一種分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統，還包括原邊分數階阻抗匹配網絡、發射線圈、接收線圈、副邊分數階阻抗匹配網絡以及負載（RL），其中高頻功率源、原邊分數階阻抗匹配網絡、發射線圈依次串聯形成回路，負載（RL）、副邊分數階阻抗匹配網絡、接收線圈依次串聯形成回路，發射線圈與接收線圈耦合排列。本實用新型的系統，只用一個分數階元件即可實現多種類型的阻抗匹配，適合中等距離的無線電能傳輸。
【專利說明】-種分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于無線電能傳輸技術的應用領域，特別涉及一種分數階阻抗匹配網 絡的無線電能傳輸系統。
【背景技術】
[0002] 無線電能傳輸技術早在100多年前就由美國實用新型家特斯拉（Nicola Tesla)在 實驗上得到嘗試。2006年，麻省理工學院（MIT)的研究人員利用物理的共振技術成功的在 2m距離左右以40%的效率點亮了一個60W的燈泡，該實驗不僅僅是特斯拉實驗的重現，更是 無線電能傳輸技術的又一個新突破，并且掀起了無線電能傳輸研究的熱潮。
[0003] 無線電能傳輸技術是一種廣泛應用前景的電能傳輸方式，具有安全、可靠、靈活、 方便等優點，已經日益受到世界各國的重視，并越來越廣泛應用于各種不適合或不方便使 用有導線接觸傳輸電能的地方，如植入式醫療設備、移動電子產品、機器人、軌道電車供電 等場合，并有望在不久的將來能夠在小功率電子產品無線充電方面取代傳統的插頭充電。
[0004] 目前應用于無線電能傳輸系統的阻抗匹配網絡是源于射頻領域的技術，其至少由 兩個元件構成才能實現阻抗匹配。為了實現更寬范圍的阻抗匹配，更復雜的匹配網絡也被 提出來。雖然復雜的阻抗網絡能夠適應寬范圍的負載變化，但是更多的元件勢必會降低系 統的整體效率，因此存在應用的局限性。
[0005] 分數階器件(如分數階電容、分數階電感）概念的來源于分數階微積分的產生，而 分數階微積分的概念已經有300多年的歷史，幾乎與整數階微積分同時誕生。但是由于分 數階比較復雜，并且一直沒有很好的數值分析工具，因此其一直處于理論分析階段。近幾十 年來，由于生物技術、高分子材料等的發展，人們發現整數階微積分不能很好的解釋自然界 存在的現象，因此分數階微積分開始得到重視，并開始應用于工程領域。
[0006] 鑒于目前傳統阻抗匹配網絡的局限性和分數階器件還未應用于無線電能傳輸領 域，因此有必要提出一種新的分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統。 實用新型內容
[0007] 本實用新型的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種分數階阻抗匹配網絡 的無線電能傳輸系統。
[0008] 本實用新型的目的通過以下的技術方案實現：
[0009] -種分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統，包括高頻功率源，其特征在于：還 包括原邊分數階阻抗匹配網絡、發射線圈、接收線圈、副邊分數階阻抗匹配網絡以及負載， 其中高頻功率源、原邊分數階阻抗匹配網絡、發射線圈依次串聯形成回路，負載、副邊分數 階阻抗匹配網絡、接收線圈依次串聯形成回路，發射線圈與接收線圈耦合排列。
[0010] 進一步地，所述的原邊分數階阻抗匹配網絡、副邊分數階阻抗匹配網絡分別包含 一個分數階器件，該分數階器件為分數階電容或者分數階電感，當采用分數階電容時，分 dav 數階電容的電壓、電流關系滿足/V ，其中v。為分數階電容電壓，i。為分數階電容 at 電流，分數階的階數α滿足〇〈α〈2 ;當采用分數階電感時，分數階電感的電壓、電流關系 滿足1=1?，其中k為分數階電感電流，\為分數階電感電壓，分數階的階數β滿足 at'' 0〈β〈2。 toon] 進一步地，所述的分數階器件具有分數階導數特性，且當分數階器件為分數階電 απ 容時，其兩端的電壓和通過的電流之間的相角為y，其中〇〈 α〈2 ;當分數階器件為分數階 電感時，其兩端的電壓和通過的電流之間的相角為f 其中〇〈β〈2。
[0012] 進一步地，所述的發射線圈包含依次串聯的原邊電容、原邊電感和原邊電阻，且原 邊電阻串接在原邊電感與高頻功率源之間；所述的接收線圈包含依次串接的副邊電容、副 邊電感和副邊電阻,且副邊電阻串接在負載與副邊電感之間。
[0013] 本實用新型的工作原理如下所示：
[0014] 發射線圈和接收線圈分別由原邊電感LP、原邊電容CP和原邊電阻RP、副邊電感L s、 副邊電容(；和副邊電阻Rs，構成RLC諧振電路，兩線圈通過諧振耦合的方式實現了電能的無 線傳輸，以給負載&供電。但在實際系統中，由于傳輸距離的變化，兩線圈之間的互感也會 發生變化。互感的變化會引起負載&與高頻功率源的內阻不匹配的情況，導致傳輸功率下 降。另外，在實際系統中，負載也是動態變化的，因此也是引起阻抗不匹配的原因。本實用新 型引入分數階阻抗匹配網絡正是解決由于傳輸距離或負載變化導致的阻抗不匹配的問題。 通過分數階電容或分數階電感的特性抵消互感或負載的變化，從而保證系統工作在最大傳 輸功率的阻抗匹配點。
[0015] 本實用新型與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
[0016] 1、采用分數階器件實現的阻抗匹配網絡，只需一個器件，結構簡單。
[0017] 2、采用分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統，能夠實現更寬負載范圍的阻抗 匹配。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1為本實用新型所述的分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統的結構示意 圖；
[0019] 圖2為圖1所述系統的具體電路圖；
[0020] 圖3為圖2所述電路圖的等效電路圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施 方式不限于此。
[0022] 如圖1、2、3, 一種分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統，包括高頻功率源，還 包括原邊分數階阻抗匹配網絡3、發射線圈1、接收線圈2、副邊分數階阻抗匹配網絡4以及 負載&，其中高頻功率源、原邊分數階阻抗匹配網絡、發射線圈依次串聯形成回路，負載&、 副邊分數階阻抗匹配網絡、接收線圈依次串聯形成回路，發射線圈與接收線圈耦合排列；
[0023] 所述的發射線圈包含依次串聯的原邊電容CP、原邊電感LP和原邊電阻RP，且原邊 電阻R P串接在原邊電感LP與高頻功率源之間；所述的接收線圈包含依次串接的副邊電容 Cs、副邊電感Ls和副邊電阻Rs，且副邊電阻Rs串接在負載&與副邊電感L s之間。
[0024] 所述的原邊分數階阻抗匹配網絡、副邊分數階阻抗匹配網絡分別包含一個分數階 器件，該分數階器件為分數階電容或者分數階電感，當采用分數階電容時，分數階電容的電 A°v 壓、電流關系滿足& 其中^為電容電壓，為電容電流，分數階的階數α滿足 at 〇〈 α〈2 ;當采用分數階電感時，分數階電感的電壓、電流關系滿足& ，其中k為電 感電流，\為電感電壓，分數階的階數β滿足〇〈β〈2;
[0025] 所述的分數階器件具有分數階導數特性，且當分數階器件為分數階電容時，其兩 απ 端的電壓和通過的電流之間的相角為y，其中〇〈 α〈2 ;當分數階器件為分數階電感時，其 兩端的電壓和通過的電流之間的相角為f，其中〇〈β〈2。
[0026] 如圖2為本實用新型的具體電路圖，令原邊分數階阻抗匹配網絡和副邊分數階阻 抗匹配網絡參數完全一致。根據等效電路理論圖2的電路圖可以等效為圖3所示的電路圖。 如圖3所示，要滿足阻抗匹配，分數階器件應該滿足：
[0027] Zlm=^\-rJ+(xJ 2 1 - r
[0028] aind =2 + σ￡ =-cos^(- 兀 I z/〇e I
[0029] 其中，Zf()e為阻抗，a ind為分數階電感階數，a eap為分數階電容階數，Zeq = req+jxe(1， Z%表示從發射線圈端看進去系統的等效阻抗，為等效阻抗的實部，X%為等效阻抗的虛 部。即用一個分數階電容或電感即可滿足任何阻抗的匹配，甚至是負阻抗。而常規的阻抗 匹配網絡必須至少用兩個整數階元件才能完成阻抗匹配，但是不能匹配負阻抗。由此證明 了本實用新型的優點。
[0030] 上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述 實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替 代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統，包括高頻功率源，其特征在于：還 包括原邊分數階阻抗匹配網絡、發射線圈、接收線圈、副邊分數階阻抗匹配網絡以及負載 αυ，其中高頻功率源、原邊分數階阻抗匹配網絡、發射線圈依次串聯形成回路，負載αυ、 副邊分數階阻抗匹配網絡、接收線圈依次串聯形成回路，發射線圈與接收線圈耦合排列；所 述的原邊分數階阻抗匹配網絡、副邊分數階阻抗匹配網絡分別包含一個分數階器件，該分 數階器件為分數階電容或者分數階電感，當采用分數階電容時，分數階電容的電壓、電流關 系滿足其中V。為分數階電容電壓，i。為分數階電容電流，分數階的階數α滿 at' 足0〈 α〈2 ;當采用分數階電感時，分數階電感的電壓、電流關系滿足ν·, =/_.#，其中k為 分數階電感電流，\為分數階電感電壓，分數階的階數β滿足〇〈β〈2。
2. 根據權利要求1所述的一種分數階阻抗匹配網絡的無線電能傳輸系統，其特征在 于：所述的發射線圈包含依次串聯的原邊電容（C P)、原邊電感（LP)和原邊電阻（RP)，且原邊 電阻（RP)串接在原邊電感（L P)與高頻功率源之間；所述的接收線圈包含依次串接的副邊電 容（Cs)、副邊電感（L s)和副邊電阻（Rs)，且副邊電阻（Rs)串接在負載（?)與副邊電感（L s) 之間。
【文檔編號】H02J17/00GK203871928SQ201420017335
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】張波, 黃潤鴻 申請人:華南理工大學