[发明专利]边缘密集嵌套电容加载环谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，具体而言，涉及一种应用在无线功率传输技术中的边缘密集嵌套电容加载环谐振器。

背景技术

如今，笔记本电脑、手机、平板电脑和嵌入式设备等高便携性电子设备在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，这些电子设备及配件的供电高度依赖电池，尽管亚微米级加工技术的进步已使低功耗电子设备获得了快速持续发展，但是这些便携电子设备的功能也在日益增加，使得总体能源消耗难以下降，便携电子设备往往因为电池供电不够持久而很难发挥出全部潜能，其便利性也因频繁充电或更换电池而大打折扣。此外，对于那些不能接有线充电器的设备来说，比如生物医学领域的人体植入设备，其电池的更换需要通过外科手术来实现，而通过无线可充电电源可以使病人尤其是老年人避免进行这种危险性较高的外科手术。同时，由于人体和日常生活中广泛使用的各种材料与电场有较强的相互作用，而与磁场只有微弱的相互作用，这使得采用磁耦合技术的无线功率传输系统对人体的安全性较高，而对设备正常工作的环境要求比较低，因此，采用磁耦合技术的无线功率传输系统成为了近年的研究热点。

磁耦合技术的无线功率传输分为两类，非谐振的磁耦合无线功率传输技术和谐振的磁耦合无线功率传输技术。非谐振的磁耦合无线功率传输技术具有安全、低成本、中低功率和短距离(通常小于0.1倍的谐振器的直径)的特点，传输距离的限制使得非谐振的磁耦合无线功率传输技术的应用领域颇为受限。谐振的磁耦合无线功率传输技术通过使用高Q值的谐振器，使无线功率传输距离达到2到3倍谐振器的直径，大大超过了采用非谐振的磁耦合无线功率传输技术的设备的传输距离，从而实现了对多个移动目标进行大范围、多角度、高效率和较低成本的安全供电。

谐振器的性能在谐振的磁耦合无线功率传输技术中至关重要。非用于无线功率传输领域的谐振器多为封闭结构，谐振器之间的耦合需通过一些技术手段进行抑制，这类谐振器的品质因数，即Q值为最重要的技术指标。用于无线功率传输的谐振器位于开放空间，通过谐振器之间的耦合传递能量，因此谐振器间的耦合系数需要通过一些技术手段进行增强和优化。磁耦合谐振式无线功率传输设备的效率由谐振器间的耦合系数与谐振器的Q值的积及谐振器共振频率决定，因此耦合系数与Q值同为无线功率传输系统最重要的技术指标。

谐振的磁耦合无线功率传输技术是基于高Q值高耦合系数的谐振器实现的。被广泛用于磁耦合无线功率传输技术的三维螺旋线圈谐振器是高Q值谐振器的一个最典型的代表。其线圈依靠各匝导线之间的分布电容与分布电感的相互作用来实现共振，比如MIT相关科研人员在《Science》刊登的文章中的0.6m直径的等距离螺旋谐振器。三维线圈的耦合系数主要取决于线圈匝数和线圈直径；同时其谐振频率主要取决于直径、匝数和线圈节距；线圈的导体损耗由导线的材料、长度和直径决定；而线圈的辐射损耗由直径决定。通过研究可以发现这种谐振器的线圈节距对谐振频率的影响较强而对耦合系数的影响较弱，这意味着调整三维线圈的节距来控制谐振频率，同时几乎不影响无线功率传输中三维线圈的耦合系数和Q值两个关键参数。因此，三维螺旋线圈谐振器实现了高耦合系数和高Q值从而作为核心部件被广泛应用在中距离无线功率传输系统中。这种谐振器最大的问题是其所占空间较大，尤其在中远距离的无线功率传输系统中，过于庞大的三维螺旋线圈谐振器直接导致了无线功率传输设备难以商用。因此越来越多的研究人员把目光投向了二维平面谐振器的研制工作，目前的二维螺旋谐振器主要有平面螺旋谐振器和电容加载环谐振器两种。

平面螺旋谐振器是一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其各匝线圈具有不同的半径。由于平面空间的局限性，导致平面线圈的节距对耦合系数影响很大，这一点与三维螺旋线圈有很大不同。由于在最佳频率条件下不能使耦合系数和Q值同时达到最优，并且沿导线正弦分布的电流更靠近谐振器的中轴线，进一步降低了二维线圈的电感。这些原因造成了二维线圈能达到的耦合系数和Q值要比三维线圈要低很多。

平面电容加载环谐振器是另一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其是由单导体环端接低损耗电容实现谐振，可以在给定谐振器直径的条件下，通过采用恰当电容达到最佳谐振频率，但由于单导体环并未充分利用二维平面空间，自感和互感都较低，从而使得耦合系数和Q值要比三维谐振器低很多。

以上两种平面谐振器的功率传输效率在传输距离等于两倍谐振器直径处远远低于相应的三维螺旋谐振器，形成了谐振的磁耦合无线功率传输技术的一个瓶颈。