一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔的制作方法

本發明屬于電子技術領域，它涉及一種高q值的體積緊湊型諧振腔，該諧振腔可以進行多方向耦合，從而達到進行多方位的無線功率傳輸的目的。具體涉及一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔。

背景技術：

隨著社會的不斷發展，電子設備在人們的生活中逐漸發揮著不可替代的作用，而電子設備通常都有一個共同的缺點：電池容量不高；因此人們常常需要攜帶與電子設備相匹配的充電器以達到及時充電的目的。此時，無線充電的興起恰好可以很好的解決傳統有線充電的問題。到目前為止，無線功率傳輸通常可以分為三大類：電磁感應式無線功率傳輸、耦合諧振式無線功率傳輸、電磁輻射式無線功率傳輸。

電磁感應式無線功率傳輸的主要原理是電磁感應。在初級線圈和次級線圈中放入不同的磁性物質，使得能量通過電磁感應由初級線圈傳遞到次級線圈，從而達到無線功率傳輸的目的。這種無線功率傳輸的方式多用于低頻近場的環境中。

無線功率傳輸按照傳播方式主要可分為無線電波式、電磁感應式、激光式、超聲波式無線功率傳輸。其中耦合諧振式無線功率傳輸主要是通過近場電磁場耦合進行能量傳輸。其主要原理是使得通過發射線圈和接收線圈的諧振頻率相同，以產生共振，從而達到能量傳輸的目的。主要應用于高頻近場的環境中。

對于無線功率傳輸來說，無線功率傳輸的效率通常是決定無線功率傳輸模型是否實用的關鍵因素之一。現有的無線功率傳輸用諧振腔的體積不夠緊湊，因此無線功率傳輸的效率不夠高，如何進一步的提高效率是急需解決的問題之一。1988年，赫茲在驗證麥克斯韋的波動性理論時，實現了電磁波的發射與接收，這是無線功率傳輸的啟蒙實驗。1989年，特斯拉率先提出了無線輸能的概念，致力于實現全球無線輸電，并且特斯拉的實驗成功點亮了26英里外的2盞50瓦的電燈。2006年，美國麻省理工學院的marinsoljacic教授開創性的提出了利用電磁場的諧振耦合來進行無線功率傳輸的概念，并成功的在距離2.1m的地方點亮了一個60w的燈泡。此實驗為無線功率傳輸的研究提供了一個新思路。2008年，bombardier公司研制出了一種應用于有軌電車和輕軌的無線輸能系統。文中的無線功率傳輸模型是在marinsoljacic提出的磁耦合共振的啟發下提出的。這種無線輸能模型是在金屬腔內的各個腔體通過諧振耦合實現無線輸能的目的，同時可以通過對腔體開槽實現對多個方向的耦合。

技術實現要素：

本發明的目的在于：針對現有諧振腔傳輸效率低的問題，本發明提供一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔。本發明基于近場諧振耦合的方法，提出了一個體積緊湊的高品質因數的諧振腔模型，并使得該模型工作于π模式，達到無線功率傳輸對于效率的要求。

該模型體積緊湊，同時還可以使得具有優良電磁特性的π模用于能量傳輸，進一步提高了無線功率傳輸的效率。該模型具有體積緊湊，高品質因數，大量生產成本低，效率高的優點。

本發明技術方案為：

一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，包括諧振腔、同軸接頭，所述諧振腔腔體內是一個圓柱形腔體，所述諧振腔上還包括上蓋板，上蓋板上設有通孔，諧振腔內至少設有兩對扇形體葉片，扇形體葉片在同一圓周上呈中心對稱均勻分布；扇形體葉片兩端對稱設有凹槽，凹槽內設置有半徑不同的底座，相鄰扇形體葉片同一端的凹槽內設置半徑不同的底座，相鄰扇形體葉片相對端的凹槽內設置的底座半徑相同；

扇形體葉片同一端的凹槽內設置圓環形的第一交連環和第二交連環，第一交連環與半徑小的底座相連，第二交連環與半徑大的底座相連；

同軸接頭的底端通過通孔伸入諧振腔的腔內并固定在諧振腔內的一個扇形體葉片上。所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，所述同軸接頭用于連接信號源。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，所述諧振腔為方柱形。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，諧振腔側面設有開槽，或者諧振腔上與上蓋板相對設有可拆卸的下蓋板。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，諧振腔、同軸接頭扇形體葉片、底座、第一交連環、第二交連環的材料均為黃銅。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，方柱形的諧振腔邊長為112mm，高為68mm，蓋板厚度為4mm。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，扇形體葉片的高度為50mm，諧振腔1的上蓋板11距離扇形體葉片3的高度為13mm，相鄰兩個扇形體葉片之間的空腔的弧度為50度，每個扇形體葉片的弧度為40度，交連式諧振腔的中間的圓柱形空腔半徑為14mm。由于采用上述技術方案后，本發明的有益效果是：

本發明方案的諧振腔依據諧振腔近場諧振耦合的特點，可以進行能量高效傳輸的無線功率傳輸，實現了高q值、體積緊湊型的高效率能量傳輸。與現有的無線功率傳輸模型相比，該模型能夠高效率的進行無線功率傳輸、使用效率更高、體積更緊湊。

該諧振腔的π模式為非簡并模式，具有效率高的工作特點，當該諧振腔工作于π模式時，在相鄰的諧振腔中，電磁與磁場幅度相同，相位相差180度。電場強度在徑向上由圓心向外依次遞減，磁場強度在徑向上由圓心向外依次遞加。也就是說諧振腔的電場主要集中在靠近圓心的位置，磁場主要集中在遠離圓心的位置。正因為π模式具有這樣的優良特性，所以可以把π模式應用于無線輸能。本發明根據電磁場在近場會產生諧振耦合的特點使得進行無線輸能時的效率更高。

取兩個相同的上述諧振腔，讓兩個諧振腔對稱放置,并使得兩個諧振腔的腔體相對，如圖8所示。不斷的改變兩個諧振腔之間的相對距離，經過仿真可以計算出兩個諧振腔在不同距離時進行無線功率傳輸的效率。

綜上所述，本發明應用于無線功率傳輸中，利用近場電磁場的諧振耦合，實現對于能量的無線傳輸。由于該模型的基模π模的磁場分布特征，使得該模型具有很高的無線輸能效率，其傳輸效率可以達到87.5％。

同時，由于該模型的基模和第一個高次模都是均分式的模式，可以同時工作，具有其他模型所不具備的獨特優勢。當兩個諧振腔之間進行無線功率傳輸時，由于基模π模的優良特性，使得該諧振腔進行無線功率傳輸時具有很高的傳輸效率。

同時該諧振腔具有很高的q值，體積緊湊，便于工程應用。

附圖說明

圖1是本發明正視橫截面結構圖；

圖2是本發明整體外部結構圖；

圖3是本發明帶交連環時的俯視圖；

圖4是本發明正面剖面結構圖；

圖5是交連式諧振腔進行無線功率傳輸時的結構圖；

圖6是本發明交連式諧振腔模型的s11；

圖7交連式諧振腔在π模式下縱截面的電場分布；

圖8交連式諧振腔在π模式下縱截面的磁場分布；

圖9交連式諧振腔在π模式下橫截面的電場分布；

圖10交連式諧振腔在π模式下橫截面的磁場分布；

圖11交連式諧振腔進行無線功率傳輸時的s11、s21；

圖12交連式諧振腔進行無線功率傳輸時在π模式下縱截面的電場分布；

圖13交連式諧振腔進行無線功率傳輸時在π模式下縱截面的磁場分布；

圖14交連式諧振腔進行無線功率傳輸時在π模式下橫截面的電場分布；

圖15交連式諧振腔進行無線功率傳輸時在π模式下橫截面的磁場分布。

圖中標記：1-諧振腔，11-上蓋板，12-通孔，2-同軸接頭，21-同軸接頭的底端，3-扇形體葉片，4-凹槽，51-第一交連環，52-第二交連環，6-底座。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結合圖1-圖15對本發明作詳細說明。

如圖1所示，一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，包括諧振腔1、同軸接頭2，所述諧振腔1腔體內是一個圓柱形腔體，所述諧振腔1上還包括上蓋板11，上蓋板11上設有通孔12，諧振腔1內至少設有兩對扇形體葉片3，扇形體葉片3在同一圓周上呈中心對稱均勻分布；扇形體葉片3兩端對稱設有凹槽4，凹槽4內設置有半徑不同的底座6，相鄰扇形體葉片3同一端的凹槽4內設置半徑不同的底座6，相鄰扇形體葉片3相對端的凹槽4內設置的底座6半徑相同；

扇形體葉片3同一端的凹槽4內設置圓環形的第一交連環51和第二交連環52，第一交連環與半徑小的底座相連，第二交連環與半徑大的底座相連；

同軸接頭2的底端21通過通孔12伸入諧振腔1的腔內并固定在諧振腔1內的一個扇形體葉片3上。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，所述同軸接頭2用于連接信號源。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，所述諧振腔1為方柱形。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，諧振腔1側面設有開槽，或者諧振腔1上與上蓋板11相對位置設有可拆卸的下蓋板。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，諧振腔1、同軸接頭2扇形體葉片3、底座6、第一交連環51、第二交連環52的材料均為黃銅。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，方柱形的諧振腔1邊長為112mm，高為68mm，蓋板厚度為4mm。

所述的一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔，扇形體葉片3的高度為50mm，諧振腔1的上蓋板11距離扇形體葉片3的高度為13mm，相鄰兩個扇形體葉片3之間的空腔的弧度為50度，每個扇形體葉片3的弧度為40度，交連式諧振腔中間的圓柱形空腔半徑為14mm。

一種用于無線功率傳輸的交連式諧振腔模型，如圖1所示，交連式諧振腔的外部是一個邊長為112mm、高為68mm的方柱。交連式諧振腔內部有四個扇形體葉片，扇形體葉片高度為50mm，每個扇形體葉片上下均有不對稱的底座，底座用于連接交連環與扇形體葉片位于底座上面的為交連環；

圖4是是本發明正面剖面結構圖。需要說明的是，圖4只是給出了一種具體實施方式，是對本發明技術效果的證明，而并非是對本發明的進一步限定，本領域技術人員根據本發明技術方案的描述，應當確定本發明具有更多類似實現方案。

如圖4所示：諧振腔，即交連式諧振腔的外部是一個邊長為112mm、高為68mm的方柱，上下蓋板的厚度為4mm，不過把諧振腔設計成方柱的形狀只是為了便于加工，對于實際的模型結果并沒有很大影響。交連式諧振腔內部有四個大小、形狀均相同的扇形體葉片，扇形體葉片高度為50mm，扇形體葉片距離上蓋板的距離為13mm，扇形體葉片距離下蓋板的距離為5mm，每個扇形體葉片上下均有一個對稱的凹槽，每個凹槽上都有一個用于設置交連環的底座。用于設置交連環的底座的上方即為交連環，上下各有兩個半徑不同的交連環，即第一交連環和第二交連環。

取兩個相同的上述諧振腔，對稱放置，并使得兩個諧振腔的腔體相對，以其中一個諧振腔的同軸接頭作為端口1，把另一個諧振腔的同軸接頭作為端口2。經過計算機仿真計算，可以得到交連式諧振腔模型的s11，其中，s11指端口2接上匹配負載時，端口1的反射系數，s11的曲線圖如圖6所示；同時還可以得到上述用于無線功率傳輸的交連式諧振腔模型在π模式下的電場與磁場的矢量分布分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示。其中圖7為交連式諧振腔進行無線功率傳輸時的結構圖，圖8為交連式諧振腔在π模式下縱截面的磁場矢量分布圖。其中圖9為交連式諧振腔在π模式下橫截面的電場矢量分布圖，圖10為交連式諧振腔在π模式下橫截面的磁場矢量分布圖。以上仿真結果進一步印證了該模型π模式的存在，電場主要集中在靠近圓心的位置上，磁場主要集中在遠離圓心的位置上。

通過上蓋板的同軸接頭對諧振腔饋入高斯正弦信號，得到對于π模式的s11低于-7db，對于π-1模式的s11低于-8db。π模式為非兼并模式，是諧振腔的基模。由圖7、圖8和圖9、圖10可以得出以下結論：π模式的電場主要集中在諧振腔靠近圓心的位置，且隨著半徑的減小而增強；π模式的磁場主要集中在諧振腔遠離圓心的位置，且隨著半徑的增大而增強。因此，可以根據該諧振腔π模式的這種特性，通過對該諧振腔開槽的方式來進行無線功率傳輸。

圖5給出了交連式諧振腔進行無線功率傳輸時的一種模型示意圖。由圖5可以看到，取兩個相同的上述諧振腔，對稱放置，并使得兩個諧振腔的腔體相對，以其中一個諧振腔的同軸接頭作為端口1，把另一個諧振腔的同軸接頭作為端口2。通過不斷的改變兩個諧振腔之間的相對距離，并通過仿真測量出兩個諧振腔在不同距離時進行無線功率傳輸的效率。圖11給出了交連式諧振腔進行無線功率傳輸時的s11、s21，其中，s21是指端口2接上匹配負載時，端口1與端口2之間的傳輸系數。根據計算機仿真的結果，可以計算出兩個諧振腔在距離35mm時該無線功率傳輸的效率可以達到87％。由圖12、圖13、圖14和圖15可以看到上述交連式諧振腔進行無線功率傳輸時在π模式下縱截面和橫截面的電磁場分布。進一步證實了通過對上述諧振腔開槽的方式來進行無線功率傳輸的可行性。