[发明专利]一种基于双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统

说明书

本发明提供一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输实现系统，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；所述发射器包括非谐振发射环和设置于所述发射环下方一定位置的陶瓷介质圆盘，所述非谐振发射环和接收环具有开口；所述接收器与所述发射器被设置于同一水平面上，且二者结构相同；所述金属超材料结构包括两个具有相同宽度开口的谐振圆环部，两个谐振圆环部的开口处通过延伸部连接，构成封闭结构，且两个所述延伸部互相平行；其中，发射器的陶瓷介质圆盘、非谐振发射环和接收环以及谐振圆环部的圆心在同一竖直线上；所述非谐振发射环和接收环的开口与谐振圆环部的开口方向一致。

技术领域

本发明涉及无线电能传输结构设计领域，具体而言，尤其涉及一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输实现方法。

背景技术

无线能量传输(WPT)是一种利用电场耦合或磁场耦合而进行的双端或多端非接触式实时能量传输技术。由于无线能量传输不再约束接收与功率源物理接触，使得调整不同的设备充电位置是便捷可行的。由于其表现出的广泛的适用性及便捷性，自从在2007年被首次提出以来，无线能量传输始终是一个研究热点，并且其研究成果已被应用在植入式医疗设备、分布式传感网络、智能家居以及各种微型便携式电子设备等众多领域。针对不同的应用情形，无线能量传输发展出了包括基于微波辐射，磁耦合谐振，超材料传输等的多种传输形式。然而，无线电能传输系统在摆脱传统电力输送介质束缚的同时，也带来了传输距离与传输效率的矛盾,以及无线能量传输系统电能传输的避障及路径规划问题。现阶段，发掘一种高效、不受能量传播路径影响的无线能量传输形式仍是需要讨论的重要问题。在无线能量传输中赋形或重构耦合场空间分布以约束场的耦合路径是一种提高发射端与接收端耦合、躲避传输障碍的有效方法。基于其自身谐振及耦合等特性，电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial,EM MTM)的出现为该领域的研究人员提供了控制电磁场耦合及传播形式的可行载体。

EM MTM是一种具有某种特异电磁性能的人造微结构单胞或周期阵列，其在外场激励下表现出电或磁谐振、等离子体特性等。MTM被用于调整局部EM场的分布或控制波的传输路径，它的引入使得无线能量传输具有了更灵活的参数调整方法。基于LC谐振的金属微结构型MTM及基于Mie散射的高介电陶瓷型MTM均被引入到无线能量传输设计中。合理的MTM空间分布可用于构成MTM超透镜、磁耦合设备等，将MTM超透镜作为一种中继可有效引导传输的电磁波按照所需路径传播至目标位置，实现对耦合场的聚焦以及倏逝波的放大，获取高无线能量传输效率。然而已有基于MTM的WPT多是以周期性MTM单胞阵列为实现载体的，需要较大规模二维结构阵列，在该种无线能量传输系统中，能量传输距离受到发射及接收线圈、波长等的限制明显，同时无法解决在无线能量传输中路径可调控的问题。

桌面无线能量传输(Table Wireless Power Transmission,TWPT)作为一种重要的无线能量传输形式，在桌面上布置能量传输路径，发射及接收线圈不需要同轴或共面放置，可避免空间无线能量传输中两线圈共面的限制，同时，也避免了空间区域及路径可控的限制。目前在TWPT设计中，使用开口谐振环阵列作为谐振器，其可将倏逝波转换成传输波，并通过开口谐振环阵列中各谐振环间耦合实现能量传输，在一定程度上路径可以调控，然而仍存在谐振环间耦合较弱无法远距离传输、路径受限的问题。

发明内容

根据上述提出的现有技术无法满足在远距离条件下实现高效率的无线电能传输，并保证整个系统的位置鲁棒性的技术问题，提供一种基于耦合双线谐振环超材料的桌面无线能量传输系统。以磁偶极子模式工作的陶瓷介质圆盘禁锢发射激发的磁场并实现对倏逝波的增强。合理的金属超材料在实现对反射场与入射场的约束作用的同时也为波的传输提供了载体，有效的抑制了能量的损失，实现了高效的无线能量传输系统。此外，所提无线能量传输系统在发射线圈与接收线圈处于不同空间位置的情况下仍能保持高效传输。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于耦合双谐振环超材料的智能桌面无线电能传输系统，包括发射器、接收器以及金属超材料结构；