一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，基于磁谐振耦合无线能量传输方案，发射天线采用带反向绕线的串联谐振线圈阵列结构，接收天线采用带寄生耦合的谐振线圈结构。发射天线为平板型设计，包含三层介质层和四层印刷电路结构，由最外侧平面型多匝线圈与多个内侧平面型多匝线圈串联形成一个闭合的线圈结构；接收天线也为平板型结构，其正面为接收谐振线圈，背面为寄生耦合谐振线圈。通过采用带反向绕线的串联谐振线圈阵列结构，使得接收天线在发射天线区域内横向不同位置移动时，传输效率保持均衡，以满足当无线收发端的尺寸差异较大时，对单个或多个电子设备的无线充电和供电要求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构
本技术属于无线电能传输
，具体涉及一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构。
技术介绍
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电子消费产品、移动通讯设备等都广泛普及。在传统的家用电器上普遍都依赖于电源线和电源插座之间通过有线的连接方式进行器件供电，采取内置电池的电子设备普遍也是通过充电线和电源插座之间进行有线的连接，所以在日常生活中电线占据了我们大量的活动空间，随之而来的就限制了设备使用的便捷性。但是近几年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，无线充电技术迅速发展，人们逐渐适应这种新型的充电方式，并且对无线充电的方式需求不断增长。目前该技术已逐渐被应用于人们日常生活中低功耗的电子产品中，代替了电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便捷。例如各种智能手表、智能手环、电动牙刷、智能手机等。近几年随着5G时代的来临，我们进入了物联网的时代，各种智能穿戴设备、智能家居等领域的应用必将颠覆传统家电、通讯设备的使用模式。以智能家居为例，我们可以利用中远距离的无线能量传输技术，隐藏布线技术以及自动控制技术完全移除掉家居里所有的电源线，全部通过无线充电技术持续给电器供电，可以构建出高效、环保、节能的居住环境。对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线能量传输技术的应用也显得极为重要和关键。伴随着无线能量传输技术的发展及应用场景的延伸，就目前而言各种智能设备、生物医学领域及物联网的发展，接收天线的尺寸越做越小，比如待充设备是一个比较小的智能手环、蓝牙耳机或者一个GPS的定位项圈等等，而发射端是一个比较大的充电板，用户现在想要做到随放随充，不考虑被充设备所放置的位置，还要求能有一个稳定的传输效率，这就会出现我们常说的水平自由度的问题；甚至可以同时对多个设备充电，这样就对磁共振无线充电系统中的收发天线的设计提出了比较高的要求。传统的单线圈结构，就是只有一个多匝的四方环形线圈，很难满足接收天线放置在发射天线范围内不同位置时，能有一个稳定的传输效率，只有接收天线正对发射天线中心平行放置时，其传输效率才高，但是向边缘移动的时候传输效率下降的非常明显，尤其是在发射天线的边缘区域非常的低。此外通过在多匝的四方环形线圈里面加入一个反向绕线结构，能够改善收发天线的水平自由度的问题，大多数的位置能满足日常的充电需求，但是当接收天线移动到发射天线的反向绕线区域时，传输效率下降明显，也可以说其传输效率没有，无法满足现在对无线充电的需求。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本技术提供的一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构解决了现有技术中存在的问题，给便携设备、通讯产品和电子消费产品提供了一个稳定、高效的无线充电或无线电能供给方案，解决了在收发端的尺寸差异很大时，接收天线在发射天线范围内的不同位置有一个稳定均衡的传输效率，收发线圈之间有均衡分布的磁谐振耦合强度，传输效率都保持在75％-80范围内，还能够对多个设备同时进行供电。为了达到上述技术目的，本技术采用的技术方案为：一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，包括用于无线电能发射的发射天线和用于无线电能接收的接收天线；所述发射天线为平板型印刷电路板，其包括四层印刷电路以及设置在两两印刷电路之间的三层介质板；所述发射天线上设置有最外侧平面型多匝线圈以及多个位于其内部的内侧平面型多匝线圈，所述最外侧平面型多匝线圈与多个内侧平面型多匝线圈串联构成一个闭合的线圈结构，所述内侧平面型多匝线圈串联设置于最外侧平面型多匝线圈内且呈一维或二维分布在四层印刷电路上，内侧平面型多匝线圈之间可重叠或不重叠，重叠时通过分布在不同层印刷电路上以实现两两内侧平面型多匝线圈之间相互独立，所述内侧平面型多匝线圈和最外侧平面型多匝线圈均为带缺口的线圈；所述三层介质板上均设置有若干位置对应的通孔，所述多个内侧平面型多匝线圈之间通过微带线以及通孔以实现不同层印刷电路的贯通；所述接收天线为平板型印刷电路板，其包括正面和背面的印刷电路以及设置在正背面印刷电路之间的介质板，所述接收天线的正面印刷电路为接收谐振线圈，所述接收天线的背面印刷电路为寄生耦合线圈，所述接收谐振线圈与寄生耦合线圈通过微带线以及通孔实现贯通。优选的，所述发射天线中至少存在两个内侧平面型多匝线圈内部设置有至少一匝的反向绕线，所述反向绕线上的电流方向与其内侧的平面型多匝线圈以及其对应的内侧平面型多匝线圈的电流方向相反，所述发射天线中的线圈、接收天线的接收谐振线圈和寄生耦合线圈可为多匝的圆形、矩形或菱形线圈，所述发射天线和接收天线的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。本技术的有益效果是：基于磁谐振耦合无线能量传输方案，采用了平面印刷电路板来加工收发天线的线圈结构，实现了系统的小型化和集成化，极大的降低了系统的生产、安装和维护的成本。此结构引入的串联阵列式的线圈和在小谐振线圈里面加入了反向绕线的线圈，能减小过耦合区的形成，使其传输效率整体浮动控制在很5％的范围内。由所述形态发射天线和接收天线组成的无线能量传输系统可实现发射和接收尺寸差距过大时，两者传输距离为4mm-10mm，发射天线上大部分的传输效率都为78％左右，随着接收天线横向引动，接收天线与发射天线之间的传输效率下降不明显。线圈结构的棱角都经过了平滑处理，降低了线圈的损耗电阻，提升了线圈的品质因子，提升了系统的无线能量传输效率。优选的，所述发射天线的四层印刷电路包括第一环形线圈、设置在第一层和第二层印刷电路中的第二环形线圈、第四环形线圈和第六环形线圈以及设置在第三层和第四层印刷电路中的第三环形线圈和第五环形线圈；所述第二环形线圈、第三环形线圈、第四环形线圈、第五环形线圈和第六环形线圈尺寸相同且依次相邻地设置在第一环形线圈中，所述相邻的两个环形线圈之间存在交叉重叠，所述环形线圈之间均通过微带线以及通孔实现贯通。优选的，所述发射天线中第一层印刷电路包括印刷在其外侧的第一环形线圈；所述第二环形线圈、第四环形线圈和第六环形线圈依次相邻的设置在第一层印刷电路或第二层印刷电路上；所述第二环形线圈、第四环形线圈和第六环形线圈均为带缺口的环形线圈，所述第二环形线圈和第六环形线圈内部均设置有一匝反向绕线的环形线圈；所述第一环形线圈的最外侧的一匝线圈上设置有第一电磁能量输入端口以及分布在第一电磁能量输入端口两端的第四连接点，所述第一环形线圈上分别设置有第一连接点、第三连接点、第六连接点、第八连接点、第十连接点和第十一连接点以用于串联第一环形线圈、第二环形线圈、第四环形线圈和第六环形线圈；所述第一层印刷电路还包括第二连接点、第二连接点之间的微带线、第五连接点和第五连接点之间的微带线；所述第二环形线圈、第四环形线圈和第六环形线圈上分别设置有第七连接点、第九连接点和第十二连接点。优选的，所述发射天线中第二层印刷电路上设置有与第一层印刷电路中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，其特征在于，包括用于无线电能发射的发射天线和用于无线电能接收的接收天线；/n所述发射天线为平板型印刷电路板，其包括四层印刷电路以及设置在两两印刷电路之间的三层介质板；所述发射天线上设置有最外侧平面型多匝线圈以及多个位于其内部的内侧平面型多匝线圈，所述最外侧平面型多匝线圈与多个内侧平面型多匝线圈串联构成一个闭合的线圈结构，所述内侧平面型多匝线圈串联设置于最外侧平面型多匝线圈内且呈一维或二维分布在四层印刷电路上，内侧平面型多匝线圈之间可重叠或不重叠，重叠时通过分布在不同层印刷电路上以实现两两内侧平面型多匝线圈之间相互独立，所述内侧平面型多匝线圈和最外侧平面型多匝线圈均为带缺口的线圈；所述三层介质板上均设置有若干位置对应的通孔，所述多个内侧平面型多匝线圈之间通过微带线以及通孔以实现不同层印刷电路的贯通；/n所述接收天线为平板型印刷电路板，其包括正面和背面的印刷电路以及设置在正背面印刷电路之间的介质板，所述接收天线的正面印刷电路为接收谐振线圈，所述接收天线的背面印刷电路为寄生耦合线圈，所述接收谐振线圈与寄生耦合线圈通过微带线以及通孔实现贯通。/n...

【技术特征摘要】
20201027 CN 20202242847731.一种用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，其特征在于，包括用于无线电能发射的发射天线和用于无线电能接收的接收天线；
所述发射天线为平板型印刷电路板，其包括四层印刷电路以及设置在两两印刷电路之间的三层介质板；所述发射天线上设置有最外侧平面型多匝线圈以及多个位于其内部的内侧平面型多匝线圈，所述最外侧平面型多匝线圈与多个内侧平面型多匝线圈串联构成一个闭合的线圈结构，所述内侧平面型多匝线圈串联设置于最外侧平面型多匝线圈内且呈一维或二维分布在四层印刷电路上，内侧平面型多匝线圈之间可重叠或不重叠，重叠时通过分布在不同层印刷电路上以实现两两内侧平面型多匝线圈之间相互独立，所述内侧平面型多匝线圈和最外侧平面型多匝线圈均为带缺口的线圈；所述三层介质板上均设置有若干位置对应的通孔，所述多个内侧平面型多匝线圈之间通过微带线以及通孔以实现不同层印刷电路的贯通；
所述接收天线为平板型印刷电路板，其包括正面和背面的印刷电路以及设置在正背面印刷电路之间的介质板，所述接收天线的正面印刷电路为接收谐振线圈，所述接收天线的背面印刷电路为寄生耦合线圈，所述接收谐振线圈与寄生耦合线圈通过微带线以及通孔实现贯通。


2.根据权利要求1所述的用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，其特征在于，所述发射天线中至少存在两个内侧平面型多匝线圈内部设置有至少一匝的反向绕线，所述反向绕线上的电流方向与其内侧的平面型多匝线圈以及其对应的内侧平面型多匝线圈的电流方向相反，所述发射天线中的线圈、接收天线的接收谐振线圈和寄生耦合线圈为多匝的圆形、矩形或菱形线圈，所述发射天线和接收天线的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。


3.根据权利要求2所述的用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，其特征在于，所述发射天线的四层印刷电路包括第一环形线圈(001)、设置在第一层和第二层印刷电路中的第二环形线圈(003)、第四环形线圈(005)和第六环形线圈(007)以及设置在第三层和第四层印刷电路中的第三环形线圈(004)和第五环形线圈(006)；所述第二环形线圈(003)、第三环形线圈(004)、第四环形线圈(005)、第五环形线圈(006)和第六环形线圈(007)尺寸相同且依次相邻地设置在第一环形线圈(001)中，所述相邻的两个环形线圈之间存在交叉重叠，所述环形线圈之间均通过微带线以及通孔实现贯通。


4.根据权利要求3所述的用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，其特征在于，所述发射天线中第一层印刷电路包括印刷在其外侧的第一环形线圈(001)；所述第二环形线圈(003)、第四环形线圈(005)和第六环形线圈(007)依次相邻的设置在第一层印刷电路或第二层印刷电路上；
所述第二环形线圈(003)、第四环形线圈(005)和第六环形线圈(007)均为带缺口的环形线圈，所述第二环形线圈(003)和第六环形线圈(007)内部均设置有一匝反向绕线的环形线圈；所述第一环形线圈(001)的最外侧的一匝线圈上设置有第一电磁能量输入端口(002)以及分布在第一电磁能量输入端口(002)两端的第四连接点(104)，所述第一环形线圈(001)上分别设置有第一连接点(101)、第三连接点(103)、第六连接点(106)、第八连接点(108)、第十连接点(1010)和第十一连接点(1011)以用于串联第一环形线圈(001)、第二环形线圈(003)、第四环形线圈(005)和第六环形线圈(007)；所述第一层印刷电路还包括第二连接点(102)、第二连接点(102)之间的微带线、第五连接点(105)和第五连接点(105)之间的微带线；所述第二环形线圈(003)、第四环形线圈(005)和第六环形线圈(007)上分别设置有第七连接点(107)、第九连接点(109)和第十二连接点(1012)。


5.根据权利要求4所述的用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，其特征在于，所述发射天线中第二层印刷电路上设置有与第一层印刷电路中第一至第十二连接点位置一一对应的第十三连接点(201)、第十四连接点(202)、第十五连接点(203)、第十六连接点(204)、第十七连接点(205)、第十八连接点(206)、第十九连接点(207)、第二十连接点(208)、第二十一连接点(209)、第二十二连接点(2010)、第二十三连接点(2011)和第二十四连接点(2012)；两两对应的所述连接点之间均设置有通孔。


6.根据权利要求5所述的用于磁共振耦合无线电能传输系统的收发天线结构，其特征在于，所述第三环形线圈(004)和第五环形线圈(006)为相邻线圈；所述第三环形线圈(004)和第五环形线圈(006)镜像对称且自由设置在发射天线的第三层印刷电路和第四层印刷电路中；所述第三环形线圈(004)上设置有与第十四连接点(202)和第二十连接点(208)的位置一一对应的第二十六连接点(302)和第三十二连接点(308)，所述第五环形线圈(006)上设置有与第十七连接点(205)和第二十三连接点(2011)的位置一一对应的第二十九连接点(305)和第三十五连接点(3011)；
所述发射天线中第三层印刷电路上还设置有与第十三连接点(201)、第十五连...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻易强，刘勇，罗鑫，刘志威，张澜潇，
申请(专利权)人：成都斯普奥汀科技有限公司，
类型：新型
国别省市：四川;51