一种基于电磁超材料的无线传能系统及阻抗匹配方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于电磁超材料的无线传能系统及阻抗匹配方法，该无线传能系统包括信号源、功率放大器、宽带阻抗匹配器、发射线圈、接收线圈、电磁超材料和负载。信号源提供频率为3.5MHz、功率大小为13dBm的正弦波信号；功率放大器采用A、B类放大电路，增益为31dB；宽带阻抗匹配器中的可调电容C3和C4分别调节系统中回波损耗幅值与谐振频率值；发射线圈与接收线圈由利兹线缠绕而成，采用圆形结构；电磁超材料谐振频率为3.5MHz；负载为低压灯泡。本发明专利技术公开的基于电磁超材料的无线传能系统及阻抗匹配方法，能够满足提高无线传能系统能量传输效率的需求。效率的需求。效率的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁超材料的无线传能系统及阻抗匹配方法


[0001]本专利技术属于无线传能系统设计与射频系统阻抗匹配领域，具体涉及一种基于电磁超材料的无线传能系统及阻抗匹配方法。

技术介绍

[0002]无线传能技术以非连接的方式向负载供电，在电力设备供电领域内得到了广泛应用。由于磁耦合谐振式无线传能技术具有传输能量大、传输效率高、能量传输距离远、传输方向广等优点，磁耦合谐振式无线传能技术作为新型的电能存储和传输技术已经受到人们的普遍关注。而磁耦合谐振式无线传能技术中传输效率的关键是系统阻抗匹配。若阻抗匹配较差，则传输效率极低，大部分能量将发生反射。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于电磁超材料的无线传能系统及阻抗匹配方法，该方法实用性高、适用范围广，能够有效解决系统内阻抗匹配性差的问题，使系统内器件阻抗值均达到50+j0Ω。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种基于电磁超材料的无线传能系统，包括功率输出端口、发射端口、电磁超材料、接收端口和负载端口；其中，所述功率输出端口包括信号源、功率放大器、宽带阻抗匹配器；所述发射端口包括发射端匹配电容C1和发射线圈；所述接收端口包括接收端匹配电容C2和接收线圈；所述负载端口的负载为低压灯泡；所述信号源串联连接功率放大器；所述功率放大器串联连接宽带阻抗匹配器；宽带阻抗匹配器串联连接发射端口；所述发射端匹配电容C1串联连接到发射线圈接地端引线；所述接收端匹配电容C2串联连接到接收线圈接地端引线；所述发射线圈与接收线圈中间隔空气，通过磁感应谐振传输能量；所述接收端口串联连接负载端口。
[0006]进一步地，所述发射线圈与接收线圈的线圈匝数为15匝，匝间距为0.5cm；最外圈线圈周长为94.24cm，最内圈线圈周长为37.71cm。
[0007]进一步地，所述宽带阻抗匹配器内部外接并联的三个云母电容，所述三个云母电容的电容值为3000PF、1500PF和1500PF；还包括可调电容C3和C4，两个可调电容的阻抗匹配范围为(2～45)Ω
±
j(0～70)Ω；内部的电感线圈电感值为100μH。
[0008]进一步地，所述功率放大器包括功放信号输出口、滤波器和耦合器，功放信号输出口输出的信号输入滤波器中，经滤波器处理，信号进入功率监测电路的耦合器处理后输出功率。
[0009]进一步地，所述低压灯泡额定电压值为5V，功率为5W。
[0010]进一步地，所述电磁超材料的电磁超材料单元晶格的边长a＝100mm、电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长b＝96mm、线圈中导线宽度w＝0.5mm、线圈匝间距s＝0.5mm和线圈匝数N＝19。
[0011]进一步地，所述发射线圈距电磁超材料的距离为10cm，所述接收线圈距电磁超材料的距离为10
‑
100cm。
[0012]本专利技术还提供一种基于电磁超材料的无线传能系统的阻抗匹配方法，根据频率谐振公式测量所述发射线圈与接收线圈的自身电感与寄生电容值，配备所述发射端匹配电容C1和接收端匹配电容C2，从而使所述发射线圈与接收线圈的谐振频率达到目标值，其中ω为谐振频率；L为发射线圈与接收线圈的自身电感；C为发射线圈与接收线圈的寄生电容值。
[0013]有益效果：
[0014]本专利技术的无线传能系统提供了一种可实行的无线传能方法。而无线传能系统中传输效率的关键在于阻抗匹配，若系统阻抗匹配程度较差，则传输效率极低，大部分能量发生反射。本专利技术中的阻抗匹配方法提高匹配程度，并提高传输效率。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例的基于电磁超材料的无线传能系统的系统结构示意图。
[0016]图2为本专利技术实施例的基于电磁超材料的无线传能系统的功率放大器结构示意图。
[0017]图3为本专利技术实施例的基于电磁超材料的无线传能系统的宽带阻抗匹配器结构示意图。
[0018]图4为本专利技术实施例的基于电磁超材料的无线传能系统的电磁超材料结构示意图。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0020]如图1所示，本专利技术的基于电磁超材料的无线传能系统包括功率输出端口、发射端口、电磁超材料、接收端口和负载端口；其中，所述功率输出端口包括信号源、功率放大器、宽带阻抗匹配器；所述发射端口包括发射端匹配电容C1和发射线圈；所述接收端口包括接收端匹配电容C2和接收线圈；所述负载端口的负载为低压灯泡；所述信号源串联连接功率放大器；所述功率放大器串联连接宽带阻抗匹配器；宽带阻抗匹配器串联连接发射端口；所述发射端匹配电容C1串联连接到发射线圈接地端引线；所述接收端匹配电容C2串联连接到接收线圈接地端引线；所述发射线圈与接收线圈中间隔电磁超材料，发射线圈距电磁超材料的距离为10cm，接收线圈距电磁超材料的距离为10
‑
100cm，通过磁感应谐振传输能量；所述接收端口串联连接负载端口。所述发射线圈与接收线圈中间相隔通过磁感应谐振传输能量；
[0021]如图2所示，本专利技术的基于电磁超材料的无线传能系统的功率输出端口的功率放大器包括功放信号输出口、滤波器和耦合器，工作方式为功放输出信号输入滤波器中，经滤
波器处理，信号进入功率监测电路，经耦合器处理后输出功率。所述功率放大器的放大电路采用进口大功率RF
‑
MOSFET作为核心器件，逐级放大、多路合成后经过分波段的低通滤波器输出。功率放大器工作在E类。
[0022]如图3所示，本专利技术的基于电磁超材料的无线传能系统的功率输出端口的宽带阻抗匹配器为Π型电路，可调电容C3与云母电容并联，主干线为可调电感，另一支路为可调电容C4。所述宽带阻抗匹配器内部外接并联三个云母电容，所述云母电容的电容值为3000PF、1500PF和1500PF；两个可调电容C3、C4的阻抗匹配范围为(2～45)Ω
±
j(0～70)Ω；内部的可调电感的线圈电感值为100μH。
[0023]如图4所示，本专利技术的基于电磁超材料的无线传能系统的电磁超材料结构为方形线圈结构。该电磁超材料单元晶格边长a＝100mm、电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长b＝96mm、线圈中导线宽度w＝0.5mm、线圈匝间距s＝0.5mm和线圈匝数N＝19。
[0024]所述发射线圈与接收线圈的线圈匝数为15匝，匝间距为0.5cm；最外圈线圈周长为94.24cm，最内圈线圈周长为37.71cm。所述信号源提供频率为3.5MHz、功率大小为13dBm的正弦波信号；所述功率放大器采用A、B类放大电路，增益为31dB；所述宽带阻抗匹配器中的可调电容C3和C4分别调节系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁超材料的无线传能系统，其特征在于：包括功率输出端口、发射端口、电磁超材料、接收端口和负载端口；其中，所述功率输出端口包括信号源、功率放大器、宽带阻抗匹配器；所述发射端口包括发射端匹配电容C1和发射线圈；所述接收端口包括接收端匹配电容C2和接收线圈；所述负载端口的负载为低压灯泡；所述信号源串联连接功率放大器；所述功率放大器串联连接宽带阻抗匹配器；宽带阻抗匹配器串联连接发射端口；所述发射端匹配电容C1串联连接到发射线圈接地端引线；所述接收端匹配电容C2串联连接到接收线圈接地端引线；所述发射线圈与接收线圈中间隔电磁超材料，通过磁感应谐振传输能量；所述接收端口串联连接负载端口。2.如权利要求1所述基于电磁超材料的无线传能系统，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈的线圈匝数为15匝，匝间距为0.5cm；最外圈线圈周长为94.24cm，最内圈线圈周长为37.71cm。3.如权利要求1所述基于电磁超材料的无线传能系统，其特征在于：所述宽带阻抗匹配器内部外接并联的三个云母电容，所述三个云母电容的电容值为3000PF、1500PF和1500PF；还包括可调电容C3和可调电容C4，两个可调电容的阻抗匹配范围为(2～45)Ω
±
j(0～70)Ω；内部的可调电感的线圈电感值为100μH。...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐彬，李晓南，刘国强，罗兵，徐永生，肖微，曾向君，王婷婷，张豪峰，陈少杰，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：