一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法
2023-05-07 17:50:31
一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法
【專利摘要】本發明公開一種基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置與方法。所述裝置由若干個雙螺旋線圈單元片疊加而成。所述雙螺旋線圈單元片是一種正反面各布置有螺旋線圈的雙層電路板，板面中心設有內孔，兩個面的螺旋線在內端連通，且環流方向一致。所述雙螺旋線圈單元片的線圈形狀、匝數、匝距和線寬等參數精確可調，製作工藝一致性好且易於小型化與集成。所述可控磁波波束形成裝置由若干個大小不同的螺旋線圈單元組合，可以通過數控電路設置單元間的串、並連方式，調節裝置電阻、電感等電學參數，進而調節系統的諧振頻率和帶寬；可以通過設置組合中各螺旋線圈單元的內孔調節磁波主瓣；可以通過設置單元組合整體的包絡外形調節磁波旁瓣；可以通過設置組合裝置整體的單元片數量，大小，實現對裝置功率、磁波發射距離的調節。
【專利說明】一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發明屬涉及無線探測與無線輸能【技術領域】，具體涉及一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法。
【背景技術】
[0002]在基於磁的無線探測或無線能量【技術領域】當中，電信號與磁信號、或電能與磁能的轉化是其中的重要環節。電磁感應線圈是完成這部分功能的主要裝置。傳統的感應線圈大多為導線由人工或機械繞制而成，形成平面螺旋線圈或者立體螺旋線管。這種繞制線圈的製作工藝一致性與可控性都不高，線圈的匝數、匝距、線寬的精確控制比較難實現。且繞制的線圈有時還存在應力回彈，造成實際性能與設計性能的偏差。
[0003]在電磁感應系統中，電路和諧振匹配非常重要。比如對於磁耦合諧振式無線輸能系統，其原理是利用兩個具有相同諧振頻率的諧振線圈之間的近場磁耦合來傳遞能量，能量的收發電路需調節達到共同的諧振頻率，實現近距離的高效能量傳輸，在非諧振的條件下，能量傳輸效率急劇下降。而根據濾波器理論，線圈的本徵諧振頻率、品質因數等物理參數決定著系統的各種電路參數。而傳統線圈一旦繞制完成，其物理結構便固定，其電學參數也很難再進行調整，這使得電路調諧變得非常困難，系統的靈活性受限。
[0004]另外，現有的感應線圈一般不具有定向發射磁場的功能，其磁場分布較為分散，在某些場景中，例如需要在距離較近的兩個充電目標中選擇其中一個進行輸能時，或者對空間某指定區域進行磁探測時，傳統線圈的發散磁場很難實現。
[0005]總結現有電磁感應線圈，有以下不足:
(1)線圈製作工藝難以控制，製作的精準度不高。難以製作構造複雜，體積小的線圈。
[0006](2)線圈製作完成後，其電學參數無法靈活調整，不利於整個系統的調諧與匹配。
[0007](3)現有的感應線圈產生磁場較為分散，且感應磁場分布無法靈活調整。
【發明內容】
[0008]本發明目的在於克服現有感應線圈等磁波收發裝置的製作精度不高、結構固定、電學參數難以調整、磁場分布分散等不足，提出一種可控的寬頻磁波波束形成裝置與方法。
[0009]所述可控的寬頻磁波波束形成裝置，由若干個雙螺旋線圈單元片疊加而成。
[0010]所述裝置中的雙螺旋線圈單元片，是一種正反面各布置有螺旋線圈的雙層電路板，板面中心設有通孔供磁場通過，通孔形狀及大小根據實際需求設定。
[0011 ] 上述的雙螺旋線圈單元片中，螺旋線的形狀、匝數、匝距、線寬等參數可以由電路設計軟體精確設置。其中螺旋線的形狀不限於基於圓形的多重曲線，還可以基於是三角形，方形，多邊形甚至是其它任意形狀的多重曲線；螺旋線的線寬可以為非恆寬，根據需求可以設置不同位置的不同線寬調整螺旋線圈單元片上的阻抗分布；所述雙層電路板的外形或中心內孔也可以根據需求調整為其它任意形狀。
[0012]上述的雙螺旋線圈單元片中，兩個面的螺旋線在靠中心內端相連通，外端分別作為該片單元的正負極，供多個單元互聯。
[0013]上述的雙螺旋線圈單元片中，正負極接入電路後，從單元的一個面看上去，應保證兩面螺旋線中電流的環流方向相同(同為順時針或逆時針)，從而使正反兩個面的螺旋線圈生成的磁場方向相同，實現磁場疊加增強。
[0014]上述的雙螺旋線圈單元片中，螺旋線圈單元片還可以選用多層電路板布置多層線圈，滿足對高集成度要求的場景；還可以選用柔性電路板材料進行加工，滿足對線圈形變有一定可塑性要求的應用場景。多個上述的雙螺旋線圈單元片間可以串聯，並聯以及混聯的方式組合，從而可以靈活調節組合整體的電阻、電感和電容等電學參數。單元的組合方式還可以通過接入數控電路或晶片進行切換，從而通過數控電路對組合模塊整體的電學參數進行調整。單元間連接後仍應保證每個單元電流方向一致，形成的磁場同向。
[0015]所述可控的寬頻磁波波束形成裝置中，多個雙螺旋線圈單元片間可依據特定的外形大小順序組合，使其組合後的包絡為某種流型形狀，比如錐體。每個單元內孔形狀和大小可以根據需求選擇相同或者不同，單元片之間的連接方式根據系統需求，選擇串聯、並聯或者混聯。
[0016]所述基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，如按從大到小順序組合成錐體，可在其錐形結構的錐側面部分形成較弱磁場，而在錐頂部分磁場強度最強，即磁場「聚焦」在了錐頂部分較小的區域。這是因為對於兩個外徑不同的螺旋線圈，在中心附近位置形成磁場疊加增強，而在兩個單元片最外側的線圈附近，小半徑線圈與大半徑線圈形成的磁場相消。
[0017]所述基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，其組合整體的錐側面可以圍上磁屏蔽材料層，進一步削弱磁場旁瓣並加強發射主瓣的匯聚。還可以在裝置磁波發射方向後端放置永磁體來施加磁場偏置。為更好地適應不同的用途及工作環境，在線圈中心，還可放入不同的磁性材料。
[0018]所述基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，不限於當做磁波的發射端，也可以作為接收端使用，將磁轉化為電。
[0019]所述基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，還可以將多個雙螺旋單元片或其組合在空間分布放置，使輻射方向匯聚，以進一步加強波束的聚焦。
[0020]上述基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置:
(1)可以精確設計雙螺旋線圈單元片上的螺旋線匝數、匝距、線寬等參數，從而實現對系統阻抗、電流、磁場強度等的控制。
[0021](2)可以設置雙螺旋線圈單元片之間的串聯、並聯方式，調節組合整體的電阻、電感等參數，從而實現諧振頻率以及頻率帶寬彿勺控制。
[0022](3)可以通過設置雙螺旋線圈單元片內部通孔的形狀和大小，使不同集束的磁場通過，實現磁波主瓣形狀和大小的控制。
[0023](4)可以通過設計組合裝置整體的外部包絡形狀(例如圖3 (a) (b)所示的線性椎體或非線性椎體)，實現磁波旁瓣分布的控制。
[0024](5)可以通過設置組合裝置整體的厚度、單元片數量，大小，實現對裝置功率的調節，從而控制磁波發射的距離。
[0025](6)多個所述裝置可以在空間按特定位置排列，使多個裝置的主瓣匯聚，進一步加強磁場的聚焦。
[0026]由此就可以實現本發明裝置可控的寬頻磁波波束形成功能。
[0027]與現有繞制線圈相比，本發明具有以下優點:
(1)可以精確設計雙螺旋線圈單元片上的螺旋線形狀、匝數、匝距、線寬等參數，且同一螺旋線圈上的線寬可以不同，從而實現對裝置的阻抗分布、電流、磁場強度等的控制。
[0028](2)這種螺旋線圈設置在電路板上的單元，其螺旋的匝數、匝距包括線寬都可以精確控制，並且方1便大規模生產，產品的工藝一致性、線圈的品質因數等也能得到很好的保障，性能更為穩定，避免了繞制線圈的工藝難以控制、一致性差的不足。
[0029](3)線圈單元的組合方式靈活可調。可以基於串聯、並聯、混聯的方式，靈活調整組合模塊的電阻、電感等電學參數，這極大方便了系統的電路匹配。而傳統線圈在繞制好之後，相關電學參數便固定，很難再進行可量化的調整。
[0030](4)本發明可以實現發射磁波的主瓣、旁瓣等參數的控制，工程應用具有更高的靈活性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明所述可控寬頻磁波波束形成裝置剖面圖。
[0032]圖2a是本發明所述雙螺旋線單元片示例圖。
[0033]圖2b是本發明所述雙螺旋線單元片的一種印刷電路板實例圖。
[0034]圖3是本發明所述輸能裝置可以實現磁波束形成的原理解釋圖。
[0035]圖4a是本發明所述可控寬頻磁波波束形成裝置的凹錐體形狀示意圖。
[0036]圖4b是本發明所述可控寬頻磁波波束形成裝置的凸錐形狀示意圖。
[0037]圖5是本發明所述可控寬頻磁波波束形成裝置的空間組合是示意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖以及無線輸能應用場景為例對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0039]圖1是基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置剖面結構示意圖。該裝置由若干個上述雙螺旋線圈單元片101組合而成。單元間的連接方式可以根據系統對線圈的電阻、電感、電容等電學參數的需求，以串聯、並聯或者混聯的方式組合。所述單元的組合方式可以由數控電路進行控制，即便每個單元的物理結構固定，可以通過後臺的數控電路通過軟體的形式來靈活調整其組合方式，從而實現其電學參數的變化。
[0040]如考慮進一步削弱錐側面的磁場，可以考慮在錐側面圍上磁屏蔽材料層102，在錐頂處留開口。在線圈中心，還可放入不同的磁性材料103，更好地適應不同的用途及工作環境。如作為磁發射裝置，還可以在裝置磁波發射方向後端放置永磁體104，實現磁波的後向屏蔽。
[0041]圖2a為所述實施例中雙螺旋線圈單元片實例的平面示意圖。如圖所示，該單元為雙層電路板，中心設有通孔201，上下兩層分別布置螺旋線202和203，圖中分別用實線與虛線表示。螺旋線分布不限於圖中所示樣式，可以根據系統需求進行設計。螺旋線寬也不限於圖中所示的恆寬線圈，比如可以在設置內部螺旋線設置較細，而外部螺旋線較寬來調整螺旋線圈片單元上的阻抗分布。兩個螺旋線內端在204處相連通，引出的外部接頭205分別作為該片單元的正極和負極，供多個單元之間組合相連接使用。圖2b是本實施例所述雙螺旋線單元片的一個印刷電路板實例圖。
[0042]若干個雙螺旋線圈單元片組合成錐形結構可以實現磁能的聚焦定向發射。圖3解釋了這種排列方式如何實現磁場的聚焦定向的原理。如圖，為簡便，我們僅考慮兩個半徑不同的雙螺旋線圈單元片最外端螺旋線。根據安培定律，圖中兩個螺旋線形成的磁場方向在用「X」 「 」標註出來(「X」表示磁場方向垂直紙面向內，「 」表示磁場方向垂直紙面向外)。可以看到，在靠近中心區域，兩個線圈形成的磁場同向。而兩個線圈之間的部分磁場異向，因此該區域的磁場被削弱。因此，結合圖1的組合模塊來看，當多個半徑遞減的圓片單元組成類似錐形型結構時，錐側面部分由於相鄰圓片的線圈形成磁場相抵消，其合成磁場是較弱的，而在錐頂區域為磁場最強處，從而可以實現磁場的定點發射。
[0043]由上面分析不難看出，裝置合成錐體的外形包絡影響磁波發射的旁瓣分布。圖1所示的組合整體為線性錐體，實際中也可以設計為其它非線性錐體，例如圖4a凹錐體和圖4 b所示的凸錐體，來調節該裝置磁場旁瓣的抑制和分布情況。
[0044]所述基於雙螺旋線圈單元片的可控寬頻磁波波束形成裝置，還可以將多個雙螺旋單元片或其組合在空間分布放置，並使多個裝置的輻射方向匯聚，以進一步加強波束的聚焦，圖5為所述放置方式的示意圖。
【權利要求】
1.一種可控的寬頻磁波波束形成裝置，其特徵在於由若干個雙螺旋線圈單元片疊加而成。
2.根據權利要求1所述裝置中的雙螺旋線圈單元片，其特徵在於正反面各布置有螺旋線圈的雙層電路板，板面中心設有內孔。所述雙螺旋線圈單元片的螺旋線，其形狀、匝數、匝距、線寬等參數可以由電路設計軟體精確設置。其中螺旋線的形狀不限於基於圓形的多重曲線，還可以基於是三角形，方形，多邊形甚至是其它任意形狀的多重曲線；螺旋線的線寬不限於同一寬度，可以在不同位置設置不同線寬以調整螺旋線圈單元片上的阻抗分布。所述雙層電路板的外形或中心內孔也可以根據需求調整為其它任意形狀。
3.根據權利要求2所述的雙螺旋線圈單元片中，其特徵在於兩個面的螺旋線在靠中心內端相連通，外端分別作為該片單元的正負極，供多個單元互聯。正負極接入電路後，從單元的一個面看上去，應保證單元兩面螺旋線中電流的環流方向相同(同為順時針或逆時針)，從而使正反兩個面的螺旋線圈生成的磁場方向相同，實現磁場疊加增強。螺旋線圈單元片還可以選用多層電路板布置多層線圈，滿足對高集成度要求的場景；還可以選用柔性電路板材料進行加工，滿足對線圈形變有一定可塑性要求的應用場景。
4.根據權利要求2所述的雙螺旋線圈單元片間可以串聯，並聯以及混聯的方式組合，從而可以靈活調節組合整體的電阻、電感和電容等電學參數，並且組合方式通過接入數控電路控制切換。雙螺旋線圈單元片間連接後仍應保證每個單元的電流方向一致，形成同向的磁場。
5.根據權利要求1所述可控的寬頻磁波波束形成裝置，其特徵在於不同大小的多個雙螺旋線圈單元片間進行組合，使其組合後的外形包絡為某種流型形狀，如錐體。組合整體的外形包絡控制磁波波束形成的旁瓣分布。每個單元內孔形狀和大小可以根據需求設置，以控制磁波波束形成的主瓣特性。其組合整體的錐側面可以圍上磁屏蔽材料層，進一步削弱磁場旁瓣並加強發射主瓣能量的匯聚。還可以在裝置磁波發射方向後端放置永磁體來施加恆定磁場偏置。所述寬頻磁波波束形成裝置，不限於當做磁波的發射端，也可以作為接收端使用，將磁轉化為電。為更好地適應不同的用途及工作環境，在線圈中心，還可放入不同的磁性材料。可以將多個雙螺旋線圈單元片按照一定空間位置組合，使磁波主瓣變強。還可以將所述磁波波束形成裝置按照一定空間位置組合，使多個裝置的磁波主瓣匯聚。
6.根據權利要求1所述的可控寬頻磁波波束形成裝置，其特徵在於: (1)可以精確設計雙螺旋線圈單元片上的螺旋線形狀、匝數、匝距、線寬等參數，且同一螺旋線圈上的線寬可以不同，從而實現對裝置的阻抗分布、電流、磁場強度等的控制； (2)可以設置雙螺旋線圈單元片之間的串聯、並聯方式，調節組合整體的電阻、電感等參數，從而實現諧振頻率尤以及頻率帶覽度1勺控制； (3)可以通過設置雙螺旋線圈單元片內孔的形狀和大小，使不同集束的磁場通過，實現磁波主瓣形狀和大小的控制； (4)可以通過設計組合裝置整體的外部包絡形狀，實現磁波旁瓣分布的控制； (5)可以通過設置組合裝置整體的厚度、單元片數量，大小，實現對裝置功率的調節，從而控制磁波發射的距離； (6)多個所述裝置可以在空間按特定位置排列，使多個裝置的主瓣匯聚，進一步加強磁場的聚焦。
【文檔編號】H01Q19/00GK104485507SQ201410742577
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月5日 優先權日:2014年12月5日
【發明者】韋崗, 李 傑, 曹燕 申請人:廣州豐譜信息技術有限公司