一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法及装置。通过在发射端设置多个发射线圈元件形成发射线圈阵列，每个发射线圈元件分别连接一个功率放大器，并根据每两个发射线圈元件之间的耦合对整体功率增益的影响来调整每个率放大器的输出阻抗；同时根据发射端的每个发射线圈元件到接收端的接收线圈元件之间的相位偏移的不同，调整每个功率放大器的相位，进而对发射端的发射线圈元件的相位进行补偿。提高了能量传输增益，使得无线电能量传输更容易实现，可以应用到如手持移动设备等小型设备上。

A Method and Device for Improving the Transmission Gain of Weakly Coupled Radio Energy

The invention provides a method and device for improving the transmission gain of weak coupling radio energy. The output impedance of each rate amplifier is adjusted according to the influence of the coupling between the two transmitting coil elements on the overall power gain. At the same time, the output impedance of each rate amplifier is adjusted according to the influence of each transmitting coil element at the transmitting end to the receiving coil element at the receiving end. The phase offset is different. The phase of each power amplifier is adjusted to compensate the phase of the transmitting coil element at the transmitter. It improves the energy transmission gain and makes the radio energy transmission easier to achieve. It can be applied to small devices such as handheld mobile devices.

【技术实现步骤摘要】
一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法及装置
本专利技术属于无线电能传输功率增益
，具体涉及一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法及装置。
技术介绍
近场耦合无线电力传输是无线供电设备充电的主要技术，如无线射频识别标签，传感器，和医疗植入物。传统无线电能传输使用的是两线圈传输结构，即发射端一个大线圈以及接收端一个小线圈，发射线圈与接收线圈的对称与否以及尺寸大小制约了无线电能传输增益，此外，高频交流电的趋肤效应也限制了传统无线电能传输的增益效果。由其在小型化设备的无线电能传输应用方面受到较大瓶颈，小型化是在物联网和植入式医疗设备中应用的一个新的关键要求。利用基于900MHz和2.4GHz的常规技术，高效的射频能量传输的实现是困难的，因为在这些波段波长较大；另一方面，因为设备越来越小，受耦合因子较小和工作频率的限制，传统的电感耦合是非常低效的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法及装置，以解决传统单发射线圈无线电能传输增益低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法：在无线电能传输的发射端设置多个发射线圈元件形成发射线圈阵列，每个发射线圈元件分别连接一个功率放大器，并根据每两个发射线圈元件之间的耦合对整体功率增益的影响来调整每个率放大器的输出阻抗；根据发射端的每个发射线圈元件到接收端的接收线圈元件之间的相位偏移的不同，调整每个功率放大器的相位，进而对发射端的发射线圈元件的相位进行补偿。进一步地，根据无线电能传输的发射端的尺寸大小预设发射线圈阵列的阶数及发射线圈元件的大小。进一步地，在进行相位补偿时，每次接通一个功率放大器，同时关闭其它功率放大器在发射线圈元件中的电流，接收部分检测到接收信号的相位，并将接收信号的相位反馈到发射线圈阵列进行相位补偿。为实现上述目的，本专利技术还提供一种提高弱耦合无线电能传输增益的装置，包括：发射线圈阵列和位于所述发射线圈阵列外的功率放大器组，所述发射线圈阵列包含多个发射线圈元件，所述发射线圈元件之间彼此独立，所述功率放大器组包含多个功率放大器，每个功率放大器与一个发射线圈元件电连接，所述装置能实现上述的提高弱耦合无线电能传输增益的方法。进一步地，发射线圈阵列的排列方式为矩形阵列。进一步地，还包括：锁相环频率合成器和相位检测器，锁相环频率合成器分别与功率放大器组和所述相位检测器电连接，相位检测器用于测量基准信号和接收信号之间的相位差。进一步地，还包括：晶体振荡器，晶体振荡器产生基准信号并提供给相位检测器。进一步地，功率放大器通过电流驱动。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)将无线电能传输发射端的单个大发射线圈结构换成发射线圈阵列，通过传输网络分析和电磁仿真，表明发射线圈阵列比单个大发射线圈具有更高的自谐振频率和更好的传输增益；(2)通过分别将发射端的多个发射线圈元件与接收端的接收线圈元件进行单独匹配，使得提供到发射线圈阵列的能量被分成多个更小的部分，使得无线电能传输更容易实现，同时可以应用在如手持移动设备等小型设备上；(3)对每个发射线圈元件与接收线圈元件之间的相位关系进行优化，进一步提高了无线电能传输增益。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术实施例提供的提高弱耦合无线电能传输增益的方法流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的传统两线圈无线电能传输系统等效电路图；图3为本专利技术实施例提供的多线圈无线电能传输系统等效电路图；图4为本专利技术实施例提供的发射线圈阵列示意图；图5为本专利技术实施例提供的在200MHz下的传统单发射线圈的输出阻抗与接收端负载之间的关系；图6为本专利技术实施例提供的在200MHz下的传统单发射线圈输入阻抗与输出阻抗之间的关系；图7为本专利技术实施例提供的在480MHz下的提高弱耦合无线电能传输增益的装置的输出阻抗与接收端负载之间的关系；图8为本专利技术实施例提供的在480MHz下的一个具体提高弱耦合无线电能传输增益的装置的输入阻抗与输出阻抗之间的关系；图9为本专利技术实施例提供的提高弱耦合无线电能传输增益的装置的接收线圈元件与发射线圈元件中的电流比。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术实施例提供一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法，包括：S100：在无线电能传输的发射端设置多个发射线圈元件形成发射线圈阵列，每个发射线圈元件分别连接一个功率放大器，并根据每两个发射线圈元件之间的耦合对整体功率增益的影响来调整每个率放大器的输出阻抗。发射线圈阵列与单个大发射线圈主要区别是：发射线圈阵列中的每两个发射线圈元件之间的耦合将导致对整体功率增益的影响。在传输距离较长时，发射线圈和接收线圈之间弱耦合，而发射线圈阵列内的每个发射线圈元件之间的耦合相对较强，发射线圈阵列内的发射线圈元件之间的相互耦合将降低从发射端到接收端的能量传输，而发射线圈阵列内部耦合可以通过较大的功率放大器输出电阻来缓解，而功率放大器到发射线圈阵列的增益会随着功率放大器的输出阻抗升高而降低，另一方面，一个较小的功率放大器输出电阻有利于将更多的电能从发射端功率放大器传递到发射线圈阵列，因为发射线圈阵列具有相对较低的电阻。所以，将有一个折中的功率放大器输出阻抗，最实用的功率放大器输出阻抗的标准值为50Ω。在一个具体的实施场景中，如图2至图4所示，通过将传统的无线电能传输(WPT)装置的发射端的一个大线圈变成发射线圈阵列，从图中可以得知，Port#1为接收端，传统的无线电能传输装置只有一个大发射线圈，如图2中的发射端部分Port#2，将传统的无线电能传输装置的发射端部分Port#2改成总体大小一样并由n个发射线圈元件构成的发射端，如图3所示，发射端部分分为Port#2、Port#3……Port#n，n大于3，具体的如图4所示，当n＝10时，发射线圈阵列为4阶方阵，每个发射线圈元件彼此相对独立，且每个发射线圈元件设有一个开路位置(Open-CircuitPosition)，发射线圈元件通过开路位置分别连接功率放大器。通过对单个大发射线圈和多个发射线圈元件形成的发射线圈阵列的无线电能传输系统进行全波电磁仿真，并同时进行电路仿真，其中，无线电能传输系统间距设置为20cm，单个大发射线圈尺寸为9.06cm×9.06cm，多个发射线圈元件形成的发射线圈阵列采用3cm×3cm的发射线圈元件结构形成3×3的方形阵列，每个发射线圈元件之间的间隙是300μm。两个不同发射线圈中的金属宽度都设置为1cm，在此基础上，研究频率特性对发射线圈阵列的传输效率量化的影响，如表1所示。表1从表1中可以看出，单个大发射线圈引起的最大能量传输增益为200MHz处的-35dB，而发射线圈阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法，其特征在于：S100：在无线电能传输的发射端设置多个发射线圈元件形成发射线圈阵列，每个发射线圈元件分别连接一个功率放大器，并根据每两个发射线圈元件之间的耦合对整体功率增益的影响来调整每个率放大器的输出阻抗；S200：根据发射端的每个发射线圈元件到接收端的接收线圈元件之间的相位偏移的不同，调整每个功率放大器的相位，进而对发射端的发射线圈元件的相位进行补偿。

【技术特征摘要】
1.一种提高弱耦合无线电能传输增益的方法，其特征在于：S100：在无线电能传输的发射端设置多个发射线圈元件形成发射线圈阵列，每个发射线圈元件分别连接一个功率放大器，并根据每两个发射线圈元件之间的耦合对整体功率增益的影响来调整每个率放大器的输出阻抗；S200：根据发射端的每个发射线圈元件到接收端的接收线圈元件之间的相位偏移的不同，调整每个功率放大器的相位，进而对发射端的发射线圈元件的相位进行补偿。2.根据权利要求1所述的提高弱耦合无线电能传输增益的方法，其特征在于：根据无线电能传输的发射端的尺寸大小预设发射线圈阵列的阶数及发射线圈元件的大小。3.根据权利要求1所述的提高弱耦合无线电能传输增益的方法，其特征在于：在进行相位补偿时，每次接通一个功率放大器，同时关闭其它功率放大器在发射线圈元件中的电流，接收部分检测到接收信号的相位，并将接收信号的相位反馈到发射线圈阵列进行相位补偿。4.一种提高弱耦合无线电能传输增益的装置，其特征在于，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳，李刚，范惠子，周洪，邓其军，胡文山，周东国，
申请(专利权)人：深圳市华禹无线供电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44