本發(fā)明屬于無線能量傳輸或無線功率傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種新型基于電流交換的自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置及其能量傳輸方法。

背景技術(shù)：

無線能量傳輸或無線功率傳輸，是指能量從能量源傳輸?shù)诫娯撦d的一個過程，這個過程不是傳統(tǒng)的用有線來完成，而是通過無線傳輸實現(xiàn)。無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)在于高效的發(fā)射和接收天線裝置，以使得無限能量傳輸?shù)木嚯x最大化，同時無線能量傳輸?shù)奈恢米杂苫?。饋入發(fā)射天線中的能量能夠被高效的發(fā)射出去，經(jīng)過一定距離的無線傳輸被接收天線裝置在自由空間中高效的接收。

現(xiàn)有無線能量傳輸?shù)陌l(fā)射和接收天線裝置主要是諧振線圈，通過線圈電磁互感的原理或磁共振原理實現(xiàn)能量的無線傳輸。電能發(fā)射線圈安裝在充電底座內(nèi)，接收線圈則安裝在電子設(shè)備中。這種原理的無線輸電方式市場上已經(jīng)存在。該無線充電裝置要求發(fā)射線圈和接收線圈的距離很小，極大地限制了電子產(chǎn)品的活動半徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明主要基于另一種無線能量傳輸機制，即開放式諧振腔原理來提供一種新型的廣域自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置以實現(xiàn)無線能量傳輸?shù)淖杂苫?/p>

本發(fā)明的基于電流交換的自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置，包括多個結(jié)構(gòu)相同、且均為支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)，相鄰兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋中心通過金屬柱相互連接。本發(fā)明的多個金屬螺旋結(jié)構(gòu)會相互諧振同時通過金屬柱產(chǎn)生強烈的交換電流，在金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的自由空間中產(chǎn)生交變的螺旋磁場，從而實現(xiàn)電能到充滿整個空間交變磁場的轉(zhuǎn)換。調(diào)整激發(fā)源，使該無線能量發(fā)射裝置以某一頻率振動；其產(chǎn)生的非輻射螺旋磁場即把電能轉(zhuǎn)換成磁場，在多個金屬螺旋結(jié)構(gòu)間形成無所不在的能量通道；當作為無線能量接收端的金屬線圈放置在該自由空間任意位置并和螺旋磁場有一定的夾角時，隨著每一次共振，接收線圈中會有更多的電壓產(chǎn)生，從而實現(xiàn)廣域自由空間能量的無線傳輸。

優(yōu)選的，所述的金屬螺旋結(jié)構(gòu)為金屬平面螺旋結(jié)構(gòu)，相鄰兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)的相互設(shè)置方式為任意相對位置。更進一步的，所述的相鄰兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)的相互設(shè)置方式為對稱設(shè)置或反對稱設(shè)置。

優(yōu)選的，所述的金屬螺旋結(jié)構(gòu)包含一個螺旋中心和若干根金屬螺旋臂；當螺旋中心連接多根金屬螺旋臂時，所述的多根金屬螺旋臂旋向和結(jié)構(gòu)相同，并均勻連接在螺旋中心上。

優(yōu)選的，所述的發(fā)射天線裝置包括兩個結(jié)構(gòu)相同、且均為支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)，兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋中心通過金屬柱相互連接。

優(yōu)選的，所述的金屬螺旋結(jié)構(gòu)為金屬平面螺旋結(jié)構(gòu)，所述的兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)的相互設(shè)置方式為對稱設(shè)置或反對稱設(shè)置。

更加優(yōu)選的，所述的兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)上下設(shè)置且螺旋中心線重合。

所述廣域自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置的無線能量傳輸方法如下：

設(shè)置激發(fā)源在下端的金屬螺旋結(jié)構(gòu)附近，由于兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同并支持磁耦極子模式，因此兩者的磁耦合模式的諧振頻率一樣，兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間發(fā)生諧振并通過金屬柱產(chǎn)生強烈的電流交換；

調(diào)整激發(fā)源頻率，使該廣域自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置以某一頻率振動；其金屬柱中的交換電流產(chǎn)生的非輻射螺旋磁場即把電能轉(zhuǎn)換成交變磁場并充滿兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的整個空間；當接收線圈放置在該自由空間的任意位置并和螺旋磁場有夾角時，作為無線能量接收端的接收線圈會隨著每一次共振產(chǎn)生更多的電壓，從而實現(xiàn)廣域自由空間能量的無線傳輸。

優(yōu)選的，所述的接收線圈的諧振頻率和該諧振金屬螺旋結(jié)構(gòu)的其中一個產(chǎn)生渦旋磁場的諧振模式的頻率相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于開放式諧振腔原理的新型廣域自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置及其能量傳輸方法。解決了現(xiàn)有技術(shù)中要求發(fā)射線圈和接收線圈的距離很小的問題，同時也解決了現(xiàn)有技術(shù)的無線能量傳輸裝置自由移動化的問題，這與傳統(tǒng)的線圈耦合式(第一代無線能量傳輸原理)以及磁諧振式(第二代無線能量傳輸原理)有重大區(qū)別。

本發(fā)明的磁耦合諧振的頻率由金屬螺旋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)決定，這樣就為無限能量傳輸接受發(fā)射天線裝置提供了更加自由的設(shè)計方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式中的通過金屬柱垂直互連的金屬螺旋結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為兩個垂直電耦合的金屬螺旋結(jié)構(gòu)的近場耦合頻譜；

圖3為兩個垂直耦合金屬螺旋結(jié)構(gòu)的諧振模式的電流，磁場分布。(a)為呈對稱位型垂直耦合金屬螺旋結(jié)構(gòu)的一個分裂模式的電流分布；(b)為呈對稱位型垂直耦合金屬螺旋結(jié)構(gòu)的一個分裂模式磁場分布。

具體實施方式

本發(fā)明的基于電流交換的自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置需要兩個或更多個互連的共振系統(tǒng)，分別由一種新型的金屬螺旋磁共振結(jié)構(gòu)制成，而不是傳統(tǒng)的諧振線圈。通過調(diào)整發(fā)射頻率使該無線能量發(fā)射裝置以某一頻率振動，其產(chǎn)生的不是彌漫于各處的普通電磁波，而是一種非輻射的充滿上兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間整個空間的螺旋磁場，即把電能轉(zhuǎn)換成交變磁場，在兩個或多個金屬螺旋磁共振結(jié)構(gòu)之間的自由空間內(nèi)形成一種能量通道。當接收端的金屬線圈放置在該自由空間的任意位置并和螺旋磁場成一定夾角，隨著每一次共振，接收端線圈中會有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng)過產(chǎn)生多次共振，接收端線圈表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射螺旋磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電能的無線傳輸。

實施例1

上下的磁諧振腔都是由四條金屬螺旋臂構(gòu)成的支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)。該金屬螺旋結(jié)構(gòu)的磁偶極子模式的諧振頻率由金屬螺旋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)決定。在該文中金屬螺旋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為：金屬螺旋臂寬w＝0.5m,繞著中心旋轉(zhuǎn)1.5圈，外徑r＝12.5m，金屬螺旋臂之間的距離為d＝1.5m。如圖1所示。上下兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)通過高h＝6m的金屬柱相連。

由于該金屬結(jié)構(gòu)是一種螺旋結(jié)構(gòu)，所以垂直放置的上下磁諧振腔有各種不同的位型，分別為對稱結(jié)構(gòu)和反對稱結(jié)構(gòu)或者任意相對位置。在本發(fā)明中我們?nèi)∩舷聦ΨQ結(jié)構(gòu)作為示例，如圖1所示。圖1為基于金屬螺旋結(jié)構(gòu)呈對稱位型的廣域自由空間無線能量傳輸發(fā)射天線裝置。黑色箭頭表示激發(fā)源和探針。上下兩層金屬螺旋結(jié)構(gòu)通過金屬柱相連。上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的垂直距離為h＝6m。整個上下互連的金屬螺旋結(jié)構(gòu)作為無線能量發(fā)射裝置，激發(fā)源放置在下端金屬螺旋臂旁邊。探針放在上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的空間中。由于上下磁諧振腔是同一種金屬螺旋結(jié)構(gòu)并支持磁耦極子模式，所以他們的磁耦合模式的諧振頻率是一樣的。這樣上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)通過金屬柱相互耦合并產(chǎn)生強烈的電流交換，從而把電能轉(zhuǎn)換成充滿整個空間的交變螺旋磁場。當作為接受端的線圈被放置在上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間的空間中任意位置并和螺旋磁場成一定的夾角，隨著每一次共振，接收端線圈中會有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng)過產(chǎn)生多次共振，接收端線圈表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射螺旋磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電能的無線傳輸。

實施例2

通過激發(fā)下面的金屬螺旋結(jié)構(gòu)并探測上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間自由空間中的磁場來說明能量的無線傳輸。首先測試了單個金屬螺旋結(jié)構(gòu)的近場磁諧振頻譜，如圖2中灰實線所示，該金屬螺旋結(jié)構(gòu)在ωm＝1.53mhz的諧振頻率支持一個磁偶極子諧振模式。然后測試對稱結(jié)構(gòu)的近場磁諧振頻譜，如圖2中黑實線所示，由于上下金屬螺旋結(jié)構(gòu)通過金屬柱相互耦合，單個金屬螺旋結(jié)構(gòu)的磁偶極子諧振模式分裂成為兩個模式。兩個分裂模式的諧振頻率分別為和

為了進一步理解該廣域自由空間無線能量傳輸發(fā)射裝置怎么實現(xiàn)能量的無線傳輸，畫出了對稱結(jié)構(gòu)低頻分裂模式的電流，磁場分布圖，分別如圖3(a)和圖3(b)所示。可以看到，在該諧振模式上，上下兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)上都支持一個閉合的反向電流環(huán)，這樣就形成了磁偶極子諧振模式，而且在金屬柱中有強烈的電流交換，從而電能在兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換成無所不在的螺旋磁場，如圖3(b)所示。當接收端金屬線圈放置在兩個金屬螺旋結(jié)構(gòu)之間空間的任意位置并和螺旋磁場成一定的夾角時，該接受金屬線圈就會隨著諧振而接受能量，從而實現(xiàn)基于開放式磁諧振腔電流交換機制的自由空間任意位置的無線能量傳輸。