[發(fā)明專利]一種基于雙諧振環(huán)超材料的智能桌面無線電能傳輸系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110915180.6
• 申請日: 2021-08-10
• 公開（公告）號: CN113472093B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史鵬飛;曹陽陽;趙宏革
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J50/70;H01F38/14
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李馨

本發(fā)明提供一種基于耦合雙諧振環(huán)超材料的智能桌面無線電能傳輸實現(xiàn)系統(tǒng)，包括發(fā)射器、接收器以及金屬超材料結(jié)構(gòu)；所述發(fā)射器包括非諧振發(fā)射環(huán)和設(shè)置于所述發(fā)射環(huán)下方一定位置的陶瓷介質(zhì)圓盤，所述非諧振發(fā)射環(huán)和接收環(huán)具有開口；所述接收器與所述發(fā)射器被設(shè)置于同一水平面上，且二者結(jié)構(gòu)相同；所述金屬超材料結(jié)構(gòu)包括兩個具有相同寬度開口的諧振圓環(huán)部，兩個諧振圓環(huán)部的開口處通過延伸部連接，構(gòu)成封閉結(jié)構(gòu)，且兩個所述延伸部互相平行；其中，發(fā)射器的陶瓷介質(zhì)圓盤、非諧振發(fā)射環(huán)和接收環(huán)以及諧振圓環(huán)部的圓心在同一豎直線上；所述非諧振發(fā)射環(huán)和接收環(huán)的開口與諧振圓環(huán)部的開口方向一致。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線電能傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種基于耦合雙諧振環(huán)超材料的智能桌面無線電能傳輸實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

無線能量傳輸(WPT)是一種利用電場耦合或磁場耦合而進行的雙端或多端非接觸式實時能量傳輸技術(shù)。由于無線能量傳輸不再約束接收與功率源物理接觸，使得調(diào)整不同的設(shè)備充電位置是便捷可行的。由于其表現(xiàn)出的廣泛的適用性及便捷性，自從在2007年被首次提出以來，無線能量傳輸始終是一個研究熱點，并且其研究成果已被應(yīng)用在植入式醫(yī)療設(shè)備、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)、智能家居以及各種微型便攜式電子設(shè)備等眾多領(lǐng)域。針對不同的應(yīng)用情形，無線能量傳輸發(fā)展出了包括基于微波輻射，磁耦合諧振，超材料傳輸?shù)鹊亩喾N傳輸形式。然而，無線電能傳輸系統(tǒng)在擺脫傳統(tǒng)電力輸送介質(zhì)束縛的同時，也帶來了傳輸距離與傳輸效率的矛盾,以及無線能量傳輸系統(tǒng)電能傳輸?shù)谋苷霞奥窂揭?guī)劃問題。現(xiàn)階段，發(fā)掘一種高效、不受能量傳播路徑影響的無線能量傳輸形式仍是需要討論的重要問題。在無線能量傳輸中賦形或重構(gòu)耦合場空間分布以約束場的耦合路徑是一種提高發(fā)射端與接收端耦合、躲避傳輸障礙的有效方法。基于其自身諧振及耦合等特性，電磁超材料(Electromagnetic Metamaterial,EM MTM)的出現(xiàn)為該領(lǐng)域的研究人員提供了控制電磁場耦合及傳播形式的可行載體。

EM MTM是一種具有某種特異電磁性能的人造微結(jié)構(gòu)單胞或周期陣列，其在外場激勵下表現(xiàn)出電或磁諧振、等離子體特性等。MTM被用于調(diào)整局部EM場的分布或控制波的傳輸路徑，它的引入使得無線能量傳輸具有了更靈活的參數(shù)調(diào)整方法。基于LC諧振的金屬微結(jié)構(gòu)型MTM及基于Mie散射的高介電陶瓷型MTM均被引入到無線能量傳輸設(shè)計中。合理的MTM空間分布可用于構(gòu)成MTM超透鏡、磁耦合設(shè)備等，將MTM超透鏡作為一種中繼可有效引導(dǎo)傳輸?shù)碾姶挪ò凑账杪窂絺鞑ブ聊繕?biāo)位置，實現(xiàn)對耦合場的聚焦以及倏逝波的放大，獲取高無線能量傳輸效率。然而已有基于MTM的WPT多是以周期性MTM單胞陣列為實現(xiàn)載體的，需要較大規(guī)模二維結(jié)構(gòu)陣列，在該種無線能量傳輸系統(tǒng)中，能量傳輸距離受到發(fā)射及接收線圈、波長等的限制明顯，同時無法解決在無線能量傳輸中路徑可調(diào)控的問題。

桌面無線能量傳輸(Table Wireless Power Transmission,TWPT)作為一種重要的無線能量傳輸形式，在桌面上布置能量傳輸路徑，發(fā)射及接收線圈不需要同軸或共面放置，可避免空間無線能量傳輸中兩線圈共面的限制，同時，也避免了空間區(qū)域及路徑可控的限制。目前在TWPT設(shè)計中，使用開口諧振環(huán)陣列作為諧振器，其可將倏逝波轉(zhuǎn)換成傳輸波，并通過開口諧振環(huán)陣列中各諧振環(huán)間耦合實現(xiàn)能量傳輸，在一定程度上路徑可以調(diào)控，然而仍存在諧振環(huán)間耦合較弱無法遠(yuǎn)距離傳輸、路徑受限的問題。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出的現(xiàn)有技術(shù)無法滿足在遠(yuǎn)距離條件下實現(xiàn)高效率的無線電能傳輸，并保證整個系統(tǒng)的位置魯棒性的技術(shù)問題，提供一種基于耦合雙線諧振環(huán)超材料的桌面無線能量傳輸系統(tǒng)。以磁偶極子模式工作的陶瓷介質(zhì)圓盤禁錮發(fā)射激發(fā)的磁場并實現(xiàn)對倏逝波的增強。合理的金屬超材料在實現(xiàn)對反射場與入射場的約束作用的同時也為波的傳輸提供了載體，有效的抑制了能量的損失，實現(xiàn)了高效的無線能量傳輸系統(tǒng)。此外，所提無線能量傳輸系統(tǒng)在發(fā)射線圈與接收線圈處于不同空間位置的情況下仍能保持高效傳輸。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于耦合雙諧振環(huán)超材料的智能桌面無線電能傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射器、接收器以及金屬超材料結(jié)構(gòu)；