广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法；无线能量发射装置由上下多个结构相同，且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构；无线能量发射装置上下金属螺旋结构的固有谐振频率相同，因而发生垂直方向上的磁共振耦合。随着每一次共振，放置在金属螺旋结构磁谐振腔中间任意位置的接收线圈中会有电压产生。经过产生多次共振，接收线圈表面就会集聚足够的能量，这样接收端线圈在此非辐射交变磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了广域自由空间任意位置的无线能量传输。

Wide area free space wireless energy transmission transmitting antenna device at any position and energy transmission method thereof

The invention discloses an arbitrary location wide area free space wireless energy transmission antenna device and energy transmission method; wireless transmitting device is composed of an energy structure under the same, and are metal spiral structure support magnetic dipole model; wireless energy transmitting device on the resonant frequency of metal spiral structure of the same, and magnetic the vertical direction of the resonance coupling. With each resonance, a voltage is generated in the receiving coil placed at any position in the middle of the metal helix structure magnetic resonance cavity. After produce multiple resonance, the receiving coil surface will gather enough energy, so the receiver coil in non receiving radiation energy in alternating magnetic field, thus completing the conversion of energy to electrical energy, achieve wireless power transmission at any position of the wide area of free space.

【技术实现步骤摘要】
广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法
本专利技术属于无线能量传输或无线功率传输领域，具体涉及一种广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法。
技术介绍
无线能量传输或无线功率传输，是指能量从能量源传输到电负载的一个过程，这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输实现。无线能量传输的关键技术在于高效的发射和接收天线装置，以使得无限能量传输的距离最大化，同时无线能量传输的位置自由化。馈入发射天线中的能量能够被高效的发射出去，经过一定距离的无线传输被接收天线装置在自由空间中高效的接收。现有无线能量传输的发射和接收天线装置主要是谐振线圈，通过线圈电磁互感的原理或磁共振原理实现能量的无线传输。电能发射线圈安装在充电底座内，接收线圈则安装在电子设备中。这种原理的无线输电方式市场上已经存在。该无线充电装置要求发射线圈和接收线圈的距离很小，而且随着发射线圈和接收线圈距离的增加，无限能量传输效率快速降低，极大地限制了电子产品的活动半径。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，本专利技术主要基于另一种无线能量传输机制，即开放式谐振腔原理来提供一种广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置以实现无线能量传输的自由化。本专利技术的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，包括多个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的螺旋中心线重合。相邻两个金属螺旋结构的螺旋中心的距离小于3R，其中R为金属螺旋结构的半径。本专利技术的多个金属螺旋结构会相互谐振并通过相邻金属螺旋结构之间的空间产生强烈的能量交换，并在金属螺旋结构之间的自由空间中产生交变的磁场，从而实现电能到充满整个谐振腔空间交变磁场的转换。调整激发源，使该无线能量发射装置以某一谐振频率振动；其产生的非辐射磁场即把电能转换成磁场，在多个金属螺旋结构间形成无所不在的能量通道；当作为无线能量接收端的金属线圈放置在该自由空间任意位置并和交变磁场有一定的夹角时，随着每一次共振，接收线圈中会有更多的电压产生，从而实现广域自由空间任意位置能量的无线传输。优选的，所述的金属螺旋结构为任意形状的金属螺旋结构，如金属平面或立体螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的相互设置方式为任意相对位置。更进一步的，部分相邻的金属螺旋结构的螺旋中心线重合或全部金属螺旋结构的螺旋中心线重合，螺旋中心线重合的两个金属螺旋结构相互设置方式为对称设置或反对称设置。优选的，所述的金属螺旋结构包含一个螺旋中心和一根或若干根金属螺旋臂；当螺旋中心连接多根金属螺旋臂时，所述的多根金属螺旋臂旋向和结构相同，并均匀连接在螺旋中心上。优选的，所述的发射天线装置包括两个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的任意形状的金属螺旋结构，两个金属螺旋结构的螺旋中心线重合。优选的，所述的金属螺旋结构为金属平面或立体螺旋结构，所述的两个金属螺旋结构的相互设置方式为对称设置或反对称设置。更加优选的，所述的两个或多个金属螺旋结构上下设置且螺旋中心线重合。所述广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置的无线能量传输方法如下：设置激发源在下端的金属螺旋结构附近，由于两个或多个金属螺旋结构结构相同并支持磁耦极子模式，因此两者的磁耦极子模式的谐振频率一样，两个或多个金属螺旋结构之间发生谐振并通过相邻金属螺旋结构之间的空间产生强烈的能量交换；其中两个低频和高频的分裂共振模式都在上下两个磁谐振腔中间的空间中产生一种非辐射的交变磁场，从而把电能转换成交变磁场并充满整个空间；调整激发源频率，使该广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置以某一频率振动；其谐振产生的非辐射磁场即把电能转换成交变磁场并充满两个或多个金属螺旋结构之间的整个空间；当接收线圈放置在该自由空间的任意位置并和交变谐振磁场有夹角时，作为无线能量接收端的接收线圈会随着每一次共振产生更多的电压，从而实现广域自由空间任意位置能量的无线传输。优选的，所述的接收线圈的谐振频率和该金属螺旋结构谐振腔的其中一个谐振模式的频率相同。与现有技术相比，本专利技术提供了一种基于开放式谐振腔原理的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法。解决了现有技术中要求发射线圈和接收线圈的距离很小的问题，同时也解决了现有技术的无线能量传输装置自由移动化的问题，这与传统的线圈耦合式(第一代无线能量传输原理)以及磁谐振式(第二代无线能量传输原理)有重大区别。本专利技术的磁耦合谐振的频率由金属螺旋结构的几何参数决定，这样就为无限能量传输接受发射天线装置提供了更加自由的设计方法。附图说明图1为本专利技术具体实施方式中通过垂直耦合的金属螺旋结构构造的开放式磁谐振腔示意图；图2为两个垂直耦合的金属螺旋结构的近场磁耦合响应频谱；图3为两个垂直耦合金属螺旋结构的谐振模式的电流，磁场分布。(a)为第一个分裂模式的电流分布；(b)为第一个分裂模式磁场分布。(c)为第二个分裂模式的电流分布；(d)为第二个分裂模式磁场分布。具体实施方式本专利技术的基于开放式谐振腔原理的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置需要两个或更多个互连的共振系统，分别由一种金属螺旋磁共振结构制成，而不是传统的磁感应线圈。通过调整发射频率使该无线能量发射装置以某一谐振频率振动，其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波，而是一种非辐射的充满上两个金属螺旋结构之间整个空间的磁场，即把电能转换成交变磁场，在两个或多个金属螺旋磁共振结构之间的自由空间内形成一种无所不在的能量通道。当作为接收端的金属线圈放置在该自由空间的任意位置并和交变磁场成一定夹角，随着每一次共振，接收端线圈中会有更多的电压产生。经过产生多次共振，接收端线圈表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射交变磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了广域自由空间任意位置电能的无线传输。实施例1上下的磁谐振腔都是由一条金属螺旋臂构成的支持磁偶极子模式的金属螺旋结构。该金属螺旋结构的磁偶极子模式的谐振频率由金属螺旋结构的几何参数决定。在该文中金属螺旋结构的几何参数为：金属螺旋臂宽w＝0.005m,绕着中心旋转15.6圈，金属螺旋臂之间的距离为d＝0.015m。如图1所示。上下两个金属螺旋结构之间的距离为h＝0.5m。由于该金属结构是一种螺旋结构，所以垂直放置的上下磁谐振腔有各种不同的位型，分别为对称结构和反对称结构或者任意相对位置。在本专利技术中我们取上下对称结构作为示例，如图1所示。图1为基于金属螺旋结构呈对称位型的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置。黑色箭头表示激发源和探针。上下两层金属螺旋结构之间的垂直距离为h＝0.5m。整个垂直耦合的金属螺旋结构作为无线能量发射装置，激发源放置在下端金属螺旋臂旁边。磁场探针放在上端金属螺旋结构之上的空间中。由于上下磁谐振腔是同一种金属螺旋结构并支持磁耦极子模式，所以他们的磁偶极模式的谐振频率是一样的。这样上下金属螺旋结构相互耦合并产生强烈的能量交换，从而把电能转换成充满整个空间的交变磁场。当作为接受端的线圈被放置在上下金属螺旋结构之间的空间中任意位置并和交变磁场成一定的夹角时，随着每一次共振，接收端线圈中会有更多的电压产生。经过产生多次共振，接收端线圈表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，其特征在于包括多个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的螺旋中心的距离小于3R，其中R为金属螺旋结构的半径。

【技术特征摘要】
1.一种广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，其特征在于包括多个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的螺旋中心的距离小于3R，其中R为金属螺旋结构的半径。2.根据权利要求1所述的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的金属螺旋结构为金属平面螺旋结构。3.根据权利要求2所述的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，其特征在于部分相邻的金属螺旋结构的螺旋中心线重合或全部金属螺旋结构的螺旋中心线重合。4.根据权利要求3所述的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的金属螺旋结构包含一个螺旋中心和若干根金属螺旋臂；当螺旋中心连接多根金属螺旋臂时，所述的多根金属螺旋臂旋向和结构相同，并均匀连接在螺旋中心上。5.根据权利要求1所述的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的发射天线装置由两个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构组成。6.根据权利要求4所述的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的金属螺旋结构为金属平面螺旋结构或立体螺旋结构。7.根据权利要求5所述的广域自由空间任意位置无线能量传输发射天线装...

【专利技术属性】
技术研发人员：高振，许弘毅，张柏乐，
申请(专利权)人：深圳凌波近场科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44