CN113193666A - 一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，包括介质基板以及设置在介质基板两侧的谐振线圈和补偿网络；所述正面谐振线圈与反面补偿网络通过过孔相连；所述反面补偿网络包括补偿电感L2、第二补偿电容C2和第一补偿电容C1；所述补偿电感L2和第二补偿电容C2并联后与第一补偿电容C1串联。本发明结构简单、厚度薄、制作简便且成本低，具有两个负磁导率频段。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别是一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板。
背景技术
超材料是一种人造复合材料，是负折射率材料、左手材料、非正定介质等的统称，由于这种人工材料具有自然界中常规材料所不具有的电磁特性，如在特定频率范围内可以实现负介电常数或负磁导率，因此一经提出就成为电磁物理学领域的研究热点。
无线电能传输技术指的是不通过导线将电能从源端传输到负载端的一种电能传输方式。近年来，随着磁谐振式无线电能传输技术的发展，如何提高无线电能传输的距离和效率成为了当下的研究热点。无线电能传输***的效率与线圈的耦合程度相关，而耦合系数又与线圈之间的距离有着密切的关系，源线圈产生的磁场随着距离的增加呈指数衰减，这导致长距离下耦合系数恶化，严重阻碍了无线电能传输技术在工业上的应用。针对这个问题，在无线电能传输***中加载超材料板是一个很好的解决方案，该材料可以调控磁场的分布，减少空间电磁辐射，使得源端的能量更多的聚集在负载端，从而增强谐振线圈的耦合，极大的提高了无线电能传输的传输效率和距离。
传统的负磁导率超材料厚度大、体积大、仅有单个工作频点，且制作完成后无法对超材料参数进行调节。随着智能家居、无线能量与信息同时传输等技术的发展，谐振式无线电能传输***正在在向多频方向发展，传统的超材料已无法达到要求，这极大的限制了超材料在无线电能传输***中的应用。因此，在集成度高的多样化电子***中，迫切的需要一种双频或多频负磁导率超材料。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，通过更改补偿电容或补偿电感的大小，可以改变低频负磁导率频段与高频负磁导率频段。
本发明采用以下方案实现：一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，包括介质基板以及设置在介质基板两侧的谐振线圈和补偿网络；所述正面谐振线圈与反面补偿网络通过过孔相连；所述反面补偿网络包括补偿电感L2、第二补偿电容C2和第一补偿电容C1；所述补偿电感L2和第二补偿电容C2并联后与第一补偿电容C1串联。
进一步地，所述谐振线圈的圈数为4~20圈。
进一步地，所述谐振线圈能够采用方形螺旋线圈结构或采用圆形螺旋线圈结构。
进一步地，所述谐振线圈的金属线厚度为0.01mm~0.05mm,宽度为0.5mm~2mm，金属线与金属线之间的间距为1mm~2mm。
进一步地，所述介质基板为环氧树脂基板，介质基板的厚度为0.8mm~3mm。
进一步地，所述第一补偿电容C1和第二补偿电容C2均为高频贴片电容，所述补偿电感L2采用的是贴片功率电感。
进一步地，在工作时，根据谐振线圈的大小采用单个双频负磁导率超材料板或将若干块双频负磁导率超材料板以阵列的形式排列，双频负磁导率超材料板阵列的边长大于谐振线圈直径即可，当电磁波入射到该双频负磁导率超材料板阵列结构上时，每个双频负磁导率超材料板上的补偿电感L2与两个补偿电容C1、C2构成双谐振回路，使得电磁波的反射与透射发生改变，从整个周期阵列来讲，该双频负磁导率超材料板阵列结构整体的磁导率在谐振点之后会出现负磁导率部分，从而产生磁聚焦效应，改善空间电磁场的分布，用以提高无线电能传输***传输效率；当补偿电感L2和补偿电容C2组成的并联谐振电路呈感性时，整体电路将会得到低谐振频率，对应于超材料板出现低频负磁导率频段，当补偿电感L2和补偿电容C2组成的并联谐振电路呈容性时，整体电路将会得到高谐振频率，对应于超材料板出现高频负磁导率频段；通过更改补偿电感L1的大小，或者补偿电容C1或C2的大小，或者谐振线圈的圈数，能够改变超材料的低频和高频工作频段。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明具有双重负磁导率频段，可适用于多种无线电能传输装置，可应用于能量与信息同时传输。
2、本发明的超材料中引入一个补偿电感和两个补偿电容，通过更改补偿电容或补偿电感的大小，可以改变低频负磁导率频段与高频负磁导率频段，实现超材料的调谐。
3、本发明结构简单，厚度薄，成本低，制作简便。
4、本发明产生的损耗低。
5、本发明采用PCB板印刷技术加工，有利于该超材料的快速生产，工艺简单，成本低廉。
6、本发明与现有技术相比，现有技术采用嵌套结构来实现双频磁负特性，本发明采用外加补偿结构来实现双频特性，现有技术需要两对金属螺旋谐振线圈，本发明只需一个金属螺旋谐振线圈，可减少有色金属的消耗，更加环保。其次，现有技术属于自谐振结构的双频超材料，自谐振结构的双频超材料是利用线圈自身寄生电容进行谐振补偿，超材料一般采用PCB蚀刻工艺进行加工制作，制作完成后无法对超材料参数进行调节，而在实际应用中，由于仿真或者加工误差等方面因素，可能存在仿真与实物频率偏差的情况。本发明很好的解决了这个问题，可使超材料板更好的在实际中应用，采用外加补偿的方式来构造双频超材料，在实物调试时，只需调节外加补偿电感或电容的大小即可改变超材料的谐振频点，即改变负磁导率频段。
附图说明
图1为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板的主视图，其中，10为谐振线圈，20为介质基板。
图2为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板的补偿网络图。
图3为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板的过孔附近细节图，其中，30为谐振线圈10的前过孔，40为谐振线圈10的后过孔。
图4为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板的等效电路图。
图5为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板的磁导率实部曲线和磁导率虚部曲线。
图6为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板S参数曲线图。
图7为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板阵列的主视图。
图8为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板变C1的磁导率实部曲线图。
图9为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板变C2的磁导率实部曲线图。
图10为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板变L1的磁导率实部曲线图。
图11为本发明实施例的新型双频负磁导率超材料板变谐振线圈圈数的磁导率实部曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，包括介质基板20以及设置在介质基板20两侧的谐振线圈10和补偿网络；所述正面谐振线圈10与反面补偿网络通过过孔相连；所述反面补偿网络包括补偿电感L2、第二补偿电容C2和第一补偿电容C1；所述补偿电感L2和第二补偿电容C2并联后与第一补偿电容C1串联。
在本实施例中，所述谐振线圈10的圈数为4~20圈。
在本实施例中，所述谐振线圈10能够采用方形螺旋线圈结构或采用圆形螺旋线圈结构。
在本实施例中，所述谐振线圈10的金属线厚度为0.01mm~0.05mm,宽度为0.5mm~2mm，金属线与金属线之间的间距为1mm~2mm。
在本实施例中，所述介质基板为环氧树脂基板，介质基板的厚度为0.8mm~3mm。
在本实施例中，所述第一补偿电容C1和第二补偿电容C2均为高频贴片电容，所述补偿电感L2采用的是贴片功率电感。
在本实施例中，在工作时，根据谐振线圈10的大小采用单个双频负磁导率超材料板或将若干块双频负磁导率超材料板以阵列的形式排列，如图7所示，双频负磁导率超材料板阵列的边长大于谐振线圈10直径即可，当电磁波入射到该双频负磁导率超材料板阵列结构上时，每个双频负磁导率超材料板上的补偿电感L2与两个补偿电容C1、C2构成双谐振回路，使得电磁波的反射与透射发生改变，从整个周期阵列来讲，该双频负磁导率超材料板阵列结构整体的磁导率在谐振点之后会出现负磁导率部分，从而产生磁聚焦效应，改善空间电磁场的分布，用以提高无线电能传输***传输效率；当补偿电感L2和补偿电容C2组成的并联谐振电路呈感性时，整体电路将会得到低谐振频率，对应于超材料板出现低频负磁导率频段，当补偿电感L2和补偿电容C2组成的并联谐振电路呈容性时，整体电路将会得到高谐振频率，对应于超材料板出现高频负磁导率频段；通过更改补偿电感L1的大小，或者补偿电容C1或C2的大小，或者谐振线圈的圈数，能够改变超材料的低频和高频工作频段。
较佳的，在本实施例中，补偿电感L1范围0.5uH~2uH，补偿电容C1范围20pf~200pf，补偿电容C2范围200pf~1000pf。
较佳的，本实施例属于外加补偿结构的双频超材料，利用谐振线圈的等效电感与补偿电感电容谐振来实现在指定频段内磁导率为负值。
现有技术属于自谐振结构的双频超材料，自谐振结构的双频超材料是利用线圈自身寄生电容进行谐振补偿，超材料一般采用PCB蚀刻工艺进行加工制作，制作完成后无法对超材料参数进行调节，而在实际应用中，由于仿真或者加工误差等方面因素，可能存在仿真与实物频率偏差的情况。本实施例很好的解决了这个问题，可使超材料板更好的在实际中应用，采用外加补偿的方式来构造双频超材料，在实物调试时，只需调节外加补偿电感或电容的大小即可改变超材料的谐振频点，即改变负磁导率频段。其次现有技术中采用两对金属螺旋谐振线圈，本实施例只需一个金属螺旋谐振线圈，可减少有色金属的消耗，更加环保。
较佳的，在本实施例中，如图1~6所示，新型双频负磁导率超材料板，包括介质基板，在介质基板两侧分别设置有谐振线圈10和补偿网络；所述正面谐振线圈10与反面补偿网络通过过孔30、40相连；所述反面补偿网络由补偿电感L2和第二补偿电容C2并联后与一个第一补偿电容C1串联而成。在工作时，超材料板将会出现两个负磁导率频段，低频段为5.29MHz~5.83MHz,中心频率为5.31MHz,高频段为7.68MHz~8.33MHz，中心频率为7.69MHz,在这两个频点处超材料板均能发生谐振，具有负磁导率特性，从而放大无线电能传输***的倏逝波，可大幅度提高无线电能传输的效率。
较佳的，在本实施例中，如图4所示，为本实施例新型双频负磁导率超材料板的等效电路图，其中L1为谐振线圈10的等效电感，C1、C2为补偿电容，L2为补偿电感，为了简化分析忽略电路的损耗。当L2和C2组成的并联谐振电路呈感性时，整体电路将会得到低谐振频率，对应于超材料板出现低频负磁导率频段，当L2和C2组成的并联谐振电路呈容性时，整体电路将会得到高谐振频率，对应于超材料板出现高频负磁导率频段。通过更改补偿电感L1的大小，或者补偿电容C1或C2的大小，或者谐振线圈10的圈数，可以调整超材料的低频和高频工作频段，即实现超材料的调谐技术。
较佳的，在本实施例中，如图7、8所示，为本实施例新型双频负磁导率超材料板固定谐振线圈圈数为15圈，补偿电感L1为1uH，补偿电容C2为517pf，改变补偿电容C1的大小测得的磁导率实部曲线图，从图中可以看到，随着补偿电容C1的增加，低频和高频谐振频点逐渐降低，且谐振强度减弱。
较佳的，在本实施例中，如图9所示，为本实施例新型双频负磁导率超材料板固定谐振线圈圈数为15圈，补偿电感L1为1uH，补偿电容C1为63pf，改变补偿电容C2的大小测得的磁导率实部曲线图，从图中可以看到，随着补偿电容C2的增加，低频和高频谐振频点逐渐降低，且谐振强度减弱。
较佳的，在本实施例中，如图10所示，为本实施例新型双频负磁导率超材料板固定谐振线圈圈数为15圈，补偿电容C1为63pf，补偿电容C2为517pf，改变补偿电感L1的大小测得的磁导率实部曲线图，从图中可以看到，随着补偿电感L1的增加，低频和高频谐振频点逐渐降低，且低频段谐振强度减弱。
较佳的，在本实施例中，如图11所示，为本实施例新型双频负磁导率超材料板固定补偿电容C1为63pf，补偿电容C2为517pf，补偿电感L1为1uH，改变谐振线圈的圈数测得的磁导率实部曲线图，从图中可以看到，随着谐振线圈圈数的增加，低频和高频谐振频点逐渐降低，且低频段谐振强度减弱。
较佳的，在本实施例中，如图5所示，为本实施例新型双频负磁导率超材料板等效磁导率实部及虚部曲线，可以看出在两个谐振点之后磁导率出现负值，当磁场经过超材料时，会发生磁场聚焦效应，从而调控磁场的分布，使得源端的能量更多的聚集在负载端，增强谐振线圈10之间的耦合，达到提高***传输效率的目的。从图中我们可以看出在谐振点之后其磁导率虚部很快降至接近于0，也就是说在之后的频段，损耗降至接近0，其损耗可忽略不计。说明本实施例新型双频负磁导率超材料板的结构在实际应用中具有极低损耗的优点。
较佳的，在本实施例中，如图6所示，为本实施例的新型双频负磁导率超材料板S参数曲线，通过曲线图可以看到本实施例的超材料板在5.31MHz与7.69MHz处均发生了谐振。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，其特征在于：包括介质基板以及设置在介质基板两侧的谐振线圈和补偿网络；所述正面谐振线圈与反面补偿网络通过过孔相连；所述反面补偿网络包括补偿电感L2、第二补偿电容C2和第一补偿电容C1；所述补偿电感L2和第二补偿电容C2并联后与第一补偿电容C1串联。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，其特征在于：所述谐振线圈的圈数为4~20圈。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，其特征在于：所述谐振线圈能够采用方形螺旋线圈结构或采用圆形螺旋线圈结构。
4.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，其特征在于：所述谐振线圈的金属线厚度为0.01mm~0.05mm,宽度为0.5mm~2mm，金属线与金属线之间的间距为1mm~2mm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，其特征在于：所述介质基板为环氧树脂基板，介质基板的厚度为0.8mm~3mm。
6.根据权利要求1所述的一种应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板，其特征在于：所述第一补偿电容C1和第二补偿电容C2均为高频贴片电容，所述补偿电感L2采用的是贴片功率电感。
7.一种基于权利要求1所述的应用于无线电能传输的新型双频负磁导率超材料板的工作方法，其特征在于：在工作时，根据谐振线圈的大小采用单个双频负磁导率超材料板或将若干块双频负磁导率超材料板以阵列的形式排列，双频负磁导率超材料板阵列的边长大于谐振线圈直径即可，当电磁波入射到该双频负磁导率超材料板阵列结构上时，每个双频负磁导率超材料板上的补偿电感L2与两个补偿电容C1、C2构成双谐振回路，使得电磁波的反射与透射发生改变，从整个周期阵列来讲，该双频负磁导率超材料板阵列结构整体的磁导率在谐振点之后会出现负磁导率部分，从而产生磁聚焦效应，改善空间电磁场的分布，用以提高无线电能传输***传输效率；当补偿电感L2和补偿电容C2组成的并联谐振电路呈感性时，整体电路将会得到低谐振频率，对应于超材料板出现低频负磁导率频段，当补偿电感L2和补偿电容C2组成的并联谐振电路呈容性时，整体电路将会得到高谐振频率，对应于超材料板出现高频负磁导率频段；通过更改补偿电感L1的大小，或者补偿电容C1或C2的大小，或者谐振线圈的圈数，能够改变超材料的低频和高频工作频段。
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2021
- 2021-05-21 CN CN202110556325.8A patent/CN113193666A/zh active Pending
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