一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输实现系统，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；所述发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，所述非谐振发射环和接收环具有开口；所述接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同；所述金属超材料结构包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个所述延伸部互相平行；其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环和接收环以及谐振圆环部的圆心在同一竖直线上；所述非谐振发射环和接收环的开口与谐振圆环部的开口方向一致。的开口方向一致。的开口方向一致。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统


[0001]本专利技术涉及无线电能传输结构设计领域，具体而言，尤其涉及一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输实现方法。

技术介绍

[0002]无线能量传输(WPT)是一种利用电场耦合或磁场耦合而进行的双端或多端非接触式实时能量传输技术。由于无线能量传输不再约束接收与功率源物理接触，使得调整不同的设备充电位置是便捷可行的。由于其表现出的广泛的适用性及便捷性，自从在2007年被首次提出以来，无线能量传输始终是一个研究热点，并且其研究成果已被应用在植入式医疗设备、分布式传感网络、智能家居以及各种微型便携式电子设备等众多领域。针对不同的应用情形，无线能量传输发展出了包括基于微波辐射，磁耦合谐振，超材料传输等的多种传输形式。然而，无线电能传输系统在摆脱传统电力输送介质束缚的同时，也带来了传输距离与传输效率的矛盾,以及无线能量传输系统电能传输的避障及路径规划问题。现阶段，发掘一种高效、不受能量传播路径影响的无线能量传输形式仍是需要讨论的重要问题。在无线能量传输中赋形或重构耦合场空间分布以约束场的耦合路径是一种提高发射端与接收端耦合、躲避传输障碍的有效方法。基于其自身谐振及耦合等特性，电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial,EM MTM)的出现为该领域的研究人员提供了控制电磁场耦合及传播形式的可行载体。
[0003]EM MTM是一种具有某种特异电磁性能的人造微结构单胞或周期阵列，其在外场激励下表现出电或磁谐振、等离子体特性等。MTM被用于调整局部EM场的分布或控制波的传输路径，它的引入使得无线能量传输具有了更灵活的参数调整方法。基于LC谐振的金属微结构型MTM及基于Mie散射的高介电陶瓷型MTM均被引入到无线能量传输设计中。合理的MTM空间分布可用于构成MTM超透镜、磁耦合设备等，将MTM超透镜作为一种中继可有效引导传输的电磁波按照所需路径传播至目标位置，实现对耦合场的聚焦以及倏逝波的放大，获取高无线能量传输效率。然而已有基于MTM的WPT多是以周期性MTM单胞阵列为实现载体的，需要较大规模二维结构阵列，在该种无线能量传输系统中，能量传输距离受到发射及接收线圈、波长等的限制明显，同时无法解决在无线能量传输中路径可调控的问题。
[0004]桌面无线能量传输(Table Wireless Power Transmission,TWPT)作为一种重要的无线能量传输形式，在桌面上布置能量传输路径，发射及接收线圈不需要同轴或共面放置，可避免空间无线能量传输中两线圈共面的限制，同时，也避免了空间区域及路径可控的限制。目前在TWPT设计中，使用开口谐振环阵列作为谐振器，其可将倏逝波转换成传输波，并通过开口谐振环阵列中各谐振环间耦合实现能量传输，在一定程度上路径可以调控，然而仍存在谐振环间耦合较弱无法远距离传输、路径受限的问题。

技术实现思路

[0005]根据上述提出的现有技术无法满足在远距离条件下实现高效率的无线电能传输，
并保证整个系统的位置鲁棒性的技术问题，提供一种基于耦合双线谐振环超材料的桌面无线能量传输系统。以磁偶极子模式工作的陶瓷介质圆盘禁锢发射激发的磁场并实现对倏逝波的增强。合理的金属超材料在实现对反射场与入射场的约束作用的同时也为波的传输提供了载体，有效的抑制了能量的损失，实现了高效的无线能量传输系统。此外，所提无线能量传输系统在发射线圈与接收线圈处于不同空间位置的情况下仍能保持高效传输。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；
[0008]所述发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，所述非谐振发射环具有开口；
[0009]所述接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同；
[0010]所述金属超材料结构为金属微结构组成的响应单元，在外部入射电磁场激励下会产生对应谐振响应，具体包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个所述延伸部互相平行；
[0011]其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环和接收环以及谐振圆环部的圆心在同一竖直线上。
[0012]进一步地，所述谐振圆环部的开口相对设置，所述延伸部呈直线型。
[0013]进一步地，所述谐振圆环部的开口朝向同侧设置，所述延伸部同侧偏移设置。
[0014]进一步地，所述谐振圆环部的开口朝向异侧设置，所述延伸部异侧偏移设置。
[0015]进一步地，所述谐振圆环部的开口朝向下方设置，所述延伸部三维空间抬起设置。
[0016]进一步地，所述发射器和接收器的圆盘的直径大于所述谐振圆环部的外径。
[0017]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0018]本专利技术采用金属超材料设计对电磁场进行约束、引导与裁剪，从而实现磁场的重新分布。陶瓷介质圆盘的引入可增强谐振器内磁场耦合强度，与此同时，在两耦合线圈间引入耦合双金属平行线，使传输波沿金属平行线间缝隙进行传输，完成倏逝波—传输波—倏逝波的转换，并可有效避免倏逝波在传输过程中的衰弱，减少能量的损耗。该TWPT系统可实现针对特定频点处的无线能量传输系统进行远距离，高效率传输的功能，同时使该系统具有较为优越的抗干扰能力以及收发线圈位置鲁棒性等方面的明显优势。相比于其他无线电能传输系统，此专利技术的设计结构更加简单，设计效果更加优秀，可行性较强，可靠性更高。
[0019]基于上述理由本专利技术可在无线电能传输领域广泛推广。
附图说明
[0020]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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为实施例1中无线电能传输系统结构示意图。
[0022]图2为实施例1中当延伸部长度为160cm时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。
[0023]图3为实施例1中当延伸部长度为250cm时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。
[0024]图4为实施例2中延伸部同侧偏移90
°
时无线电能传输系统结构示意图。
[0025]图5为实施例2中延伸部同侧偏移90
°
时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。
[0026]图6为实施例2中延伸部异侧偏移90
°
时无线电能传输系统结构示意图。
[0027]图7为实施例2中延伸部异侧偏移90
°
时传输特性曲线图，其中S11为反射系数，S21为透射系数。
[0028]图8为实施例3中将发射器和接收器在Z轴方向抬起9本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；所述发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，所述非谐振发射环具有开口；所述接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同；所述金属超材料结构为金属微结构组成的响应单元，在外部入射电磁场激励下产生对应谐振响应，具体包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个所述延伸部互相平行；其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环和接收环以及谐振圆环部的圆心在同一竖直线上。2.根据权利要求1所述的一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，其特征在于，所述谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：史鹏飞，曹阳阳，赵宏革，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：