[發(fā)明專利]邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器

有效

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• 申請日: 2014-07-28
• 公開（公告）號: CN104158303A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發(fā)明（設計）人: 吳柯;王巍;西蒙·海默
• 申請（專利權）人: 杭州柯茂睿海科技有限公司
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 北京友聯(lián)知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11343
• 代理人: 尚志峰;汪海屏

技術領域

本發(fā)明涉及電子元器件技術領域，具體而言，涉及一種應用在無線功率傳輸技術中的邊緣密集嵌套電容加載環(huán)諧振器。

背景技術

如今，筆記本電腦、手機、平板電腦和嵌入式設備等高便攜性電子設備在我們的日常生活中扮演著越來越重要的角色，這些電子設備及配件的供電高度依賴電池，盡管亞微米級加工技術的進步已使低功耗電子設備獲得了快速持續(xù)發(fā)展，但是這些便攜電子設備的功能也在日益增加，使得總體能源消耗難以下降，便攜電子設備往往因為電池供電不夠持久而很難發(fā)揮出全部潛能，其便利性也因頻繁充電或更換電池而大打折扣。此外，對于那些不能接有線充電器的設備來說，比如生物醫(yī)學領域的人體植入設備，其電池的更換需要通過外科手術來實現(xiàn)，而通過無線可充電電源可以使病人尤其是老年人避免進行這種危險性較高的外科手術。同時，由于人體和日常生活中廣泛使用的各種材料與電場有較強的相互作用，而與磁場只有微弱的相互作用，這使得采用磁耦合技術的無線功率傳輸系統(tǒng)對人體的安全性較高，而對設備正常工作的環(huán)境要求比較低，因此，采用磁耦合技術的無線功率傳輸系統(tǒng)成為了近年的研究熱點。

磁耦合技術的無線功率傳輸分為兩類，非諧振的磁耦合無線功率傳輸技術和諧振的磁耦合無線功率傳輸技術。非諧振的磁耦合無線功率傳輸技術具有安全、低成本、中低功率和短距離(通常小于0.1倍的諧振器的直徑)的特點，傳輸距離的限制使得非諧振的磁耦合無線功率傳輸技術的應用領域頗為受限。諧振的磁耦合無線功率傳輸技術通過使用高Q值的諧振器，使無線功率傳輸距離達到2到3倍諧振器的直徑，大大超過了采用非諧振的磁耦合無線功率傳輸技術的設備的傳輸距離，從而實現(xiàn)了對多個移動目標進行大范圍、多角度、高效率和較低成本的安全供電。

諧振器的性能在諧振的磁耦合無線功率傳輸技術中至關重要。非用于無線功率傳輸領域的諧振器多為封閉結構，諧振器之間的耦合需通過一些技術手段進行抑制，這類諧振器的品質因數(shù)，即Q值為最重要的技術指標。用于無線功率傳輸?shù)闹C振器位于開放空間，通過諧振器之間的耦合傳遞能量，因此諧振器間的耦合系數(shù)需要通過一些技術手段進行增強和優(yōu)化。磁耦合諧振式無線功率傳輸設備的效率由諧振器間的耦合系數(shù)與諧振器的Q值的積及諧振器共振頻率決定，因此耦合系數(shù)與Q值同為無線功率傳輸系統(tǒng)最重要的技術指標。

諧振的磁耦合無線功率傳輸技術是基于高Q值高耦合系數(shù)的諧振器實現(xiàn)的。被廣泛用于磁耦合無線功率傳輸技術的三維螺旋線圈諧振器是高Q值諧振器的一個最典型的代表。其線圈依靠各匝導線之間的分布電容與分布電感的相互作用來實現(xiàn)共振，比如MIT相關科研人員在《Science》刊登的文章中的0.6m直徑的等距離螺旋諧振器。三維線圈的耦合系數(shù)主要取決于線圈匝數(shù)和線圈直徑；同時其諧振頻率主要取決于直徑、匝數(shù)和線圈節(jié)距；線圈的導體損耗由導線的材料、長度和直徑?jīng)Q定；而線圈的輻射損耗由直徑?jīng)Q定。通過研究可以發(fā)現(xiàn)這種諧振器的線圈節(jié)距對諧振頻率的影響較強而對耦合系數(shù)的影響較弱，這意味著調(diào)整三維線圈的節(jié)距來控制諧振頻率，同時幾乎不影響無線功率傳輸中三維線圈的耦合系數(shù)和Q值兩個關鍵參數(shù)。因此，三維螺旋線圈諧振器實現(xiàn)了高耦合系數(shù)和高Q值從而作為核心部件被廣泛應用在中距離無線功率傳輸系統(tǒng)中。這種諧振器最大的問題是其所占空間較大，尤其在中遠距離的無線功率傳輸系統(tǒng)中，過于龐大的三維螺旋線圈諧振器直接導致了無線功率傳輸設備難以商用。因此越來越多的研究人員把目光投向了二維平面諧振器的研制工作，目前的二維螺旋諧振器主要有平面螺旋諧振器和電容加載環(huán)諧振器兩種。

平面螺旋諧振器是一種在二維平面中實現(xiàn)的較高Q值諧振器，其各匝線圈具有不同的半徑。由于平面空間的局限性，導致平面線圈的節(jié)距對耦合系數(shù)影響很大，這一點與三維螺旋線圈有很大不同。由于在最佳頻率條件下不能使耦合系數(shù)和Q值同時達到最優(yōu)，并且沿導線正弦分布的電流更靠近諧振器的中軸線，進一步降低了二維線圈的電感。這些原因造成了二維線圈能達到的耦合系數(shù)和Q值要比三維線圈要低很多。

平面電容加載環(huán)諧振器是另一種在二維平面中實現(xiàn)的較高Q值諧振器，其是由單導體環(huán)端接低損耗電容實現(xiàn)諧振，可以在給定諧振器直徑的條件下，通過采用恰當電容達到最佳諧振頻率，但由于單導體環(huán)并未充分利用二維平面空間，自感和互感都較低，從而使得耦合系數(shù)和Q值要比三維諧振器低很多。

以上兩種平面諧振器的功率傳輸效率在傳輸距離等于兩倍諧振器直徑處遠遠低于相應的三維螺旋諧振器，形成了諧振的磁耦合無線功率傳輸技術的一個瓶頸。