無線非輻射能量傳遞的製作方法

2023-05-31 07:18:41 1

專利名稱：無線非輻射能量傳遞的製作方法
無線非輻射能量傳遞優先權信息本申請要求2005年7月12日提交的臨時申請No.60/698442的 優先權，將其全部併入本文中作為參考。技術領域本申請涉及振蕩共振電磁模式的領域，尤其涉及用於無線非輻射 能量傳遞的具有局部緩慢漸逝場圖樣的振蕩共振電磁模式。技術背景在電磁學的早期，部署電線輸電網絡之前，人們投入大量的熱情 和努力研究開發不需要任何載體媒介來無線長距離傳送能量的方案。 這些努力看起來取得很少成就。全向天線的輻射模式對於信息傳遞來 說十分有效，但是不適合這種能量傳遞，這是因為絕大多數能量浪費 在自由空間中。使用雷射器和強方向性天線的定向輻射模式可以被高 效率地用於即使長距離(傳遞距離L傳遞》L設備，其中L設備是設備的 特徵尺寸)的能量傳遞，但是在移動對象的情況下需要存在不可中斷 的視線和複雜的跟蹤系統。近年來自主電子設備的快速發展(例如，手提電腦、蜂窩電話、 家用自動機，它們通常都依靠化學能量存儲)提供了重新研究這個課 題的需要。今天，已有的電線網絡幾乎在任何地方運載能量，即使中 距離的無線非輻射能量傳遞也是十分有用的。當前用於某些重要應用 的一個方案依靠電磁感應，但是這種方案限制於很近距離(L頓<<L 設備)的能量傳遞。發明內容根據本發明的一個方面，提供了一種電磁能量傳遞設備。該電磁 能量傳遞設備包括用於從外部電源接收能量的第一共振器結構。第一共振器結構具有第一品質因數(Q-factor)。第二共振器結構位於遠離第一共振器結構的位置，向外部負載供應可用的工作功率。該第二共 振器結構具有第二品質因數。這兩個共振器之間的距離可以大於每個共振器的特徵尺寸。通過耦合第一共振器結構和第二共振器結構的共 振場漸逝跡線(tail),實現第一共振器結構和第二共振器結構之間的 非輻射能量傳遞。根據本發明的另一個方面，提供了一種電磁能量傳遞方法。該方 法包括提供用於從外部電源接收能量的第一共振器結構。第一共振器 結構具有第一品質因數。該方法還包括第二共振器結構，其位於遠離第一共振器結構的位置，向外部負載供應可用的工作功率。該第二共 振器結構具有第二品質因數。這兩個共振器之間的距離可以大於每個共振器的特徵尺寸。另外，該方法包括通過耦合第一共振器結構和第 二共振器結構的共振場漸逝跡線在第一共振器結構和第二共振器結 構之間傳遞非輻射能量。


圖1示出了說明本發明一個示例性實施例的示意圖； 圖2A是與電場一起的半徑為r的高指標(index)圓盤腔的數值FDTD結果；圖2B是針對兩個共振圓盤腔之間的中距離耦合的數值FDTD結果最初，所有能量在一個腔中(左面)， 一定時間之後，兩個腔被相等地激勵(右面)。圖3是示出了兩個電容性負載的導線環的示意圖；圖4A和4B是針對由於從外部對象的散射而導致共振盤腔的輻射g降低的數值FDTD結果；圖5是針對在存在外部對象的情況下兩個共振盤腔之間的中距離耦合的數值FDTD結果；圖6A和6B示出了作為耦合-到-k/rd的函數，將所供功率轉換成有用功的效率(7w)、設備處的輻射和歐姆損耗的效率"d)、源處的輻射和歐姆損耗的效率(;/s)、以及人體內部的消散的效率(7h);在 圖(a)中，選擇^以最小化設備中存儲的能量，在圖(b)中，選擇 rw以最大化對於每個k/rd的效率i 。
具體實施方式
相比於現有的方案，本發明提供了使用具有局部緩慢漸逝場圖樣 的長壽的振蕩共振電磁模式進行無線非輻射能量傳遞的可行性。這種 技術的基礎是兩個同頻率的共振對象趨向於耦合，而與其他非共振環 境對象微弱地相互作用。本發明的目的是使用具體例子來量化這種機 帝U， BP,定量地解決以下問題在什麼樣的距離範圍內這種方案是有 效率的，以及這種方案對於外部擾動的敏感性如何。詳細的理論和數 值分析表明實際上可以獲得中距離(L傳遞《有限數量XL設備)無線能 量交換，而只有很少的能量傳遞和消散到其他非共振對象中。近場的全向但穩定(無損耗)特性使得這種機制適合於移動無線接收機。從而可以具有多種可能的應用形式，例如包括將與有線電網連接的源放置在工廠房間的天花板上，而諸如自動機、車輛、計算 機等的設備在房間內自由移動。其他可能的應用包括電引擎公共汽車、RFID、以及甚至有可能是納米機器人。該創新的無線能量傳遞方案的距離範圍(range)和速率(rate) 是首要的考察主題，而還未考慮從該系統導出能量用於工作。用於建 模共振對象之間能量交換的適當分析框架是稱為"耦合模式理論 (coupled-mode theory)"的弱耦合方法。圖1是示出本發明一般描述 的示意圖。本發明使用源和設備進行能量傳遞。源1和設備2都是共 振器結構，並且彼此分開距離D。在這種布置中，源1和設備2的系 統的電磁場近似為F(r,0-",(0巧(r) + a2(r)F2(r)， 其中 Fu(r)-[EJr) H"r)]分別是源1和設備2的本徵模式，那麼可以用 場振幅",(/)和"2(0來滿足"耦合模式理論"formula see original document page 8 (l)其中，氣2分別是本徵頻率，1;2是由於對象的固有(吸收、輻射 等)損耗造成的共振寬度，^.21是耦合係數，122建模由於另一個對 象的存在造成的每個對象的複合頻率的偏移。在大多數情況下，所示的式l的方法提供了對具有相似複合本徵 頻率(即，h-"2| h2,21|ir>r2)的對象的共振現象的良好描述， 它們的共振被合理地很好定義(即，r，,2&im^,^《l^"l)並且限制 為弱耦合(即，|^2,|<<%2)。巧合的是，這些要求還允許優化能量傳 遞操作。式1還示出了在嚴格共振(w,^且r^r》下能量交換幾 乎是完美的，並且當"耦合時間"遠小於所有的"損耗時間"時損耗 最小。因此，本發明需要對於低固有損耗速率1;2具有高2= /(20的 共振模式，並且具有遠比兩個對象的特徵尺寸A和z2長的用於在大距 離D上的強耦合速率|^，21|的漸逝跡線，其中D是兩個對象之間的最 近距離。這是一個沒有被廣泛研究的工作領域(regime),因為人們 通常更喜歡利用短跡線來最小化與附近設備的幹擾。諸如電介質波導的幾乎無限延伸的對象可以支持導引模式，導引 模式的漸逝跡線當被調諧到接近於截止時在遠離對象的方向上緩慢 地指數衰減，並且可以具有幾乎無限的2。為了實現本發明的能量傳 遞方案，這樣的幾何結構可能適合於某些應用，但通常有限的對象， 即在拓撲上處處被空氣包圍的對象更合適。不幸的是，有限延伸的對象不能支持在空氣中所有方向上指數衰 減的電磁狀態，因為在自由空間中？2= 2/c2。因此，可以看到它 們不能支持無限2的狀態。然而，可以發現十分長壽的(所謂的"高 e")狀態，它們的跡線顯示出在它們振蕩(輻射)之前在足夠長的 距離上從共振對象開始的所需的類似指數的衰減。發生這種場活動變 化的界面稱為"輻射焦散面(radiation caustic)",並且對於基於近場 而不是遠/輻射場的無線能量傳遞方案來說，耦合的對象之間的距離 必須使得一個對象在另一個對象的輻射焦散面內。本發明具有一般性，滿足上述要求的任何類型的共振結構都可以 用於本發明的實現。作為用於明確說明的例子，可以選擇利用兩個已 知的但很不同的電磁共振系統來工作電介質圓盤和電容性負載的導線環。即使沒有優化，並且不考慮它們的簡化，也將看到這兩種系統 展示出很好的性能。它們的不同主要在於由於實際考慮因素導致的適 用頻率範圍不同，例如，由於導電材料損耗更高，所以在光學領域中 更流行使用電介質。考慮圖2A所示的由空氣包圍的具有半徑r和介電常數s的2D電 介質圓盤腔(cavity),其支持高2的回音廊(shispering-gallety)模式。 使用分析建模和具有解析度30;^/r的詳細的數值有限差分時域 (FDTD， fmite-difference-time-domain)仿真來研究這種腔，其中分 析建模諸如是將圓柱坐標中的變量分開和應用邊界條件。注意，3D 情況下的物理現象不應該有很大不同，而分析複雜度和數值要求將極 大地增加。這兩種方法針對複合本徵頻率和所謂"洩漏"本徵模式的 場圖樣的結果對於多種幾何結構和關注參數而言彼此取得很好的一 致。用於確定耦合強度AH&卜I^1的徑向模式衰減長度在波長的量 級上，因此，對於發生在腔之間的距離遠大於它們的尺寸的腔之間的 耦合的近場來說，需要子波長尺寸的共振對象(r《義)。當介電常數 e實際上儘可能大並且(主數m的)方位場變化很慢(即，m很小)時，可以獲得高輻射Q和長跡線的子波長共振。圖2A示出了一個這樣的TE極化電介質腔模式，其具有使用 ^=147.7和m=2的良好特性2輻射=1992和義/r-20 ，該TE極化電介質 腔模式將是"測試"腔18，用於該類共振對象的所有後續計算。適 當腔的另一個例子具有使用s=65.61和w=3的^射=9100和;1/"10。e的這些值最初可能看起來不切實際的大。然而，不僅在微波領域(適 用於米量程耦合應用)中存在許多種具有足夠高的介電常數和低損耗 的材料，例如，二氧化鈦^96，ImW" 10-3 ，四鈦酸鋇 s-37，Im^Vssl(T4，鉭酸鋰c 40,Im{f}/s 10"等等，而且￡還可以 表示其他已知的子波長(;i/r》1)表面波系統的有效指標，諸如類 似金屬(負s)材料或金屬電介質光子晶體的表面上的表面等離子模 式的有效指標。對於材料吸收來說，微波中的典型損耗角正切(例如，上面材料中列出的那些)建議formula see original document page 11。合併輻射和吸收的效應， 上面的分析暗示出對於適當設計的共振設備對象"，應該可以獲得值 gr2000。但是注意到，實際中共振源^通常是固定不動的，並且對 其所允許的幾何結構和尺寸的限制通常比對設備設計中的限制寬鬆 的多，因此，可以合理地假設能將輻射損耗設計為是可忽略的，允許 僅由吸收限定的Os~10000。現在，為了計算可獲得的能量傳遞速率，可以將兩個腔20、 22 如圖2B那樣設置成它們的中心之間相距D。那麼，該組合系統的正 常模式是初始模式的奇偶疊加，並且它們的頻率通過耦合係數&分 開，我們想要計算的就是耦合係數&。分析上，耦合模式理論對於電介質對象給出了 =pv五;w五/"。w/pv^wffW ，其中、200表示除了背景電介質(自由空間)之外，單獨的對象1或單獨 的對象2的介電函數，eW表示兩個對象都存在的整個空間的介電函數。數值上，通過激勵其中 一個腔並計算到另 一個腔的能量傳遞時間，或者通過確定所分開的正常模式頻率，可以使用FDTD仿真來找到h 對於該"測試"圓盤腔，輻射焦散面的半徑rc是rc^77r，並且對於非 輻射耦合D"c，從而這裡可以選擇"々=10、 7、 5、 3。那麼，對於圖 3的相對於連接兩個腔的線為奇的模式，分析的預測是^/^=1602、 771、 298、 48，而數值的預測是w/2;t-1717、 770、 298、 47，所以這 兩種方法一致性很好。這兩個初始腔模式的輻射場根據它們的相對相 位和振幅而相長或相消地幹涉，分別導致增加的或減少的淨輻射損 耗，從而對於任何腔距離，偶和奇正常模式分別具有一個大於初始單 腔2=7992和一個小於初始單腔Q=/9W的g (耦合模式理論未捕獲 到的現象)，但是平均r總是近似為r-w/22。因此，相應的耦合-損耗比是*/「=1.16、 2.59、 6.68、 42.49，雖然它們沒有落入相同的操作 領域t/r》1，但是所得到的值仍足夠大，足以用於實際應用。如圖3所示，考慮環10或12，其具有N個半徑為r的導線線圈， 半徑為a的圓形截面中被空氣包圍。該導線具有電感 "/VV [ln(Sr/a)-2]，其中^是自由空間的磁導率，因此將該導線連 接到電容C將使得該環在頻率w^/VZ^共振。共振的本質是從電容 器兩端電壓產生的電容器內部的電場到電線中的電流產生的自由空 間中的磁場的周期性能量交換。該共振系統中的損耗包括電線中的歐 姆損耗和自由空間中的輻射損耗。對於非輻射耦合，應該使用近場區，其範圍由波長;i大致設定， 從而優選的操作領域是環很小(/"《;i)的情況。在這個限制中，與這兩個損耗通道相關聯的電阻分別是^ ,V/v^/2.AW"和7 箱農 =;r/6-;7。A^(fiWC)、其中/7是電線材料的電阻率，//。》"0^是自由空 間的阻抗。那麼這種共振的品質因數是Q=wi7p砍趙+及薪射入並且對 於由系統參數確定的某個頻率是最高的在較低頻率，其由歐姆損耗 主導，在較高頻率，由輻射主導。為了得到微波中的粗略估計，可以使用一個(N=l)銅線圈 (p=7.6PxJ0sQm)，然後，對於F乃m和fl^mm，例如適合於蜂窩。所以總的來說，所期望的品質因數為在;i/呻50 S0時 0 /OM~"OO，即適合於近場耦合。如圖3所示，其中心相距D的兩個環10和12之間的能量傳遞速 率由^-wM/2VZ^給出，其中M是兩個環10和12的互感。在限制 條件r《D《;i下，可以使用準穩態結果^ = "/(//。]\^/72//￡>3，這 意味著《/I~p/^/。例如，通過再次選擇D/r-"、 S、 6，對於 F化m (與以前使用的相同)的兩個環，可以分別得到《/2&=_3^3、 "B、 655，對於r^0cw7，可以分別得到《/及=77"、 ，/、 7風對於r=1m，可以分別得到w/2k=6481、 3318、 1400。相應的耦合-損 耗比在單環g達到峰值的頻率上達到峰值，對於三種環類型和距離 分另lJ為D0.4、 0.79、 1.97， 0.15、 0.3、 0.72,以及0.2、 0.4、 0.94。 不同的環的一個例子是/^/m (在天花板上的源)的環和^30cm (在 地板上的家用自動機)的環，它們相距I^3m(房間高度)，在戶6.4MHz 上達到峰值it/rA-0.88，其在各2的峰值之間。另外，這些值不在 最佳領域*/r 1中，但是將可以看到它們已經足夠了 。重要的是意識到這個感應方案與已經使用的用於能量傳遞的近 距離感應方案之間的區別在於那些方案是非共振的。使用耦合模式理 論，可以容易得看出，通過保持源的幾何結構和其中存儲的能量為固 定，當前提出的共振耦合感應方案與傳統的非共振方案相比，允許^ 增加傳遞到設備用於工作的能量約1000倍，這是為什麼現在可能實 現中距離能量傳遞的原因。電容性負載的導電環實際上被廣泛用作共 振天線(例如在蜂窩電話中)，但是這些導電環工作在〃義~1的遠場 領域，並且將輻射2有意設計的很小以使天線高效率，所以它們不 適於能量傳遞。顯然，該創新的基於共振的無線能量傳遞方案的成功主要依賴於 對象共振的穩健性。因此，它們對於靠近存在的任何非共振外部對象 的敏感性是所提出方案的需要分析的另一個方面。外部對象與共振對 象的相互作用可以通過修改式(1)中的耦合模式理論模型獲得，由 於外部對象不具有良好定義的共振或者遠離共振，使得共振對象和外 部對象之間的能量交換很小，所以可以去除式(1)中的項K12。共振 對象A^中的場振幅的適當分析模型變為-formula see original document page 13 ( 2 )也就是，外部對象的影響只是對共振對象的共振產生擾動，它具有兩方面第一，它通過b;的實部偏移它的共振頻率，從而使它與 其他共振對象失諧。這是一個很容易克服的問題，通過對每個設備應 用反饋機制，每個設備例如通過幾何結構的微小改變來糾正其頻率， 並使頻率與源的頻率匹配。第二，它使共振對象損耗模態能量，該損耗是由於通過外部對象中感應出的極化或電流而使散射的能量從外 部對象輻射出去，並且由於外部對象中通過^的虛部的材料吸收。 這種0的減小對於能量傳遞方案的功能是有害的影響，因為不能對 其進行補救，所以必須量化其幅度。在已經考慮的共振對象的第一個例子中，電介質圓盤、小的、低 指標的、低材料損耗、或遠的雜散對象這類對象將引起很小的散射和 吸收。為了檢查減小^會更危險的現實情況，可以將"測試"電介質圓盤腔40放置成接近於(a)另一個非共振對象42，諸如人體， 如圖4A所示，對象42具有大的Re(e片49和Im^h16，並具有相 同的尺寸和不同的形狀；(b)粗糙表面46，諸如牆，如圖4B所示， 對象46具有大的延伸範圍，但是具有小的Re(f }=2.5和Im{ e }=0.05。在分析上，對於與小的擾動相互作用的對象，由於散射而減小的 輻射g的值可以使用外部的對象X-42或粗糙表面X-46內的共振腔 1所引起的極化|(^^(0|、 J"d3rlE,(r).Re^x(r川2進行估計。由於在所研究的情況中，外部對象的折射指標或尺寸很大，這些一階擾動理論 結果的精確性不夠，從而只能依靠數值FDTD仿真。可以通過 Im(k,J = w/2. ]"￡13,々)|2 Im{fx(r)}/ j^rl^Wl2 f(r)估計這些對象內部的吸收2。使用這些方法，對於腔和外部對象中心之間的距離D/Fl0、7、5、 3，可以發現2觀產1992分別減小到g嶽產1988、 1258、 702、 226， 並且該對象內部的吸收速率是2級f312530、 86980、 21864、 1662， 也就是，該腔的共振不會受到高指標的和/或高損耗的外部對象的有 害幹擾，除非(有可能移動的)對象與該腔十分接近。對於腔和粗糙 表面之間的距離D/產10、 7、 5、 3，我們發現0薪i^2101、 2257、 1760、 1110、 572並且2微>4000，也就是，即使當將腔嵌入在該表面上的 極端情況下，對初始共振模式的影響也低到可以接受的程度。注意到 接近金屬對象也可能顯著地散射共振場，但是可以為了簡化假設不存在這樣的對象。現在設想一種組合的系統，其中，使用共振源對象S向共振設備對象d無線傳遞能量，但是存在一個非共振外部對象e。可以看到， 來自e的所有外來損耗機制的強度由lEs(rjf確定，即由在該外部對象 的位置&處計算的該共振源的跡線的小振幅的平方確定。與之相對， 從源到設備的能量的共振耦合的係數由在該設備的位置rd處計算的 相同階的跡線振幅lE^d)l確定，但是這次沒有使用平方。因此，對於 源到設備和源到外部對象的相等距離來說，用於與設備進行能量交換 的耦合時間遠小於外部對象內的損耗累積起來所需要的時間，尤其是 當共振場的振幅具有從源開始的類似指數的衰減的時候。實際上可以 優化性能，通過設計系統使得利用在源處較小的跡線和在設備處較長 的跡線來獲得希望的耦合，從而使其他對象對源的幹擾最小化。上述概念可以通過仿真在電介質圓盤腔的情況下進行驗證，該仿 真組合了圖2A-2B和4A-4B，也就是，將兩個(源-設備)"測試"腔 50放置成分開10r,在它們之間存在f-49的相同尺寸的外部對象52， 並且距^2.5的大粗糙表面56的距離為5r，如圖5所示。那麼，初 始值&1992、 w/2k-1717(從而;t/r416)惡化為^765、 "/2k=965(從而*化=0.79)。考慮到所關心的外部擾動的程度，這個改變很小， 是可接受的，並且因為還沒有對該系統設計進行優化，所以耦合-損 耗比的最終值保證了這個方案可以用於能量傳遞。在所考慮的共振對象的第二個例子中，對於導線環來說，外部對 象對共振的影響幾乎不存在。原因是，在所考慮的準穩態操作領域(r《;t)中，由於電場局限在電容器內部，所以該環周圍的空氣區域中的近場主要是磁性的。因此，可以與這個場相互作用並且產生對共振的擾動的外部對象是那些具有顯著磁性的對象(磁導率Re^)〉1或磁損耗Im(;^X))。由於幾乎所有的普通材料都不是磁性的，它們對磁場的響應與自由空間一樣，從而不會干擾導線環的共振。預期會影響這些共振的唯一擾動是在大的金屬結構附近。以上事實的最重要的暗示涉及人體的安全考慮。人體也不是磁性的，可以抵抗強磁場而不會遭受任何危險。這對於許多現實應用來說顯然是這類共振系統的優點。另一方面，高(有效)指標的電介質系 統具有以下優點從所獲得的更高的it/r值判斷出它們的效率更高； 如前面提到的，它們還可以應用於小得多的長度尺度。現在再次考慮在存在人體h和牆的情況下共振源S和設備d的組 合系統，現在讓我們研究當設備正在消耗能量以用於操作工作時，這 個基於共振的能量傳遞方案的效率。可以使用前面找到的參數對於 電介質圓盤，在源處的吸收為主的損耗Q廣104、在設備處的輻射為主 的損耗Q廣103 (其包括從人體和牆的散射)、在人體處對源和設備能 量的吸收Qs.h、 Qd.h~104 -105 (取決於人體距這些對象的非緊密接近的 距離)、牆中的可忽略的吸收損耗；對於導線環，Qs~Qd~103，並且來 自人體和牆的擾動是可忽略的。利用對應的損耗速率"w/22、依賴 於距離的耦合k、和提取工作功率的速率r^，該設備場振幅的耦合模式理論方程為Y=- 。 + — - r"^ - (3) 欲當前不同的方案可以用於從設備提取功率，並且它們的效率表現 出對組合的系統參數不同的依賴性。這裡，可以假設恆穩態，使得源內部的場振幅保持恆定，即"/(^4e-ir;r，使得有用功率與損耗功率的比(即效率7v^A/;)對於某個A值最大。以上兩種不同選擇的效率^分 別在圖6A和6B中示出，其是A/r,品質因數的函數，A/巧品質因數取決於源-設備距離。圖6A和6B示出了對於電介質圓盤系統和優化效率的選擇，效 率可以很大，例如，至少為40%。對於值A/^M和2^105，即對於中距離源-設備距離(AA<10)和大多數人體-源/設備距離(AA〉s)，人體內部的能量消散足夠小，小於5%。例如，對於A/r=10和AA=S， 如果必須傳遞IOW給負載，那麼根據圖6B可以看到，將有 0.4W消 散在人體中，~4W被源內部吸收，~2.6W被輻射到自由空間。對於 導線環系統，所得到的效率更小，其對於A/r^l為 2線，但是顯著 的優點是沒有能量消散在人體中，如前面所解釋的。通過優化共振對象設計，還可以獲得更好的性能。另外，通過採 用前面所述的耦合對象的輻射場之間的幹涉效應，諸如具有更大輻射 0的正常模式的頻率下的連續波操作，可以迸一步改進整體系統功 能。從而該創新的無線能量傳遞方案可用於許多現代應用。雖然所有 的考慮都是針對靜態幾何結構作出的，但是所有的結果都可以直接應 用於移動對象的動態幾何結構，因為能量傳遞時間A:" 1/^，遠小於 與宏觀對象的運動相關聯的任何時間尺度。本發明提供了一種用於中距離無線非輻射能量傳遞的基於共振 的方案。對很簡單的實現幾何結構的分析提供了所提出方案的潛在可 應用性的令人鼓舞的性能憐性。例如，在宏觀世界，這個方案可以用 於向工廠房間中的自動機和/或計算機傳遞功率，或向公路上的電動 公共汽車(這種情況下，源-共振腔是在公路上延伸的"管道")傳遞 功率。在微觀世界中會使用小得多的波長並需要更小的功率，這時可 以使用該方案實現CMOS電子器件的光學互聯，或使用該方案向自 動納米對象(nano-object)傳遞能量，而不需要很擔心源和設備之間 相對的對齊問題；能量傳遞距離甚至可以長於對象尺寸，這是由於電 介質材料的Im(咖))在所需的光學頻率比在微波頻率小得多。作為未來科學研究的著眼點，應該在改進性能和不同的應用範圍 方面研究不同的材料系統。例如，通過開發等離子體系統(plasmonic system),有可能顯著改進性能。這些系統通常能夠具有比自由空間 波長短得多的在它們表面上的空間場變化，恰恰是這種特徵允許所需 的標度分離共振對象可以顯著小於其場的類似於指數的跡線。另外， 還可以考察使用聲學共振的應用，其中源和設備經由公共的凝聚態物 質(condensed-matter)對象連接。雖然根據本發明的幾個優選實施例說明和描述了本發明，但是在 不脫離本發明精神和範圍的情況下，可以對本發明的形式和細節作出 各種改變、刪減、添加。
權利要求
1、一種傳遞能量的方法，包括提供用於從外部電源接收能量的第一共振器結構，所述第一共振器結構具有第一共振頻率ω1、第一品質因數Q1和特徵尺寸L1，以及，在以最近距離D遠離所述第一共振器結構的位置提供第二共振器結構，所述第二共振器結構具有第二共振頻率ω2、第二品質因數Q2和特徵尺寸L2，其中，兩個所述頻率ω1和ω2接近，以在兩個共振寬度Γ1和Γ2的較窄一個中，在所述第一共振器結構和所述第二共振器結構之間非輻射地傳遞能量，通過它們的共振場漸消跡線的耦合進行所述能量傳遞，所述第一共振器和所述第二共振器之間的能量傳遞速率表示為k，其中，非輻射裝置D小於共振波長λ1和λ2中的任一個，其中，c是在周圍媒介中輻射的傳播速度。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有QP100， Q2>100， k/7(r,r2)〉0.2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2〉1、 2、 3、 5的所述共振器。
3、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有Q戶200， Q2>200， k/V( r2)〉0.2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2>1、 2、 3、 5的所述共振器。
4、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有Q戶500， Q2>500， k/批嚇2)X),2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2>1、 2、 3、 5的所述共振器。
5、 根據權利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有 (^>1000， Q2>1000， k/V(lVr2)X).2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2〉1、 2、 3、5的所述共振器。
6、 一種能量傳遞設備，包括用於從外部電源接收能量的第一共振器結構，所述第一共振器結 構具有第一共振頻率^、第一品質因數(^和特徵尺寸L,，以及，在以最近距離D遠離所述第一共振器結構的位置設置的第二共 振器結構，所述第二共振器結構具有第二共振頻率^、第二品質因數 Q2和特徵尺寸L2，其中，兩個所述頻率A和^接近，以在兩個共振寬度r,和r,的較 窄一個中，其中，在所述第一共振器結構和所述第二共振器結構之間的非輻 射能量傳遞是通過它們的共振場漸消跡線的耦合進行的，所述第一共 振器和所述第二共振器之間的能量傳遞速率表示為k，其中，非輻射裝置D小於共振波長4和^中的任一個，其中，c 是在周圍媒介中輻射的傳播速度。
7、 根據權利要求6所述的能量傳遞設備，其中，所述方法包括 具有Q,〉200， Q2>200， k/V(r,叮2)X).2、 0.5、 1、 2、 5禾I3D/L—1、 2、 3、 5的所述共振器。
8、 根據權利要求7所述的能量傳遞設備，其中，所述設備中的 所述共振場是電磁的。
9、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第一共振 器結構包括電介質球，所述^F徵尺寸I^是所述球的半徑。
10、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第一共振 器結構包括金屬球，所述特徵尺寸Li是所述球的半徑。
11、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第一共振器結構包括金屬電介質球，所述特徵尺寸L,是所述球的半徑。
12、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第一共振 器結構包括等離子體球，所述特徵尺寸"是所述球的半徑。
13、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第一共振 器結構包括極化聲子球，所述特徵尺寸L,是所述球的半徑。
14、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第一共振 器結構包括電容性負載的導線環，所述特徵尺寸L,是所述環的半徑。
15、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第二共振 器結構包括電介質球，所述特徵尺寸L2是所述球的半徑。
16、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第二共振 器結構包括金屬球，所述特徵尺寸L2是所述球的半徑。
17、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第二共振 器結構包括金屬電介質球，所述特徵尺寸L2是所述球的半徑。
18、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第二共振器結構包括等離子體球，所述特徵尺寸L2是所述球的半徑。
19、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第二共振 器結構包括極化聲子球，所述特徵尺寸L2是所述球的半徑。
20、 根據權利要求8所述的能量傳遞設備，其中，所述第二共振 器結構包括電容性負載的導線環，所述特徵尺寸L2是所述環的半徑。
21、 根據權利要求7所述的能量傳遞設備，其中，所述設備中的所述共振場是聲學的。
全文摘要
一種電磁能量傳遞設備包括用於從外部電源接收能量的第一共振器結構。該第一共振器結構具有第一品質因數。第二共振器結構被設置在遠離第一共振器結構的位置，向外部負載供應有用工作功率。第二共振器結構具有第二品質因數。兩個共振器之間的距離可以大於每個共振器的特徵尺寸。在第一共振器結構和第二共振器結構之間的非輻射能量傳遞是通過它們的共振場漸消跡線的耦合進行的。
文檔編號H02J17/00GK101258658SQ200680032299
公開日2008年9月3日 申請日期2006年7月5日 優先權日2005年7月12日
發明者A·卡拉裡斯, J·D·瓊諾保羅斯, M·索拉亞契奇 申請人:麻省理工學院