[实用新型]一种中距离无线能量传输柱面螺旋电小天线

说明书

技术领域

本实用新型涉及无线能量传输天线领域，特别涉及一种中距离无线能量传输柱面螺旋电小天线。

背景技术

无线能量传输是利用近场传输能量,包括短距离与中距离传输。短距离传输基于变压器原理的电磁感应定律，目前技术已经成熟。2007年美国麻省理工大学基于耦合模理论磁耦合谐振技术给中距离无线能量传输给带来惊喜：当两个线圈谐振频率相同的情况下(ω1＝ω2)，电场被限制在外加集总电容中，磁场分布在线圈周围空间，两个线圈的磁场处在强耦合谐振状态，此时，谐振初级线圈不断从激励源中抽取能量，通过强耦合谐振方式传递给谐振次级线圈，两个线圈间建立起一个稳定的能量传输通道。两线圈的品质因子越大，即储存的电抗能量/辐射及欧姆损耗比率越大，线圈周围空间储存磁场能量越高，辐射、欧姆损耗越小，两线圈无线能量传输效率越高。能量传输效率与工作距离(初、次级线圈的间距)函数关系经历三个不同区域：第一个是高效率能量传输区域，这是感兴趣的耦合模距离；第二个区域能量传输效率以1/r⁴衰减，第三个区域是远场自由空间，能量传输效率以1/r²衰减。目前基于耦合模理论的中距离无线能量传输存在如下问题：(1)距离-效率问题。耦合模距离太短，超过耦合模距离，效率下降很快，当距离大于2倍天线尺寸时，传输效率低于50％。所以中距离传输再次限入低谷。(2)大尺寸问题。为了有效中距离无线能量传输，需大范围近场，近场距离(d)与工作波长(λ)的关系：d＝2π/λ，所以，工作频率应该尽可能低。近来，近场无线能量及数据传输工作频段：或者低频LF 30–300 kHz或高频HF3-30MHz。无论如何在几百kHz要获得小体积是困难的，且因长度很长需要很长仿真时间，这就是低频方法至今没有采用的原因,选择工作频率几个兆赫兹高频，较kHz频率谐振线长度减小，耦合强度增加，但还是存在尺寸很大，需要长时间仿真。

Jaechun Lee和Sangwook Nam在2010年提出基于球形模理论电小天线中距离无线能量传输技术：(1)无线能量传输效率是发射/接受电小天线单独工作时的辐射效率、工作距离、工作频率的函数。(2)当工作距离、工作频率一定，只有达到一定辐射效率的电小天线才会高传输效率，且辐射效率越高，发射天线与接受天线之间的近场越强，能量传输效率越大。(3)为了高效率能量传输，电小天线必须满足的辐射效率值与工作频率有关，低的频率要求满足的辐射效率低些。(4)当工作距离、电小天线辐射效率一定时，频率越低，近场范围越大，能量传输效率距离越远。然而据专利作者知识，至今没有切实可行的仿真或实验数据，且研究的文献也很少。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种中距离无线能量传输柱面螺旋电小天线。

本实用新型采用如下技术方案：

一种中距离无线能量传输柱面螺旋电小天线，包括两根铜线，所述两根铜线相间绕成柱面螺旋线结构，所述柱面螺旋线结构内部体积填充满磁性材料，所述在两根铜线的起始端及终点端加载喇叭帽。

所述两根铜线的结构长度相同，两根铜线长度均为12.56米。

所述柱面螺旋线结构的螺旋线绕有10圈，所述柱面螺旋线结构的直径为40厘米，高30厘米。

所述喇叭帽的材料为铜，具体个数为4个，分别加载在两根铜线的起始端及两根铜线的终点端，加载在两根铜线起始端的两个喇叭帽的喇叭口朝上，加载在两根铜线终点端的两个喇叭帽的喇叭口朝下。

所述喇叭帽的喇叭口开口直径40厘米，喇叭帽深度10厘米。

所述磁性材料为铁氧体，相对磁导率为1000。

本实用新型的有益效果：

(1)采用一臂激励，另一臂产生感应电流，形成双臂辐射，提高辐射面积，进而提高辐射效率。

(2)简单结构具有多功能性。首先，对于加载的喇叭帽：两端加载喇叭帽的柱面螺旋线对线长度改变非常敏感，稍微减小线长度，谐振频率会剧烈下降，形成低频非常电小天线，进而延伸近场距离。喇叭帽大幅度增加辐射面积，从而提高辐射效率，同时，发射/接受天线帽间形成极强的电场耦合。所以喇叭帽能大幅度提高高效率无线能量传输的距离。其次，高磁导率填充，增加了线圈电感，从而大幅度降低频率。同时，高磁导率材料产生磁极化电流，降低电场储存能量，即降低品质因子Q，因而增加辐射能量，增加辐射效率。所以高磁导率填充螺旋线内部空间能大幅度提高高效率无线能量传输的距离。