个相分离的电容加载导体环中除去最大直径电容加载导体环外，存 在其他多个电容加载导体环嵌套设置在所述最大直径电容加载导体环的毗邻区内，所述毗 邻区为靠近所述最大直径电容加载导体环内侧方向且径向为所述最大直径电容加载导体 环直径的0. 68倍至1倍、在与所述最大直径电容加载环的环面垂直方向且为环面两侧的 到环面距离切向为所述最大直径电容加载导体环直径的0倍至1. 5倍的区域；和驱动单元 环，位于所述谐振单元内，所述驱动单元环的直径小于所述各电容加载导体环的直径，且所 述驱动单元环与功率源相连接并与所述各电容加载导体环相分离。
[0012] 在该技术方案中，谐振器内各电容加载导体环是否位于所述最大电容加载导体环 的特殊毗邻区内决定了电容加载导体环能否有效提升谐振器的功率传输效率。共振工作的 多环谐振器，相对于只有其中一个电容加载环的单环谐振器，有更大的金属表面积从而能 有效降低导体损耗，从而提高谐振器的Q值。然而谐振器中的电容加载导体环按直径大小 相互嵌套时，会使电流分布向环中心靠近，从而降低了谐振器间的耦合系数。因此谐振器的 最大电容加载导体环有一个特殊的毗邻区，在该区域增加电容加载导体环的个数使谐振器 的Q值提高得较多而使耦合系数降低得较少，从而耦合系数与Q值的积是增加的，最终使得 谐振器间的无线功率传输效率得到提升。本发明通过在毗邻区内在最大电容加载导体环边 缘密集嵌套多个共振的电容加载导体环，极大程度提高无线功率传输系统的无线功率传输 效率，同时相对单环谐振器不会明显增加谐振器的体积。通过合理安排各电容加载导体环 的直径，可以使各电容加载导体环及中心驱动单元环相互嵌套在一个平面上，实现谐振器 的平面化。
[0013] 其中，各电容加载导体环共振工作，即只要有电容加载导体环工作，所有电容加载 导体环全部工作，且各电容加载导体环谐振在相同的频率
[0014] 在上述技术方案中，优选地，所述毗邻区为靠近所述最大直径电容加载导体环内 侧方向且径向为所述最大直径电容加载导体环直径的0.68倍至1倍、切向为所述最大直径 电容加载导体环直径的〇倍至〇. 25倍的区域。
[0015] 毗邻区边界可以通过仅有两个电容加载导体环的谐振器间的无线功率传输效率 的仿真确定。可以得到毗邻区在谐振器最大电容加载导体环所在平面的截面为环型，环的 宽度约为〇. 16倍最大环的直径。同时可以得到能够提升无线功率传输效率的嵌套区域在 与谐振器最大环垂直且通过环中心的平面内的截面近似为半椭圆，其短轴为0. 16倍最大 加载环直径，长轴为〇. 68倍最大加载环直径。由于减小各电容加载导体环的距离可以增大 电容加载导体环间的非谐振耦合，从而降低对加载电容精度的要求，从而可使用实际可以 得到的具有一定容差的电容实现；同时为了相对于传统谐振器具有体积上的优势，本发明 的谐振器中的各嵌套环的中心距离需得到控制。因此毗邻区选择在上述半椭圆区域中到短 轴距离小于〇. 25倍最大加载环直径的区域。
[0016] 采用多个相分离的电容加载导体环密集嵌套于谐振器中最大电容加载导体环的 特殊毗邻区，可以有效降低谐振器导体损耗从而提高谐振器的品质因数（Q值），同时谐振 器间的耦合系数下降较少，总体效果是提升了谐振器无线功率传输的效率。谐振器的Q值 的提高除了可以通过增加嵌套环的个数降低导体损耗来实现，还需要对谐振频率进行优 化。随着谐振频率的提高，导体环的辐射损耗会快速增大，从而使谐振器的Q值下降。如果 给定谐振器中各谐振单元的直径，有存在一个最优的谐振频率，使谐振器的无线功率传输 效率最高。谐振频率高于最优谐振频率继续增加，会使辐射损耗明显增加。
[0017] 在上述技术方案中，优选地，多个相分离的所述电容加载导体环中的各个所述加 载电容中任意两个加载电容与所述边缘密集嵌套电容加载环谐振器的中心连线的夹角均 小于90度，每个所述电容加载导体环中的导体环仅有一圈，且所述加载电容与与其相连接 的所述导体环位于同一平面内。
[0018] 在上述技术方案中，优选地，所述最大直径电容加载导体环与位于所述毗邻区中 的其他多个所述电容加载导体环的表面积总和，占所有边缘密集嵌套电容加载环谐振器的 表面积的2/3以上。
[0019] 在上述技术方案中，优选地，多个所述电容加载导体环的共振频率与所述最大直 径电容加载导体环的直径之积小于2xl0 7m . Hz。
[0020] 在该技术方案中，为有效控制辐射损耗，所述电容加载导体环的共振频率与所述 最大直径电容加载导体环的直径之积小于2xl0 7m . Hz。由于每一个电容加载导体环都由 一个导体环和一个加载电容组成，可以利用集总电容来调节谐振频率，使各电容加载导体 环有几乎相同的自谐振频率的同时将谐振器的谐振频率调整至最优值。由于在这个过程中 不会改变谐振器间的耦合系数，打破了谐振器关键参数对其性能的制约，同时实现了谐振 器的高品质因数、高耦合系数和远小于传统三维谐振器的体积。
[0021] 一般地，为多个具有较高Q值的独立的导体环加载不同大小的电容以实现相同的 谐振频率从工业角度来看是不可能的，因为商用的低损耗电容都有1% -5%的容差，而高 精度的电容很难获得，并且价格昂贵，而本技术方案采用近距离嵌套的方法实现共振，通过 增大嵌套环之间的非谐振耦合，大大降低了对加载的低损耗电容的电容值精度的要求，普 通商用的具有1%容差的低损耗电容已经可以很好的应用在本发明的谐振器中，相对采用 更高精度电容加载的情形仅有轻微的性能损失。近距离嵌套的方法通过共同的磁链将各自 独立的电容加载导体环联系起来，使得环与环之间耦合得非常强烈，从而形成一定的并联 关系，这意味着即使加载电容不能使每个环刚好谐振在完全相同频率或是比较接近的频 率，非谐振耦合依然能将它们联合起来产生唯一的谐振频率。由于谐振耦合在谐振中依然 扮演着重要的角色，当每个环的谐振频率与其它环非常接近时，谐振器的谐振将达到最高 水平，功率传输也达到最高效率。
[0022] 在上述技术方案中，优选地，多个相分离的所述电容加载导体环中每个所述电容 加载导体环与其他所述电容加载导体环具有不同的等效串联电感。
[0023] 在该技术方案中，优选地，边缘密集嵌套电容加载环谐振器中的每个导体环的直 径不同，且位于谐振器的不同位置，因此每个导体环有不同的等效串联电感。
[0024] 在上述技术方案中，优选地，每个所述电容加载导体环采用不同直径，多个所述电 容加载导体环具有共同的圆心并位于同一平面内。
[0025] 在该技术方案中，优选地，多个分离的电容加载导体环共平面且共圆心，同时直径 各不相同，通过采用近距离平面嵌套的方法来实现多重谐振，增大了嵌套环之间的非谐振 耦合，从而大大降低了对加载的低损耗电容的电容值的精度要求。同时最大限度地利用了 谐振器所占据的二维空间，相对于传统的单电容加载导体环谐振器而言显著提升了品质因 数，从而做到更远距离的能量传输。
[0026] 在上述技术方案中，优选地，任意两个所述电容加载导体环上加载电容间的位置 在空间上的距离，小于其中一个所述电容加载导体环上的所述导体环到对应的所述加载电 容最远的位置和其中另一个所述电容加载导体环上的所述导体环到对应的所述加载电容 最远的位置在空间上的距离。
[0027] 在上述技术方案中，优选地，所述驱动单元环上设置有端口输出阻抗，所述端口输 出阻抗与所述加载电容对应设置。
[0028] 在该技术方案中，驱动单元的端口输出阻抗可以取50欧姆，当然，还可以是除此 之外的其他值。
[0029] 在上述技术方案中，优选地，所述导体环由截面为圆形的导线、薄金属带或其他截 面形状的导线绕制而成。
[0030] 在上述技术方案中，优选地，所述边缘密集嵌套电容加载环谐振器位于自由空间 中，或位于印刷电路板上。
[0031] 在该技术方案中，所述电容加载导体环可以是自由空间中的电容加载导体环，其 中，所述自由空间中的导体环可由截面为圆形或其他截面形状的导线绕制而成，亦可由薄 金属带绕制而成。所述电容加载导体环也可以是印刷电路板（PCB)上的电容加载的带状导 体环。对于PCB板上印刷的一般的平面螺旋谐振器，当使用损耗较大的介质基板时，比如基 板FR4,功率传输效率会大大降低，而对于具有印刷电容加载导体环的谐振器，通过采用嵌 套结构和低损耗电容加载，绝大部分的电能存储在比使用的介质基板的介质损耗因数小很 多的陶瓷电容器中，这意味着即使FR4被用作介质基板，边缘密集嵌套电容加载环谐振器 依然能接近处于自由空间时的性能，使功率传输效率不用受到介质基板类型的制约。另外， 印刷电路具有稳定、廉价、体积小等许多优势，用PCB印刷技术实现本发明的边缘密集嵌套 电容加载环谐振器，有利于减小谐振器占用的空间，节省成本并便于系统集成。
[0032] 通过以上技术方案，可以解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的 技术难题，采用多导体环边缘嵌套及电容加载结构，打破了谐振器的耦合系数、品质因数及 谐振频率对性能的制约，从而使功率传输效率大幅度提高，优化了谐振器的性能。

【专利附图】

【附图说明】
[0033] 图1示出了根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器的框图；
[0034] 图2示出了根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器的结构示意 图；
[0035] 图3示出了根据本发明的实施例的印刷嵌套电容加载环谐振器的结构示意图；
[0036] 图4A和图4B示出了根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器的毗 邻区的截面示意图，其中，图4A为与最大电容加载导体环相垂直且通过环中心的截面示意 图，图4B为与最大电容加载导体环相平行且通过环中心的截面示意图。
[0037] 附图1至附图4B中标号和部件的对应关系为：
[0038] 100边缘密集嵌套电容加载环谐振器，102谐振单元，104驱动单元，200边缘密集 嵌套电容加载环谐振器，202低损耗电容，204电容加载导体环，206中心圆环，208端口，300 印刷嵌套电容加载环谐振器，302低损耗电容，304电容加载导体环，306中心圆环，308端 口，402最大直径电容加载导体环，404毗邻区。

【具体实施方式】
[0039] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施 例及实施例中的特征可以相互组合。
[0040] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可 以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开 的具体实施例的限制。
[0041] 图1示出了根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器的框图。
[0042] 如图1所示，根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器100包括：谐 振单元102,所述谐振单元102由多个相分离的电容加载导体环依次嵌套而成，每一所述电 容加载导体环包括相连接的一导体环和一加载电容，所述加载电容可使多个相分离的所述 电容加载导体环具有相同或相近的固有谐振频率，进而可使多个相分离的所述电容加载导 体环工作时实现共振，其中，所述多个相分离的电容加载导体环嵌套设置在最大直径电容 加载导体环的毗邻区内，所述毗邻区为靠近所述最大直径电容加载导体环内侧方向且径向 为所述最大直径电容加载导体环直径的0. 68倍至1倍、在与所述最大直径电容加载环的环 面垂直方向且为环面两侧的到环面距离为所述最大直径电容加载导体环直径的〇倍至1. 5 倍的区域；和驱动单元环104,所述驱动单元环104位于所述谐振单元102内，并与多个相 分离的所述电容加载导体环具有共同的圆心并位于同一平面内，且所述驱动单元环与功率 源相连接并与所述谐振单元102相分离。
[0043] 在该技术方案中，谐振器内各电容加载导体环是否位于所述最大电容加载导体环 的特殊毗邻区内决定了电容加载导体环能否有效提升谐振器的功率传输效率。共振工作的 多环谐振器，相对于只有其中一个电容加载环的单环谐振器，有更大的金属表面积从而能 有效降低导体损耗，从而提高谐振器的Q值。然而谐振器中的电容加载导体环按直径大小 相互嵌套时，会使电流分布向环中心靠近，从而降低了谐振器间的耦合系数。因此谐振器的 最大电容加载导体环有一个特殊的毗邻区，在该区域增加电容加载导体环的个数使谐振器 的Q值提高得较多而使耦合系数降低得较少，从而耦合系数与Q值的积是增加的，最终使得 谐振器间的无线功率传输效率得到提升。本发明通过在毗邻区内在最大电容加载导体环边 缘密集嵌套多个共振的电容加载导体环，极大程度提高无线功率传输系统的无线功率传输 效率，同时相对单环谐振器不会明显增加谐振器的体积。通过合理安排各电容加载导体环 的直径，可以使各电容加载导体环及中心驱动单元环相互嵌套在一个平面上，实现谐振器 的平面化。
[0044] 其中，各电容加载导体环共振工作，即只要有电容加载导体环工作，所有电容加载 导体环全部工作，且各电容加载导体环谐振在相同的频率
[0045] 在上述技术方案中，优选地，所述毗邻区为靠近所述最大直径电容加载导体环内 侧方向且径向为所述最大直径电容加载导体环直径的0.68倍至1倍、切向为所述最大直径 电容加载导体环直径的〇倍至〇. 25倍的区域。
[0046] 毗邻区边界可以通过仅有两个电容加载导体环的谐振器间的无线功率传输效率 的仿真确定。可以得到毗邻区在谐振器最大电容加载导体环所在平面的截面为环型，环的 宽度约为〇. 16倍最大环的直径。同时可以得到能够提升无线功率传输效率的嵌套区域在 与谐振器最大环垂直且通过环中心的平面内的截面近似为半椭圆，其短轴为0. 16倍最大 加载环直径，长轴为〇. 68倍最大加载环直径。由于减小各电容加载导体环的距离可以增大 电容加载导体环间的非谐振耦合，从而降低对加载电容精度的要求，从而可使用实际可以 得到的具有一定容差的电容实现；同时为了相对于传统谐振器具有体积上的优势，本发明 的谐振器中的各嵌套环的中心距离需得到控制。因此毗邻区选择在上述半椭圆区域中到短 轴距离小于〇. 25倍最大加载环直径的区域。
[0047] 采用多个相分离的电容加载导体环密集嵌套于谐振器中最大电容加载导体环的 特殊毗邻区，可以有效降低谐振器导体损耗从而提高谐振器的品质因数（Q值），同时谐振 器间的耦合系数下降较少，总体效果是提升了谐振器无线功率传输的效率。谐振器的Q值 的提高除了可以通过增加嵌套环的个数降低导体损耗来实现，还需要对谐振频率进行优 化。随着谐振频率的提高，导体环的辐射损耗会快速增大，从而使谐振器的Q值下降。如果 给定谐振器中各谐振单元102的直径，有存在一个最优的谐振频率，使谐振器的无线功率 传输效率最高。谐振频率高于最优谐振频率继续增加，会使辐射损耗明显增加。
[0048] 在上述技术方案中，优选地，多个相分离的所述电容加载导体环中的各个所述加 载电容中任意两个加载电容与所述边缘密集嵌套电容加载环谐振器的中心连线的夹角均 小于90度，每个所述电容加载导体环中的导体环仅有一圈，且所述加载电容与与其相连接 的所述导体环位于同一平面内。
[0049] 在上述技术方案中，优选地，所述最大直径电容加载导体环与位于所述毗邻区中 的其他多个所述电容加载导体环的表面积总和，占所有边缘密集嵌套电容加载环谐振器的 表面积的2/3以上。
[0050] 在上述技术方案中，优选地，多个所述电容加载导体环的共振频率与所述最大直 径电容加载导体环的直径之积小于2xl0 7m . Hz。
[0051] 在该技术方案中，为有效控制辐射损耗，所述电容加载导体环的共振频率与所述 最大直径电容加载导体环的直径之积小于2xl0 7m . Hz。由于每一个电容加载导体环都由 一个导体环和一个加载电容组成，可以利用集总电容来调节谐振频率，使各电容加载导体 环有几乎相同的自谐振频率的同时将谐振器的谐振频率调整至最优值。由于在这个过程中 不会改变谐振器间的耦合系数，打破了谐振器关键参数对其性能的制约，同时实现了谐振 器的高品质因数、高耦合系数和远小于传统三维谐振器的体积。
[0052] -般地，为多个具有较高Q值的独立的导体环加载不同大小的电容以实现相同的 谐振频率从工业角度来看是不可能的，因为商用的低损耗电容都有1% -5%的容差，而高 精度的电容很难获得，并且价格昂贵，而本技术方案采用近距离嵌套的方法实现共振，通过 增大嵌套环之间的非谐振耦合，大大降低了对加载的低损耗电容的电容值精度的要求，普 通商用的具有1%容差的低损耗电容已经可以很好的应用在本发明的谐振器中，相对采用 更高精度电容加载的情形仅有轻微的性能损失。近距离嵌套的方法通过共同的磁链将各自 独立的电容加载导体环联系起来，使得环与环之间耦合得非常强烈，从而形成一定的并联 关系，这意味着即使加载电容不能使每个环刚好谐振在完全相同频率或是比较接近的频 率，非谐振耦合依然能将它们联合起来产生唯一的谐振频率。由于谐振耦合在谐振中依然 扮演着重要的角色，当每个环的谐振频率与其它环非常接近时，谐振器的谐振将达到最高 水平，功率传输也达到最高效率。
[0053] 在上述技术方案中，优选地，多个相分离的所述电容加载导体环中每个所述电容 加载导体环与其他所述电容加载导体环具有不同的等效串联电感。
[0054] 在该技术方案中，优选地，边缘密集嵌套电容加载环谐振器中的每个导体环的直 径不同，且位于谐振器的不同位置，因此每个导体环有不同的等效串联电感。
[0055] 在上述技术方案中，优选地，每个所述电容加载导体环采用不同直径，多个所述电 容加载导体环具有共同的圆心并位于同一平面内。
[0056] 在该技术方案中，优选地，多个分离的电容加载导体环共平面且共圆心，同时直径 各不相同，通过采用近距离平面嵌套的方法来实现多重谐振，增大了嵌套环之间的非谐振 耦合，从而大大降低了对加载的低损耗电容的电容值的精度要求。同时最大限度地利用了 谐振器所占据的二维空间，相对于传统的单电容加载导体环谐振器而言显著提升了品质因 数，从而做到更远距离的能量传输。
[0057] 在上述技术方案中，优选地，任意两个所述电容加载导体环上加载电容间的位置 在空间上的距离，小于其中一个所述电容加载导体环上的所述导体环到对应的所述加载电 容最远的位置和其中另一个所述电容加载导体环上的所述导体环到对应的所述加载电容 最远的位置在空间上的距离。
[0058] 在上述技术方案中，优选地，所述驱动单元环上设置有端口输出阻抗，所述端口输 出阻抗与所述加载电容对应设置。
[0059] 在该技术方案中，驱动单元的端口输出阻抗可以取50欧姆，当然，还可以是除此 之外的其他值。
[0060] 在上述技术方案中，优选地，所述导体环由截面为圆形的导线、薄金属带或其他截 面形状的导线绕制而成。
[0061] 在上述技术方案中，优选地，所述边缘密集嵌套电容加载环谐振器位于自由空间 中，或位于印刷电路板上。
[0062] 在该技术方案中，所述电容加载导体环可以是自由空间中的电容加载导体环，其 中，所述自由空间中的导体环可由截面为圆形或其他截面形状的导线绕制而成，亦可由薄 金属带绕制而成。所述电容加载导体环也可以是印刷电路板（PCB)上的电容加载的带状导 体环。对于PCB板上印刷的一般的平面螺旋谐振器，当使用损耗较大的介质基板时，比如基 板FR4,功率传输效率会大大降低，而对于具有印刷电容加载导体环的谐振器，通过采用嵌 套结构和低损耗电容加载，绝大部分的电能存储在比使用的介质基板的介质损耗因数小很 多的陶瓷电容器中，这意味着即使FR4被用作介质基板，边缘密集嵌套电容加载环谐振器 依然能接近处于自由空间时的性能，使功率传输效率不用受到介质基板类型的制约。另外， 印刷电路具有稳定、廉价、体积小等许多优势，用PCB印刷技术实现本发明的边缘密集嵌套 电容加载环谐振器，有利于减小谐振器占用的空间，节省成本并便于系统集成。
[0063] 图2示出了根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器的结构示意 图。
[0064] 如图2所示，根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器200,其谐振 单元由若干个分离的低损耗电容202和电容加载导体环204在最大电容加载导体环的毗 邻区内嵌套而成，多个电容加载导体环204具有不同的直径，边缘密集嵌套电容加载环谐 振器200的驱动单元环为中心圆环206,其端口 208具有50欧姆端口输出阻抗，中心圆环 206可与多个分离的电容加载导体环204共圆心（当然，也可以不共圆心，在此，以共圆心为 例），且中心圆环206的直径小于多个分离的电容加载导体环204中任一电容加载导体环的 直径。中心圆环206与功率源直接相连。
[0065] 在该技术方案中，边缘密集嵌套电容加载环谐振器200采用在最大电容加载导体 环的特殊毗邻区内嵌套有多个分离的电容加载导体环的新型结构，利用集总电容来调节谐 振频率，几乎不用改变互感系数就能将谐振频率调整至最优值，同时相对于单电容加载环 降低了导体损耗提升了品质因数。打破了谐振器的关键参数，即耦合系数、品质因数和谐振 频率对其性能的制约，使谐振器的性能大幅度提高，增加了功率传输效率。另外，设定中心 圆环与多个分离的电容加载导体环共平面且共圆心，最大限度地利用了谐振器所占据的二 维空间，通过共同的磁链将各自独立的电容加载导体环联系起来，相对于传统的单导体环 加载低损耗电容实现的谐振器而言显著提升了品质因数，从而做到更远距离的能量传输。
[0066] 在上述技术方案中，优选地，多个分离的电容加载导体环位于同一平面。
[0067] 在该技术方案中，通过采用在最大直径的电容加载环的特殊毗邻区内平面嵌套多 个电容加载导体环的方法来实现多环共振，提高谐振器功率传输的效率，并增大了嵌套环 之间的非谐振耦合，并大大降低了对加载的低损耗电容的电容值的精度要求。
[0068] 在上述技术方案中，优选地，驱动单元具有50欧姆端口输出阻抗。
[0069] 在该技术方案中，驱动单元的端口输出阻抗可以取50欧姆，当然，还可以是除此 之外的其他值。
[0070] 在上述技术方案中，优选地，多个相分离的所述电容加载导体环中每个电容加载 导体环具有与其他电容加载导体环不同的等效串联电感。
[0071] 在该技术方案中，边缘密集嵌套电容加载环谐振器中的每个导体环的直径不同， 且位于谐振器的不同位置，因此每个导体环有不同的等效串联电感。
[0072] 在上述技术方案中，优选地，多个分离的电容加载导体环中每个电容加载导体环 加载与其他电容加载导体环不同的电容。
[0073] 在上述技术方案中，优选地，所述电容加载的导体环为自由空间中的导体环。
[0074] 在该技术方案中，为使整个谐振器有唯一的谐振频率，每个导体环需要有几乎相 同的自谐振频率，而相同的自谐振频率需要通过加载不同大小的电容来实现，因此每个导 体环必须加载不同大小的电容。一般地，为多个具有较高Q值的电容加载导体环加载不同 大小的电容以实现完全相同的自谐振频率从工业角度来看是不可能的，因为商用的低损耗 电容都有1% -5%的容差，而高精度的电容很难获得，并且价格昂贵，而本技术方案采用边 缘密集嵌套的方法实现多重谐振，通过增大嵌套环之间的非谐振耦合，大大降低了对加载 的低损耗电容的电容值精度的要求，普通商用的具有1%容差的低损耗电容已经可以很好 的应用在本发明的谐振器中，相对采用更高精度电容加载的情形仅有轻微的性能损失。近 距离平面嵌套的方法通过共同的磁链将各自独立的电容加载导体环联系起来，使得环与环 之间耦合得非常强烈，从而形成一定的并联关系，这意味着即使加载电容不能使每个环刚 好谐振在完全相同的频率，非谐振耦合依然能将它们联合起来产生唯一的谐振频率。由于 谐振耦合在谐振中依然扮演着重要的角色，当每个环的谐振频率与其它环非常接近时，谐 振器的谐振将达到最高水平，无线功率传输也达到最高效率。
[0075] 图3示出了根据本发明的实施例的印刷嵌套电容加载环谐振器的结构示意图。
[0076] 如图3所示，根据本发明的实施例的印刷嵌套电容加载环谐振器300,其谐振单元 由若干个分离的低损耗电容302和电容加载导体环304,并在最大电容加载导体环的毗邻 区内嵌套而成，印刷电容加载导体环304为薄金属带，多个印刷电容加载导体环304具有不 同的直径，印刷边缘密集嵌套电容加载环谐振器300的驱动单元为中心圆环306,其具有50 欧姆指定端口输出阻抗（如50欧姆）的端口 308,且通过端口 308与功率源直接相连。其 中，中心圆环306可以与多个分离的印刷电容加载导体环304共圆心（当然，也可以不共圆 心，在此，以共圆心为例），且中心圆环306的直径小于多个分离的印刷电容加载导体环304 中任一印刷电容加载导体环的直径。
[0077] 在上述技术方案中，优选地，所述印刷电容加载导体环为平面薄带状导体环。
[0078] 在该技术方案中，还可以采用PCB印刷技术，对于PCB板上印刷的一般的平面螺旋 谐振器，当使用损耗较大的介质基板时，比如基板FR4,介质损耗会使传输效率显著降低，而 对于具有印刷电容加载导体环的谐振器，通过采用边缘密集嵌套结构和低损耗电容，绝大 部分的电能存储在比使用的介质基板的介质损耗因数小很多的陶瓷电容器中，这意味着即 使FR4被用作介质基板，印刷边缘密集嵌套电容加载环谐振器依然能接近处于自由空间时 的性能，使传输效率不会受到介质基板类型的制约。另外，印刷电路具有稳定、廉价、体积小 等许多优势，用PCB印刷技术实现本发明的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，有利于减小 谐振器占用的空间，节省成本便于系统集成。
[0079] 此外，PCB板的覆铜厚度应大于趋肤效应深度两倍以上以减少导体损耗，覆铜厚度 为35微米（1盎司）的PCB板可用来制作谐振频率在13MHz以上的边缘密集嵌套电容加载 环谐振器；覆铜厚度为70微米（2盎司）的PCB板可用来制作谐振频率在3. 5MHz以上的边 缘密集嵌套电容加载环谐振器。这意味着用常用的PCB板来制作高Q值印刷边缘嵌套电容 加载环是合适的，低成本和高性能的特点使得印刷边缘密集嵌套电容加载环谐振器成为商 业应用的一个很好的备选。
[0080] 图4A和图4B示出了根据本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载环谐振器的毗 邻区的截面图。其中，图4A为与最大电容加载导体环相垂直且通过环中心的截面示意图， 图4B为与最大电容加载导体环相平行且通过环中心的截面示意图。
[0081] 毗邻区404边界可以通过仅有两个电容加载导体环的谐振器间的无线功率传输 效率的仿真确定。可以选择特殊尺寸的发明实例进行仿真，但所得结果对任意尺寸的实例 均成立。可以得到毗邻区在谐振器的最大电容加载环所在平面的截面为环型，如图4A所 示，Btt邻区404为靠近最大直径电容加载导体环402内侧方向且径向为所述最大直径电容 加载导体环402直径的0. 68倍至1倍、在与最大直径电容加载环402的环面垂直方向且为 环面两侧的到环面距离为最大直径电容加载导体环402直径的0倍至1. 5倍的区域，即假 设最大电容加载导体环402的直径为D，则图中L1为1. 优选地，Btt邻区404为靠近最 大直径电容加载导体环内侧方向且径向为最大直径电容加载导体环402直径的0. 68倍至1 倍、在与最大直径电容加载环402的环面垂直的方向且为环面两侧的到环面距离为最大直 径电容加载导体环402直径的0倍至0. 25倍的区域，其中，图中L2为0. 25D。
[0082] 因此，可以得到能够提升无线功率传输效率的嵌套区域在与谐振器最大电容加载 导体环402垂直且通过环中心的平面的截面近似为半椭圆，其短轴为0. 16倍最大电容加载 导体环直径，即〇. 16D，长轴为0. 68倍最大电容加载导体环直径。由于减小各电容加载导体 环的距离可以增大电容加载导体环间的非谐振耦合，从而降低对加载电容精度的要求，同 时由于减小谐振器的体积也是本发明的目的之一，为了相对于传统谐振器具有体积上的优 势，本发明的谐振器中的各嵌套环的中心距离须得到控制。因此，Btt邻区404选择在上述半 椭圆区域中到短轴距离小于0. 25倍最大电容加载环402直径的区域，如图4B所示。
[0083] 以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，通过本发明的技术方案，可以解决 三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的技术难题，采用多导体环边缘嵌套及电 容加载结构，打破了谐振器的耦合系数、品质因数及谐振频率对性能的制约，从而使传输效 率大幅度提高，优化了谐振器的性能。
[0084] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于，包括： 谐振单元，所述谐振单元由多个相分离的电容加载导体环依次嵌套而成，每一所述电 容加载导体环包括相连接的一导体环和一加载电容，所述加载电容可使各个相分离的所述 电容加载导体环具有相同或相近的固有谐振频率，进而可使各个相分离的所述电容加载导 体环工作时实现共振； 其中，所述多个相分离的电容加载导体环中除去最大直径电容加载导体环外，其他多 个电容加载导体环嵌套设置在所述最大直径电容加载导体环的毗邻区内，所述毗邻区为靠 近所述最大直径电容加载导体环内侧方向且径向为所述最大直径电容加载导体环直径的 0. 68倍至1倍、在与所述最大直径电容加载环的环面垂直方向且为环面两侧的到环面距离 为所述最大直径电容加载导体环直径的0倍至1. 5倍的区域；和 驱动单元环，位于所述谐振单元内，所述驱动单元环的直径小于各个所述电容加载导 体环的直径，且所述驱动单元环与功率源相连接并与各个所述电容加载导体环相分离。
2. 根据权利要求1所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 所述毗邻区为靠近所述最大直径电容加载导体环内侧方向且径向为所述最大直径电 容加载导体环直径的〇. 68倍至1倍、在与最大直径电容加载环的环面垂直的方向且为环面 两侧的到环面距离为所述最大直径电容加载导体环直径的〇倍至〇. 25倍的区域。
3. 根据权利要求2所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 多个相分离的所述电容加载导体环中的各个所述加载电容中任意两个加载电容与所 述边缘密集嵌套电容加载环谐振器的中心连线的夹角均小于90度。
4. 根据权利要求3所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 每个所述电容加载导体环中的导体环仅有一圈，且所述加载电容与与其相连接的所述 导体环位于同一平面内。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 所述最大直径电容加载导体环与位于所述毗邻区中的其他多个所述电容加载导体环 的表面积总和，占所有边缘密集嵌套电容加载环谐振器的表面积的2/3以上。
6. 根据权利要求1至4中任一项所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 多个所述电容加载导体环的共振频率与所述最大直径电容加载导体环的直径之积小 于 2xl07m · Hz。
7. 根据权利要求1至4中任一项所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 每个所述电容加载导体环采用不同直径，多个所述电容加载导体环具有共同的圆心并 位于同一平面内。
8. 根据权利要求1至4中任一项所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 所述驱动单元环上设置有端口输出阻抗，所述端口输出阻抗与所述加载电容对应设 置。
9. 根据权利要求1至4中任一项所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在于， 所述导体环由截面为圆形的导线、薄金属带或其他截面形状的导线绕制而成。
10. 根据权利要求1至4中任一项所述的边缘密集嵌套电容加载环谐振器，其特征在 于， 所述边缘密集嵌套电容加载环谐振器位于自由空间中，或位于印刷电路板上。
【文档编号】H02J17/00GK104158303SQ201410362842
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】吴柯, 王巍, 西蒙·海默 申请人:杭州柯茂睿海科技有限公司