一种可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线的制作方法

本实用新型属于无线电能传输领域，具体涉及一种可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线。

背景技术：

随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前业内公认的无线充电技术主要分为三类，一种是wpc联盟主推的qi标准，也称为磁感应耦合技术，另一种是airfuel联盟主推的磁谐振耦合技术，还有一种是电磁辐射式无线输能技术。相比于磁感应技术，磁谐振耦合技术在充电距离、空间自由度、一对多充和功率扩展上有明显优势；而相比于电磁辐射式无线输能技术，磁谐振耦合技术在能量转化效率、传输功率和电磁安全方面更具备实际应用价值。目前，该技术已逐渐被应用于智能穿戴、扫地机器人、agv等设备中，赋予设备无线充电的功能，并提高设备的安全性和智能化程度，提升用户的使用体验。另外磁谐振耦合技术在智能家居领域的应用也将颠覆传统家电及移动通信设备、消费电子产品的使用模式，以住宅为平台，利用磁谐振无线充电技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居的安全性、便利性和舒适性，构建高效、环保、节能的居住环境。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线，实现了稳定、高效的无线电能传输。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：一种可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块；

所述发射模块为平板型结构，其包括通过软排线连接的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板的夹角为0°、[90°,150°]或180°；

所述接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振天线，其背面为寄生谐振天线。

本实用新型的有益效果为：一种可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，通过改变第一介质基板和第二介质基板的夹角角度，实现了接收模块在发射天线区域内不同距离、不同角度和不同位置都可以进行充电，可满足同时为多个电子设备的无线充电和供电要求。由本实用新型提供的收发模块实现了小型化和集成化，极大地降低了经济成本。

优选的，所述第一介质基板包括2层印刷电路，第一层印刷电路为第一发射谐振天线，第二层印刷电路为第一微带线；所述第一发射谐振天线包括从外到内设置的第一线圈和第二线圈，所述第二线圈上设置有第一连接点；所述第一微带线的一端设置有第二连接点，其另一端通过软排线与第二介质基板连接；所述第一连接点通过通孔与第二连接点连接，所述第一介质基板的绕线方式为螺旋绕线；

所述第一线圈和第二线圈均为采用微带线制成的单匝线圈。

采用上述优选方案的有益效果为：本实用新型的第一介质基板采用了平面印刷电路板来加工收发模块的天线结构，实现收发天线的小型化和集成化，且本实用新型收发天线的生产、安装和维护的成本较低。本实用新型的第一介质基板的设计，使得接收天线与发射天线进行横向相对运动时，传输效率比较稳定。

采用上述优选方案的有益效果为：

优选的，所述第一介质基板的几何参数设置如下：

所述第一发射谐振天线中微带线宽度wtx1为4mm-8mm；

所述第一发射谐振天线中相邻微带线的间距stx1为1mm-3mm；

所述第一介质基板的长度ltx1为180mm-240mm；

所述第一介质基板的宽度htx1为95mm-135mm；

所述第一线圈的外部长度ltx1_res为180mm-240mm；

所述第一线圈的外部宽度htx1_res为95mm-135mm；

所述第一微带线的宽度wtx2为4mm-8mm。

采用上述优选方案的有益效果为：通过对第一介质基板的几何参数的设置，保证了发射模块的有效发射区域和有效可充电面积，以及在保证发射模块与接收模块之间的耦合强度的同时，实现了小型化和集成化。

优选的，所述第二介质基板包括2层印刷电路，第一层印刷电路为带缺口的矩形螺旋环形的第二发射谐振天线，第二层印刷电路为带缺口矩形的微带线线圈；所述第二发射谐振天线包括从外到内设置的第三线圈、第四线圈和第五线圈，所述第三线圈上设置有电磁能量输入端口，所述第五线圈上设置有第三连接点；所述微带线线圈的一端设置有第四连接点，其另一端通过软排线与第一介质基板连接；所述第三连接点通过通孔与第四连接点连接；所述第二介质基板的绕线方式为第一层和第二层交叉绕线；

所述第三线圈、第四线圈和第五线圈均为采用微带线制成的单匝线圈。

采用上述优选方案的有益效果为：本实用新型的第二介质基板采用了平面印刷电路板来加工收发模块的天线结构，实现收发天线的小型化和集成化，且本实用新型收发天线的生产、安装和维护的成本较低。本实用新型的第二介质基板的设计，使得接收天线与发射天线进行横向相对运动时，传输效率比较稳定。

优选的，所述第二介质基板的几何参数设置如下：

所述第二发射谐振天线中微带线的宽度wtx3为4mm-8mm；

所述第二发射谐振天线中相邻微带线的间距stx2为2mm-4mm；

所述第二介质基板的长度ltx2为180mm-240mm；

所述第二介质基板的宽度htx2为95mm-135mm；

所述第三线圈的外部长度ltx2_res为180mm-240mm；

所述第三线圈的外部宽度htx2_res为95mm-135mm；

所述微带线线圈中微带线的宽度wtx4为4mm-8mm；

所述微带线线圈的外部长度ltx3_res为170mm-230mm；

所述微带线线圈的外部宽度htx3_res为87mm-127mm。

采用上述优选方案的有益效果为：通过对第二介质基板的几何参数的设置，保证了发射模块的有效发射区域和有效可充电面积，以及在保证发射模块与接收模块之间的耦合强度的同时，实现了小型化和集成化。

优选的，所述接收谐振天线为矩形螺旋环形线圈，其包括从外到内设置的第六线圈和第七线圈，所述第六线圈上设置有第五连接点，所述第七线圈上设置有第六连接点；所述寄生谐振天线为矩形螺旋环形线圈，其包括从外到内设置的第八线圈和第九线圈，所述第八线圈上设置有第七连接点，所述第九线圈上设置有第八连接点；

所述第五连接点通过通孔与第七连接点连接，所述第六连接点通过通孔与第八连接点连接；

所述第六线圈、第七线圈、第八线圈和第九线圈均为采用微带线制成的单匝线圈。

采用上述优选方案的有益效果为：发射模块通过设置矩形螺旋环形线圈的接收谐振天线和寄生谐振天线，提高了本实用新型的传输效率和增加了传输距离。

优选的，所述接收模块的几何参数设置如下：

所述接收谐振天线的微带线宽度wrx1为4mm-7mm；

所述接收谐振天线中相邻微带线的间距srx1为1mm-3mm；

所述接收模块的长度lrx1为120mm-150mm；

所述接收模块的宽度hrx1为70mm-80mm；

所述第六线圈的外部长度lrx1_res为120mm-150mm；

所述第六线圈的外部宽度hrx1_res为70mm-80mm；

所述寄生谐振天线的微带线宽度wrx2为4mm-7mm；

所述寄生谐振天线中相邻微带线的间距srx2为1mm-3mm；

所述第八线圈的外部长度lrx2_res为120mm-150mm；

所述第八线圈的外部宽度hrx2_res为70mm-80mm。

采用上述优选方案的有益效果为：通过对接收模块的几何参数的设置，在保证传输效率和耦合强度的同时，实现了小型化和集成化。

优选的，所述发射模块和接收模块的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。

采用上述优选方案的有益效果为：本实用新型中的天线结构的棱角都经过了平滑处理，降低了天线的损耗电阻，提升了天线的品质因子和系统的无线能量传输效率。

附图说明

图1为本实用新型中第一介质基板的第一层印刷电路示意图。

图2为本实用新型中第一介质基板的第二层印刷电路示意图。

图3为本实用新型中第二介质基板的第一层印刷电路示意图。

图4为本实用新型中第二介质基板的第二层印刷电路示意图。

图5为本实用新型中接收模块的正面结构示意图。

图6为本实用新型中第一介质基板的背面结构示意图。

图7为本实用新型的发射模块中第一介质基板和第二介质基板夹角为0°时收发模块整体示意图。

图8为本实用新型第一介质基板和第二介质基板夹角为0°时的传输效率图。

图9为本实用新型中第一介质基板和第二介质基板夹角为[90°,150°]时收发模块整体示意图。

图10为本实用新型的发射模块和接收模块在不同距离下的传输效率图。

图11为本实用新型的发射模块和接收模块距离7厘米时在不同角度下的传输效率图。

图12为本实用新型第一介质基板和第二介质基板夹角为[90°,150°]时的传输效率图。

图13为本实用新型的发射模块中第一介质基板和第二介质基板夹角为180°时收发模块整体示意图。

图14为本实用新型第一介质基板和第二介质基板夹角为180°时的传输效率图。

其中：101-第一介质基板、102-软排线、103-第二介质基板、104-接收模块、1011-第一线圈、1012-第二线圈、1013-第一连接点、1014-第二连接点、1015-第一微带线、1031-第三线圈、1032-第四线圈、1033-第五线圈、1034-电磁能量输入端口、1035-第三连接点、1036-第四连接点、1037-微带线线圈、1041-第六线圈、1042-第七线圈、1043-第五连接点、1044-第六连接点、1045-第七连接点、1046-第八连接点、1047-第八线圈、1048-第九线圈。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

一种可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块104；

所述发射模块为平板型结构，其包括通过软排线102连接的第一介质基板101和第二介质基板103，所述第一介质基板101和第二介质基板103的夹角为0°、[90°,150°]或180°；

所述接收模块104为平板型结构，其正面为接收谐振天线，其背面为寄生谐振天线。

第一介质基板101包括2层印刷电路，第一层印刷电路为第一发射谐振天线，第二层印刷电路为第一微带线1015。

如图1-图2所示，述第一发射谐振天线包括从外到内设置的第一线圈1011和第二线圈1012，所述第二线圈1012上设置有第一连接点1013；所述第一微带线1015的一端设置有第二连接点1014，其另一端通过软排线102与第二介质基板103连接；所述第一连接点1013通过通孔与第二连接点1014连接，所述第一介质基板101的绕线方式为螺旋绕线。

如图3-图4所示，第二介质基板103包括2层印刷电路，第一层印刷电路为带缺口的矩形螺旋环形的第二发射谐振天线，第二层印刷电路为带缺口矩形的微带线线圈10137。所述第二发射谐振天线包括从外到内设置的第三线圈1031、第四线圈1032和第五线圈1033，所述第三线圈1031上设置有电磁能量输入端口1034，所述第五线圈1033上设置有第三连接点1035；所述微带线线圈1037的一端设置有第四连接点1036，其另一端通过软排线102与第一介质基板101连接；所述第三连接点1035通过通孔与第四连接点1036连接。所述第二介质基板103的绕线方式为第一层和第二层交叉绕线；

其中，第一线圈1011、第二线圈1012、第三线圈1031、第四线圈1032和第五线圈1033均为采用微带线制成的单匝线圈。

其中，发射模块的几何参数设置如下：

第一发射谐振天线中微带线宽度wtx1为4mm-8mm；

第一发射谐振天线中相邻微带线的间距stx1为1mm-3mm；

第一介质基板101的长度ltx1为180mm-240mm；

第一介质基板101的宽度htx1为95mm-135mm；

第一线圈1011的外部长度ltx1_res为180mm-240mm；

第一线圈1011的外部宽度htx1_res为95mm-135mm；

第一微带线1015的宽度wtx2为4mm-8mm；

第二发射谐振天线中微带线的宽度wtx3为4mm-8mm；

第二发射谐振天线中相邻微带线的间距stx2为2mm-4mm；

第二介质基板103的长度ltx2为180mm-240mm；

第二介质基板103的宽度htx2为95mm-135mm；

第三线圈1031的外部长度ltx2_res为180mm-240mm；

第三线圈1031的外部宽度htx2_res为95mm-135mm；

微带线线圈1037中微带线的宽度wtx4为4mm-8mm；

微带线线圈1037的外部长度ltx3_res为170mm-230mm；

微带线线圈1037的外部宽度htx3_res为87mm-127mm。

如图5-图6所示，接收谐振天线为矩形螺旋环形线圈，其包括从外到内设置的第六线圈1041和第七线圈1042，所述第六线圈1041上设置有第五连接点1043，所述第七线圈1042上设置有第六连接点1044。所述寄生谐振天线为矩形螺旋环形线圈，其包括从外到内设置的第八线圈1047和第九线圈1048，所述第八线圈1047上设置有第七连接点1045，所述第九线圈1048上设置有第八连接点1046。

第五连接点1043通过通孔与第七连接点1045连接，所述第六连接点1044通过通孔与第八连接点1046连接。

第六线圈1041、第七线圈1042、第八线圈1047和第九线圈1048均为采用微带线制成的单匝线圈。

其中，接收模块104的几何参数设置如下：

接收谐振天线的微带线宽度wrx1为4mm-7mm；

接收谐振天线中相邻微带线的间距srx1为1mm-3mm；

接收模块104的长度lrx1为120mm-150mm；

接收模块104的宽度hrx1为70mm-80mm；

第六线圈1041的外部长度lrx1_res为120mm-150mm；

第六线圈1041的外部宽度hrx1_res为70mm-80mm；

寄生谐振天线的微带线宽度wrx2为4mm-7mm；

寄生谐振天线中相邻微带线的间距srx2为1mm-3mm；

第八线圈1047的外部长度lrx2_res为120mm-150mm；

第八线圈1047的外部宽度hrx2_res为70mm-80mm。

本实用新型发射模块和接收模块104的均采用印刷电路板工艺加工制成。

本实用新型的工作原理为：从发射模块的电磁能量输入端口1034输入信号，信号在第一介质基板101的第一发射谐振天线上产生电磁振荡，其通过软排线进入第二介质基板103的第二发射谐振天线，并在第二介质基板103的第二发射谐振天线中绕过两圈后，通过软排线回到电磁能量输入端口1034，通过磁谐振耦合方式将能量传输至接收模块104的接收谐振天线和寄生谐振天线中，电磁能量从接收谐振天线输出，经过整流稳压后进行供电。

本实用新型所设计的可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，实现了接收模块在发射天线区域内不同距离、不同角度和不同位置都可以进行充电。本实用新型采用了平面印刷电路板来加工收发模块的天线结构，实现收发天线的小型化和集成化，且本实用新型收发天线的生产、安装和维护的成本较低。本实用新型中的天线结构的棱角都经过了平滑处理，降低了天线的损耗电阻，提升了天线的品质因子和系统的无线能量传输效率。

下面以3个具体的实施例对本实用新型提供的一种可折叠的磁谐振耦合无线电能传输系统的收发天线进行详细说明。

实施例一：

如图7所示，发射模块中第一介质基板和第二介质基板夹角为0°时，第一介质基板和第二介质基板重叠，第一介质基板的第一发射谐振天线和第二介质基板中第二发射谐振天线的最外侧的两匝线圈重合。

在本实施例中，发射模块和接收模块中天线的电气参数设置如下：

发射谐振天线串联可调电容为47pf-49pf；

发射谐振天线并联可调电容为30pf-75pf；

接收谐振天线串联可调电容为120pf-150pf；

接收谐振天线并联可调电容为400pf-680pf。

在本实施例中，通过电磁能量输入端口1034给第二介质基板103的第二发射谐振天线加载射频信号时，第一介质基板101的天线与第二介质基板103的天线的绕线方向和射频电流相位相反，两组天线所产生的磁通量反相抵消。第一介质基板101的天线与第二介质基板103的天线匝数不等，结构参数不完相同，所以第一介质基板101的天线与第二介质基板103的天线磁通量不相等，两组天线所产生的磁通量会抵消部分，降低了发射模块与接收模块104之间的耦合距离，保证了过耦合去的磁场均匀分布，提高了当接收模块104位于发射天线上方较近距离时的传输效率。

如图8所示，接收模块104的中心分别与第二介质基板103的a点、b点和c点重合时，电能传输效率均在87％以上，接收模块104的中心与发射模块的b点连接时，传输效率最高，其在94％以上。

在本实施例中，收发模块的电能传输距离为4mm-7mm，且传输效率大于80％，并且在有效距离内，随着接收模块的横向移动，传输效率下降不明显，水平自由度良好。

实施例二：

如图9所示，发射模块中第一介质基板101和第二介质基板103夹角为[90°,150°]时，发射模块和接收模块104中天线的电气参数设置如下：

发射谐振天线串联可调电容为330pf-680pf；

发射谐振天线并联可调电容为0pf；

接收谐振天线串联可调电容为120pf-150pf；

接收谐振天线并联可调电容为400pf-680pf。

如图10所示，在射频信号频率为6.78mhz的情况下，从图中可以看出，发射模块与接收模块的间距在5cm-11cm之间时，收发天线的传输效率比较均衡，且收发模块间距在12cm的情况下，本实用新型的传输效率大于80％。本实用新型的传输效率稳定，在一定距离内保证了电能的有效传输。

如图11所示，在发射模块与接收模块的间距在7cm时，从图中可以看出，在角度为15°、30°、45°和60°的时候，本实用新型的传输效率均大于83％，且随角度的改变，传输效率比较稳定。本实用新型多角度的稳定传输效率，使之拥有更多应用场景。

在本实施例中，通过电磁能量输入端口1034给第二介质基板103的第二发射谐振天线加载射频信号时，第一介质基板101的天线与第二介质基板103的天线的绕线方向和射频电流相位相同，两组天线中产生的磁通量正相叠加，提高了当接收模块104位于发射模块较远距离时收发模块之间的耦合强度和传输效率。第一介质基板101和第二介质基板103呈一定夹角，使得不同方向上产生的磁场在接收模块104处叠加，所以保证了收发模块之间的耦合强度与传输效率。

如图12所示，第一介质基板101和第二介质基板103夹角在90°到150°之间时，传输效率稳定。

在本实施例中，收发模块的电能传输距离为50mm-120mm，且传输效率大于80％，并且在有效距离内，随着接收模块的横向移动，接收模块与发射模块可以呈一定角度且传输效率稳定。

实施例三：

如图13所示，发射模块中第一介质基板101和第二介质基板103夹角为180°时，发射模块和接收模块104中天线的电气参数设置如下：

发射谐振天线串联可调电容为330pf-680pf；

发射谐振天线并联可调电容为0pf；

接收谐振天线串联可调电容为120pf-150pf；

接收谐振天线并联可调电容为400pf-680pf。

在本实施例中，通过电磁能量输入端口1034给第二介质基板103的第二发射谐振天线加载射频信号时，第一介质基板101的天线与第二介质基板103的天线的绕线方向和射频电流相位相同，两组天线中产生的磁通量正相叠加，大大地增加了发射模块的横向发射区域，增加了可充电面积，可实现在整个发射区域进行充电和同时为接收模块供电。

如图14所示，在本实施例中，接收模块104的中心分别与第一介质基板101的d点、e点和f点重合时，电能传输效率均在87％以上。

在本实施例中，收发模块的电能传输距离为4mm-7mm，且传输效率大于80％，并且在有效距离内，随着接收模块的横向移动，传输效率稳定。

在本实用新型的实施例中，所有的第二介质基板103均水平放置。