技术领域
[0001] 本
发明属于
电子技术领域，它涉及一种高Q值的体积紧凑型谐振腔，该谐振腔可以进行多方向耦合，从而达到进行多方位的无线功率传输的目的。具体涉及一种用于无线功率传输的交连式谐振腔。
背景技术
[0002] 随着社会的不断发展，电子设备在人们的生活中逐渐发挥着不可替代的作用，而电子设备通常都有一个共同的缺点：
电池容量不高；因此人们常常需要携带与电子设备相匹配的充电器以达到及时充电的目的。此时，无线充电的兴起恰好可以很好的解决传统有线充电的问题。到目前为止，无线功率传输通常可以分为三大类：
电磁感应式无线功率传输、耦合谐振式无线功率传输、电磁
辐射式无线功率传输。
[0003] 电磁感应式无线功率传输的主要原理是电磁感应。在初级线圈和次级线圈中放入不同的
磁性物质，使得
能量通过电磁感应由初级线圈传递到次级线圈，从而达到无线功率传输的目的。这种无线功率传输的方式多用于低频近场的环境中。
[0004] 无线功率传输按照传播方式主要可分为
无线电波式、电磁感应式、激光式、
超声波式无线功率传输。其中耦合谐振式无线功率传输主要是通过近场电
磁场耦合进行能量传输。其主要原理是使得通过发射线圈和接
收线圈的谐振
频率相同，以产生共振，从而达到能量传输的目的。主要应用于高频近场的环境中。
[0005] 对于无线功率传输来说，无线功率传输的效率通常是决定无线功率传输模型是否实用的关键因素之一。现有的无线功率传输用谐振腔的体积不够紧凑，因此无线功率传输的效率不够高，如何进一步的提高效率是急需解决的问题之一。1988年，赫兹在验证麦克斯韦的
波动性理论时，实现了
电磁波的发射与接收，这是无线功率传输的启蒙实验。1989年，特斯拉率先提出了无线输能的概念，致
力于实现全球无线输电，并且特斯拉的实验成功点亮了26英里外的2盏50瓦的电灯。2006年，美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授开创性的提出了利用
电磁场的谐振耦合来进行无线功率传输的概念，并成功的在距离2.1m的地方点亮了一个60W的
灯泡。此实验为无线功率传输的研究提供了一个新思路。2008年，Bombardier公司研制出了一种应用于有轨电车和轻轨的无线输能系统。文中的无线功率传输模型是在Marin Soljacic提出的磁耦合共振的启发下提出的。这种无线输能模型是在金属腔内的各个腔体通过谐振耦合实现无线输能的目的，同时可以通过对腔体开槽实现对多个方向的耦合。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于：针对现有谐振腔传输效率低的问题，本发明提供一种用于无线功率传输的交连式谐振腔。本发明基于近场谐振耦合的方法，提出了一个体积紧凑的高品质因数的谐振腔模型，并使得该模型工作于Π模式，达到无线功率传输对于效率的要求。
[0007] 该模型体积紧凑，同时还可以使得具有优良电磁特性的Π模用于能量传输，进一步提高了无线功率传输的效率。该模型具有体积紧凑，高品质因数，大量生产成本低，效率高的优点。
[0008] 本发明技术方案为：
[0009] 一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，包括谐振腔、同轴接头，所述谐振腔腔体内是一个圆柱形腔体，所述谐振腔上还包括上盖板，上盖板上设有通孔，谐振腔内至少设有两对扇形体
叶片，扇形体叶片在同一圆周上呈中心对称均匀分布；扇形体叶片两端对称设有凹槽，凹槽内设置有半径不同的底座，相邻扇形体叶片同一端的凹槽内设置半径不同的底座，相邻扇形体叶片相对端的凹槽内设置的底座半径相同；
[0010] 扇形体叶片同一端的凹槽内设置圆环形的第一交连环和第二交连环，第一交连环与半径小的底座相连，第二交连环与半径大的底座相连；
[0011] 同轴接头的底端通过通孔伸入谐振腔的腔内并固定在谐振腔内的一个扇形体叶片上。所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，所述同轴接头用于连接
信号源。
[0012] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，所述谐振腔为方柱形。
[0013] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，谐振腔侧面设有开槽，或者谐振腔上与上盖板相对设有可拆卸的下盖板。
[0014] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，谐振腔、同轴接头扇形体叶片、底座、第一交连环、第二交连环的材料均为
黄铜。
[0015] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，方柱形的谐振腔边长为112mm，高为68mm，盖板厚度为4mm。
[0016] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，扇形体叶片的高度为50mm，谐振腔1的上盖板11距离扇形体叶片3的高度为13mm，相邻两个扇形体叶片之间的空腔的弧度为50度，每个扇形体叶片的弧度为40度，交连式谐振腔的中间的圆柱形空腔半径为14mm。由于采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：
[0017] 本发明方案的谐振腔依据谐振腔近场谐振耦合的特点，可以进行能量高效传输的无线功率传输，实现了高Q值、体积紧凑型的高效率能量传输。与现有的无线功率传输模型相比，该模型能够高效率的进行无线功率传输、使用效率更高、体积更紧凑。
[0018] 该谐振腔的Π模式为非简并模式，具有效率高的工作特点，当该谐振腔工作于Π模式时，在相邻的谐振腔中，电磁与磁场幅度相同，
相位相差180度。
电场强度在径向上由圆心向外依次递减，磁场强度在径向上由圆心向外依次递加。也就是说谐振腔的电场主要集中在靠近圆心的
位置，磁场主要集中在远离圆心的位置。正因为Π模式具有这样的优良特性，所以可以把Π模式应用于无线输能。本发明根据电磁场在近场会产生谐振耦合的特点使得进行无线输能时的效率更高。
[0019] 取两个相同的上述谐振腔，让两个谐振腔对称放置,并使得两个谐振腔的腔体相对，如图8所示。不断的改变两个谐振腔之间的相对距离，经过仿真可以计算出两个谐振腔在不同距离时进行无线功率传输的效率。
[0020] 综上所述，本发明应用于无线功率传输中，利用近场电磁场的谐振耦合，实现对于能量的无线传输。由于该模型的基模Π模的磁场分布特征，使得该模型具有很高的无线输能效率，其传输效率可以达到87.5％。
[0021] 同时，由于该模型的基模和第一个高次模都是均分式的模式，可以同时工作，具有其他模型所不具备的独特优势。当两个谐振腔之间进行无线功率传输时，由于基模Π模的优良特性，使得该谐振腔进行无线功率传输时具有很高的传输效率。
[0022] 同时该谐振腔具有很高的Q值，体积紧凑，便于工程应用。
附图说明
[0023] 图1是本发明正视横截面结构图；
[0024] 图2是本发明整体外部结构图；
[0025] 图3是本发明带交连环时的俯视图；
[0027] 图5是交连式谐振腔进行无线功率传输时的结构图；
[0028] 图6是本发明交连式谐振腔模型的S11；
[0029] 图7交连式谐振腔在Π模式下纵截面的电场分布；
[0030] 图8交连式谐振腔在Π模式下纵截面的磁场分布；
[0031] 图9交连式谐振腔在Π模式下横截面的电场分布；
[0032] 图10交连式谐振腔在Π模式下横截面的磁场分布；
[0033] 图11交连式谐振腔进行无线功率传输时的S11、S21；
[0034] 图12交连式谐振腔进行无线功率传输时在Π模式下纵截面的电场分布；
[0035] 图13交连式谐振腔进行无线功率传输时在Π模式下纵截面的磁场分布；
[0036] 图14交连式谐振腔进行无线功率传输时在Π模式下横截面的电场分布；
[0037] 图15交连式谐振腔进行无线功率传输时在Π模式下横截面的磁场分布。
[0038] 图中标记：1-谐振腔，11-上盖板，12-通孔，2-同轴接头，21-同轴接头的底端，3-扇形体叶片，4-凹槽，51-第一交连环，52-第二交连环，6-底座。
具体实施方式
[0039] 本
说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0040] 下面结合图1-图15对本发明作详细说明。
[0041] 如图1所示，一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，包括谐振腔1、同轴接头2，所述谐振腔1腔体内是一个圆柱形腔体，所述谐振腔1上还包括上盖板11，上盖板11上设有通孔12，谐振腔1内至少设有两对扇形体叶片3，扇形体叶片3在同一圆周上呈中心对称均匀分布；扇形体叶片3两端对称设有凹槽4，凹槽4内设置有半径不同的底座6，相邻扇形体叶片3同一端的凹槽4内设置半径不同的底座6，相邻扇形体叶片3相对端的凹槽4内设置的底座6半径相同；
[0042] 扇形体叶片3同一端的凹槽4内设置圆环形的第一交连环51和第二交连环52，第一交连环与半径小的底座相连，第二交连环与半径大的底座相连；
[0043] 同轴接头2的底端21通过通孔12伸入谐振腔1的腔内并固定在谐振腔1内的一个扇形体叶片3上。
[0044] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，所述同轴接头2用于连接信号源。
[0045] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，所述谐振腔1为方柱形。
[0046] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，谐振腔1侧面设有开槽，或者谐振腔1上与上盖板11相对位置设有可拆卸的下盖板。
[0047] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，谐振腔1、同轴接头2扇形体叶片3、底座6、第一交连环51、第二交连环52的材料均为黄铜。
[0048] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，方柱形的谐振腔1边长为112mm，高为68mm，盖板厚度为4mm。
[0049] 所述的一种用于无线功率传输的交连式谐振腔，扇形体叶片3的高度为50mm，谐振腔1的上盖板11距离扇形体叶片3的高度为13mm，相邻两个扇形体叶片3之间的空腔的弧度为50度，每个扇形体叶片3的弧度为40度，交连式谐振腔中间的圆柱形空腔半径为14mm。
[0050] 一种用于无线功率传输的交连式谐振腔模型，如图1所示，交连式谐振腔的外部是一个边长为112mm、高为68mm的方柱。交连式谐振腔内部有四个扇形体叶片，扇形体叶片高度为50mm，每个扇形体叶片上下均有不对称的底座，底座用于连接交连环与扇形体叶片位于底座上面的为交连环；
[0051] 图4是是本发明正面剖面结构图。需要说明的是，图4只是给出了一种具体实施方式，是对本发明技术效果的证明，而并非是对本发明的进一步限定，本领域技术人员根据本发明技术方案的描述，应当确定本发明具有更多类似实现方案。
[0052] 如图4所示：谐振腔，即交连式谐振腔的外部是一个边长为112mm、高为68mm的方柱，上下盖板的厚度为4mm，不过把谐振腔设计成方柱的形状只是为了便于加工，对于实际的模型结果并没有很大影响。交连式谐振腔内部有四个大小、形状均相同的扇形体叶片，扇形体叶片高度为50mm，扇形体叶片距离上盖板的距离为13mm，扇形体叶片距离下盖板的距离为5mm，每个扇形体叶片上下均有一个对称的凹槽，每个凹槽上都有一个用于设置交连环的底座。用于设置交连环的底座的上方即为交连环，上下各有两个半径不同的交连环，即第一交连环和第二交连环。
[0053] 取两个相同的上述谐振腔，对称放置，并使得两个谐振腔的腔体相对，以其中一个谐振腔的同轴接头作为端口1，把另一个谐振腔的同轴接头作为端口2。经过计算机仿真计算，可以得到交连式谐振腔模型的S11，其中，S11指端口2接上匹配负载时，端口1的反射系数，S11的曲线图如图6所示；同时还可以得到上述用于无线功率传输的交连式谐振腔模型在Π模式下的电场与磁场的矢量分布分别如图7、图8、图9、图10所示。其中图7为交连式谐振腔进行无线功率传输时的结构图，图8为交连式谐振腔在Π模式下纵截面的磁场矢量分布图。其中图9为交连式谐振腔在Π模式下横截面的电场矢量分布图，图10为交连式谐振腔在Π模式下横截面的磁场矢量分布图。以上仿真结果进一步印证了该模型Π模式的存在，电场主要集中在靠近圆心的位置上，磁场主要集中在远离圆心的位置上。
[0054] 通过上盖板的同轴接头对谐振腔馈入高斯正弦信号，得到对于Π模式的S11低于-7dB，对于Π-1模式的S11低于-8dB。Π模式为非兼并模式，是谐振腔的基模。由图7、图8和图
9、图10可以得出以下结论：Π模式的电场主要集中在谐振腔靠近圆心的位置，且随着半径的减小而增强；Π模式的磁场主要集中在谐振腔远离圆心的位置，且随着半径的增大而增强。因此，可以根据该谐振腔Π模式的这种特性，通过对该谐振腔开槽的方式来进行无线功率传输。
[0055] 图5给出了交连式谐振腔进行无线功率传输时的一种模型示意图。由图5可以看到，取两个相同的上述谐振腔，对称放置，并使得两个谐振腔的腔体相对，以其中一个谐振腔的同轴接头作为端口1，把另一个谐振腔的同轴接头作为端口2。通过不断的改变两个谐振腔之间的相对距离，并通过仿真测量出两个谐振腔在不同距离时进行无线功率传输的效率。图11给出了交连式谐振腔进行无线功率传输时的S11、S21，其中，S21是指端口2接上匹配负载时，端口1与端口2之间的传输系数。根据计算机仿真的结果，可以计算出两个谐振腔在距离35mm时该无线功率传输的效率可以达到87％。由图12、图13、图14和图15可以看到上述交连式谐振腔进行无线功率传输时在Π模式下纵截面和横截面的电磁场分布。进一步证实了通过对上述谐振腔开槽的方式来进行无线功率传输的可行性。
