一种短距离多频段工作的小型能量与信号无线传输系统的制作方法

本发明涉及无线传输系统，尤其是一种电能与电磁信号的无线传输系统。

背景技术：

无线能量传输的实现方式大致分三种，即基于电磁感应、基于磁共振耦合和基于微波或飞秒激光的无线能量传输技术。对于短距离的能量传输多用电磁感应或磁共振耦合理论来设计发射接收天线，但近场磁场耦合的方法所用线圈尺寸大，传输效率低，不适用于车载。在多频无线传输方面，为达到在两个频率同时阻抗匹配，一般使用多个线圈分别传输不同频率信号能量，而多个线圈同时传输不同频率能量时产生的寄生耦合严重降低能量的传输效率和增大装置总体积。经对现有技术的文献检索发现，2013年W Wei等人在IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2013,62(1):411-419发表了“Characteristic Analysis of Double Spiral Resonator for Wireless Power Transmission”，提出了可在13.56MHz实现最远20厘米的高效率能量传输，传输效率95％，但两个线圈直径达30厘米，且无法实现多频率能量传输，很难在汽车上实现应用。2016年D Ahn等人在IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(7):5018-5029上发表了“Wireless Power Transfer With Concurrent 200-kHz and 6.78-MHz Operation in a Single-Transmitter Device”，文中使用两套线圈来同时无线传输两个频率的能量，提出了一种新电路拓扑将两套线圈间的寄生现象与涡流损耗产生的效率降低最小化，低至1.3％到4.2％，同时能量传输装置总大小只增加10％。实现了在25mm距离时，6.78MHz与200kHz双频传输效率可达到78％与70.6％。但装置总大小仍有12.5×8.9平方厘米，新拓扑仅解决了发射或接收某一端的面积节省问题，且低频段能量传输效率不理想，能量耗费较大。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明在近场的传输环境下，由于电磁耦合的特性，缩小发射接收线圈的大小会降低电能的传输效率，尤其是低频段的传输效率，于是在电磁耦合的基础上加入电场耦合，即加大线圈导线的面积，缩小空心的半径从而加大了发射接收端正对面积，使得在不增加体积的情况下，电容变大，容抗减小，最终提高整体，尤其是低频段的能量传输效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的短距离多频段工作的小型能量与信号无线传输系统中，发射端信号源为DC电源，DC电源发射信号通过DC-AC转换器将直流电转换为交流电，交流电通过环行器后经过发射端的1号天线发射信号，信号穿过介质到达接收端的2号天线，2号天线收到的信号经过低频滤波器滤波后到达整流器，整流器将信号从交流电转换为直流电，为低噪声放大器供电，接收端的接收天线接收到通信信号后通过低噪声放大器进行放大，放大后的信号通过接收端的环行器进入2号天线后发射，接收端的1号天线接收到通信信号后，通过环行器进入高频滤波器进行滤波，滤波后的信号到达接收机。

所述的1号天线和2号天线为印刷在电路板上的多匝螺线圆环，圆环间的间隔小于导线宽度，导线宽度为1mm，且螺线圆环的空心半径小于1号天线和2号天线整个圆环半径的1/3，1号天线和2号天线平行放置。

本发明的有益效果是由于融合了线圈间的互感耦合传输与平行板电容之间的电场耦合传输两种传输方式，使得双频传输的效率在装置总体积不变的情况下得到很大提高。

附图说明

图1为本发明无线充电系统原理框图，其中LNA为低噪声放大器。

图2为本发明无线充电系统电路原理示意图。

图3为本发明实施例的连接示意图。

图4(a)为本发明在1号天线和2号天线半径为4.9cm，匝数为24时的输入回波损耗，图4(b)为本发明在1号天线和2号天线半径为4.9cm，匝数为24时的正向传输系数。

图5(a)为本发明实施例在10MHz-250MHz的输入回波损耗，图5(b)为本发明实施例在10MHz-250MHz的正向传输系数，图5(c)为本发明实施例在10MHz-250MHz的输出回波损耗。

图6(a)为本发明实施例在1400MHz-1450MHz的输入回波损耗，图6(b)为本发明实施例在1400MHz-1450MHz的正向传输系数，图6(c)为本发明实施例在1400MHz-1450MHz的输出回波损耗。

其中，1-发射信号源，2-发射端耗能元件，3-发射端环行器，4-发射线圈，5-接收线圈，6-接收端环行器，7-接收端耗能元件，8-信号接收天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

发射端信号源为DC电源，DC电源发射信号通过DC-AC转换器将直流电转换为交流电，交流电通过环行器后经过发射端的1号天线发射信号，信号穿过介质到达接收端的2号天线，2号天线收到的信号经过低频滤波器滤波后到达整流器，整流器将信号从交流电转换为直流电，为低噪声放大器供电，接收端的接收天线接收到通信信号后通过低噪声放大器进行放大，放大后的信号通过接收端的环行器进入2号天线后发射，接收端的1号天线接收到通信信号后，通过环行器进入高频滤波器进行滤波，滤波后的信号到达接收机。

在本系统中有两路信号，分别为能量信号与通信信号，如图1所述，两路信号都各自经由平行放置的1号天线和2号天线，接收端的接收天线捕捉到1.47GHz的通信信号后送至低噪声放大器进行放大，再通过1号天线和2号天线传输到高频滤波器，最后到达接收机，接收机将信号经过解调提取出有用信息。而DC电源提供直流电，经过DC-AC转换器变换后形成200MHz交流电，再通过1号天线和2号天线传输到达接收端的低频滤波器后，经过整流器将交流电变化为直流电，并为低噪声放大器供电。本系统由于设备大小的限制，只采用1号天线和2号天线一对天线，所以信号进出1号天线和2号天线时需要进行整合与分流，所以在接收端与发射端均设置一个环行器，200MHz的能量信号与1.47GHz的信息信号在环行器处整合，并在另一个环行器处分流，同时发射信号通过发射端连接环行器后发射能量信号，环行器将200MHz能量信号与发射端的接收机和高频滤波器中的耗能元件进行隔离，即发射信号源的能量信号与发射端接收机和高频滤波器中的耗能元件不形成通路，只通过1号天线进行传输，同理，2号天线连接环行器将200MHz能量信号与接收端中的低噪声放大器和接收天线的耗能元件进行隔离。

所述的1号天线和2号天线为印刷在电路板上的多匝螺线圆环，圆环间的间隔小于导线宽度，导线宽度为1mm，且螺线的空心半径小于1号天线和2号天线整个圆环半径的1/3，1号天线和2号天线平行放置且相对距离为5mm；1号天线和2号天线的线圈匝数多，线圈较密，且中间的空心小，从而获得较小的电容值。

本发明无线充电系统电路原理示意图如图2所示，天线1与天线2通过结合磁场耦合与电场耦合来提高电能的传输效率，即天线1与天线2既可视为相邻放置的螺旋天线通过变换的磁场来传输能量，又可视为对立放置的平板，通过平板间的电场变化进行能量传输。

图3为本发明实施例的连接示意图。

图4(a)为本发明在1号天线和2号天线半径为4.9cm，匝数为24时的输入回波损耗，图4(b)为本发明在1号天线和2号天线半径为4.9cm，匝数为24时的正向传输系数。

图5(a)为本发明实施例在10MHz-250MHz的输入回波损耗，图5(b)为本发明实施例在10MHz-250MHz的正向传输系数，图5(c)为本发明实施例在10MHz-250MHz的输出回波损耗。

图6(a)为本发明实施例在1400MHz-1450MHz的输入回波损耗，图6(b)为本发明实施例在1400MHz-1450MHz的正向传输系数，图6(c)为本发明实施例在1400MHz-1450MHz的输出回波损耗。

当发射机工作时，电磁能通过接收端环行器到达1号天线，1号天线形成磁力线，该磁力线穿过2号天线，当发射机发射的电磁信号随时间变化时，就会在2号天线中产生感应电动势，并形成感应电流，并与所述的接收端耗能元件形成电流回路，从而为接收端耗能元件充电。与此同时，1号天线和2号天线之间也会形成电场，当发射机发射的电磁信号随时间变化时，1号天线和2号天线之间会产生位移电流，从而导致2号天线上的电荷总量随时间变化，从而产生电流，流向所述的接收端耗能元件。信号接收天线工作时，电磁能通过1号天线传输至2号天线，同时1号天线与2号天线之间形成电场产生位移电流，与发射端耗能元件以及地面形成回路，从而为发射端耗能元件充电。1号天线和2号天线在多个频段上具有高的能量传输效率，从而保证200MHz与1.47GHz的双频能量信号传输的传输效率。

仿真结果表明，在合适的匝数与线圈半径条件下，低频段与1465MHz～1475MHz频段的回波损耗小于-10dB，传递系数在低频段接近100％，在1465MHz～1475MHz频段为-2dB。