CN108565986B - 一种无线能量传输方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线能量传输方法及结构，属于无线能量传输技术领域。所述方法包括：提供基底；形成多个单元结构，将形成的多个单元结构在基底上周期性排列一层或者两层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构；采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构的超表面，使各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，并进行无线能量传输。本发明中，通过形成含有狄拉克点的无线能量传输结构，并采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构的超表面，从而产生均匀稳定的磁场，进而保证了无线能量以均匀的传输功率进行传输，并且传输距离远范围大。

Description

一种无线能量传输方法及结构

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，尤其涉及一种无线能量传输方法及结构。

背景技术

在传统的供电系统中，一直以电线作为媒介，进行高效率的能量输送，这让我们的生活和工作越来越便捷。但由于人们日益增高的物质需求，电子设备的工作环境也越来越复杂，尤其是在易燃易爆等恶劣环境下，有线的供电网络容易受到破坏而产生诸多安全隐患；同时，有线供电网络还存在设备移动性差、视觉环境不美观、供电暴露等问题；并且在海洋岛屿、偏远深林等地区，使用有线传输能量施工困难，维护成本高。因此，无线能量传输技术应运而生，并且在电动汽车、工业机器人、航空航天、军事、油田矿井、水下作业、生物医学、无线传感网络等领域均有广阔前景。在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线能量传输技术被列为“10项引领未来的科学技术”之一。

无线能量传输(Wireless Power Transmission，WPT)，顾名思义就是采用微波、激光、磁耦合共振等方式而非传输线来进行能量的输送。1899年，Nicola Tesla首先做过远距离无线能量传输实验，通过容性感应方式使灯泡发光，但是由于技术和资金的限制，该实验并没有继续下去。随着需求和技术的发展，无线传输技术得到了飞速发展。从能量传输原理上看，无线能量传输可以分为辐射式与非辐射式；其中，辐射式包括微波传输和激光传输两种，非辐射式包括磁感应耦合和磁谐振耦合两种。微波能量传输原理成熟，传输功率大，可实现中远距离的传输，但是由于其要求精准的定位技术、大尺寸的天线设备，传输效率低且容易产生电磁干扰，使得微波式无线能量传输技术的发展受到一定的限制。激光能量传输由于具有激光光束的特性，非常适合于空间应用，但是波长短且受大气影响严重，所以传输效率较低。非辐射的两种方式在近距离情况下可以获得较理想的传输效率，而随着传输距离的增加，其效率迅速下降，在较远距离情况下能量损耗比较严重。磁感应耦合式无线能量传输(Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer,MCI-WPT)又分为两种传输形式：容性感应式和感性感应式。该技术将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在其中一个线圈中流动时，根据电磁感应原理，会在另一个线圈回路中产生电流，不需要用导线连接两个线圈。感应式耦合的传输效率以1/d³的速度衰减，其中d为接收线圈和发射线圈之间的距离。所以感应式耦合目前只适用于毫米级别的短距离传输。

为了克服辐射式无线能量传输和感应耦合无线能量传输的缺陷，磁谐振耦合式无线能量传输(Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)应运而生。2007年，MIT的Marin教授团队在Science期刊[Science,317,83(2007)]上发表文章，利用磁谐振耦合技术点亮了2米外的60W灯泡，系统传输效率可以达到50％。该技术通过次级线圈自身电感性和并接电容与同样架构的初级线圈产生电磁共振实现耦合，实现了电能无线传输的突破。由功率源在激励线圈上产生交变电流；然后激励线圈通过感应耦合传输能量发射谐振线圈，由于接收谐振线圈与发射谐振线圈工作在同一频率，故接收谐振线圈通过磁场从发射谐振线圈获得能量；最后，接收谐振线圈通过感应耦合传到负载线圈给灯泡供电。相比于磁感应耦合无线能量传输系统，该技术传输距离更远，由于其工作原理是采用磁谐振耦合，所以在传输能量时没有特定的方向性，且对周围环境的电磁干扰和人体组织的伤害能减小很多。人们通过针对强耦合区、适耦合区、弱耦合区的特点来进行优化：通过控制电路追踪频率的变化，利用平行反向线圈来提高传输效率；通过增加中继耦合谐振线圈，优化阻抗匹配参数来增加传输距离。

而随着超材料的迅速发展，其新颖的电磁特性引起了科研工作者的兴趣，并将其应用到磁谐振耦合无线能量传输系统中。其中，超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过对其内部结构和排序的设计，得到电磁参数不都为正的材料以实现天然材料所没有的性质，如负折射、负反射、逆多普勒效应等。Wang等人利用超材料对消逝波的放大作用，实现传输功率从17％增加到47％。Yan等人将超材料结构放置于发射端和接收端之间，使得传输效率随传输距离的增加而下降缓慢。虽然他们都能增加系统功率，但是在电磁耦合传输过程中，不能保证会有均匀的磁场，因而也就不能保证均匀的功率传输。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种无线能量传输方法及结构。

一方面，本发明提供一种无线能量传输方法，包括：

提供基底；

形成多个单元结构，将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列一层或者两层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构；

采用频率为所述狄拉克点对应的谐振频率的源激发所述无线能量传输结构的超表面，使各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，并进行无线能量传输。

可选地，所述形成多个单元结构，具体为：分别对多根首尾不相连的金属丝进行多重缠绕形成对应的中心镂空的六边形，得到多个单元结构；

可选地，将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列一层形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，具体为：依次将六个单元结构互不重叠的、周期性的在所述基底上排列一层，形成多个六边微结构，且任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，所述多个六边微结构构成含有狄拉克点的超表面，并将基底及其上的超表面作为无线能量传输结构；

将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列两层形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，具体为：依次将六个单元结构互不重叠的、周期性的在所述基底上排列两层形成多个六边微结构，且同一层中任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，两层中任意相同位置的两个单元结构的金属丝缠绕方向相反，所述多个六边微结构构成含有狄拉克点的超表面，并将所述基底及其上的超表面作为无线能量传输结构。

可选地，当将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列两层形成含有狄拉克点的超表面时，还包括：在各单元结构的初始边上形成连接结构，通过所述连接结构与不同层中相同位置的单元结构相连。

可选地，该方法还包括：在得到的无线能量传输结构上继续形成一个或者多个无线能量传输结构，得到多层无线能量传输结构，并通过所述多层无线能量传输结构进行无线能量传输。

可选地，所述在得到的无线能量传输结构上继续形成一个或者多个无线能量传输结构时，按照各无线能量传输结构中相同位置的单元结构的金属丝缠绕方向相同的方式排列各单元结构。。

另一方面，本发明提供一种适用于本发明的一方面所述方法的无线能量传输结构，包括：

基底；

形成于所述基底上的超表面；

所述超表面包括形成有狄拉克点的一层或者两层多个周期性排列的单元结构。

可选地，所述单元结构具体为：首尾不相连的金属丝多重缠绕而成的中心镂空的六边形；

可选地，所述超表面具体包括：一层多个由六个所述单元结构互不重叠、周期性排列而成的六边微结构，且任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构；

或者，

所述超表面具体包括：两层多个由六个所述单元结构互不重叠、周期性排列而成的六边微结构，且同一层中任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，两层中任意相同位置的两个单元结构的金属丝缠绕方向相反。

可选地，当所述超表面包括形成有狄拉克点的两层多个周期性排列的单元结构时，各单元结构的初始边上还包括：用于连接不同层相同位置的单元结构的连接结构。

可选地，两个或者多个所述无线能量传输结构层叠构成多层无线能量传输结构。

可选地，所述多层无线能量传输结构的各层无线能量传输结构中，相同位置的单元结构的金属丝缠绕方向相同。

本发明的优点在于：

本发明中，通过在基底上形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，并采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构中的超表面，使得超表面等效为介电常数为0的零折射率材料，而多重缠绕的线圈等效为磁偶极子，使得各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，从而保证了无线能量以均匀的传输功率进行传输，并且传输距离远范围大；同时，可以通过调节单元结构中金属线圈的缠绕圈数及缠绕周期来灵活的调节谐振频率的高低，扩大了其应用范围。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1为本发明提供的一种无线能量传输方法流程图；

附图2为本发明提供的第一种单元结构的示意图；

附图3为本发明提供的第一种无线能量传输结构的示意图；

附图4为附图3的局部放大图；

附图5为本发明提供的第二种单元结构的示意图；

附图6为本法提供的第二种无线能量传输结构的局部放大图；

附图7为本发明提供的第一种多层无线能量传输结构的局部放大图；

附图8为本发明提供的第二种多层无线能量传输结构的局部放大图；

附图9为本发明提供的第三种多层无线能量传输结构的局部放大图；

附图10为本发明提供的第四种多层无线能量传输结构的局部放大图；

附图11为本发明提供的第二种无线能量传输结构仿真试验中的能带示意图；

附图12为本发明提供的第二种无线能量传输结构仿真试验中的场分布示意图；

附图13为本发明提供的第一种无线能量传输结构在仿真过程中的场分布示意图；

附图14为本发明提供的无线能量传输结构在仿真过程中不同谐振频率时的磁场分布示意图；

附图15为本发明提供的第一种无线能量传输结构在仿真试验中的能带示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

根据本发明的实施方式，提供一种无线能量传输方法，如图1所示，包括：

步骤101：提供基底；

根据本发明的实施方式，基底的材料类型可以根据需求自行选定；优选地，在本实施例中，基底为相对介电常数为2.55的材料，例如为聚四氟乙烯。

步骤102：形成多个单元结构，将形成的多个单元结构在基底上周期性排列一层或者两层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构；

本发明中，形成多个单元结构具体为：分别对多根首尾不相连的金属丝进行多重缠绕形成对应的中心镂空的六边形，得到多个单元结构；

其中，金属丝具体为具有导电性的金属丝，例如铝丝、铁丝等；需要指出地，金属丝的宽度、缠绕圈数以及缠绕形成的各线圈之间的间隔，与后续形成的超表面中的狄拉克点对应的谐振频率相关，其均可根据需求自行设定，从而灵活的调节狄拉克点对应的谐振频率；例如，在本实施例中，如图2所示的单元结构，金属丝的宽度为0.4mm，缠绕圈数为15圈，缠绕形成的各线圈之间的间隔为0.3mm，缠绕周期(相邻的两个线圈中心之间的距离)为0.7mm，最终形成的六边形的最外侧相对的两条边之间的距离为30mm。

对应地，将形成的多个单元结构在基底上周期性排列一层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，具体为：依次将六个单元结构互不重叠的、周期性的在基底上排列一层，形成多个六边微结构，且任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，形成的多个六边微结构构成含有狄拉克点的超表面，并将基底及其上的超表面作为无线能量传输结构；其中，无线能量传输结构的示意图如图3所示，其局部放大图如图4所示。

对应地，将形成的多个单元结构在基底上周期性排列两层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，具体为：依次将六个单元结构互不重叠的、周期性的在基底上排列两层形成多个六边微结构，且同一层中任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，两层中任意相同位置的两个单元结构的金属丝缠绕方向相反，多个六边微结构构成含有狄拉克点的超表面，并将基底及其上的超表面作为无线能量传输结构；

根据本发明的实施方式，当将形成的多个单元结构在基底上周期性排列两层形成含有狄拉克点的超表面时，还包括：在各单元结构的初始边上形成连接结构，通过连接结构与不同层中相同位置的单元结构相连；其示意图及局部放大图如图5所示；

进一步地，将形成的多个单元结构在基底上周期性排列两层，形成的对应的无线能量传输结构的局部放大图如图6所示。

需要指出地，超表面是一种具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性排列所构成的人工材料，本发明中，通过设计超表面结构，得到能产生狄拉克点的超表面，并将其用于无线能量传输媒介，从而实现了后续均匀稳定的磁场耦合。

进一步地，该方法还包括：在得到的无线能量传输结构上继续形成一个或者多个无线能量传输结构，得到多层无线能量传输结构，并通过多层无线能量传输结构进行无线能量传输。

更进一步地，在得到的无线能量传输结构上继续形成一个或者多个无线能量传输结构时，按照各无线能量传输结构中相同位置的单元结构的金属丝缠绕方向相同的方式排列各单元结构；

其中，当得到的无线能量结构中，多个单元结构在基底上周期性排列一层时，对应地，在得到的无线能量传输结构上继续形成一个无线能量传输结构，得到的对应的多层无线能量传输结构，其示意图如图7所示；在得到的无线能量传输结构上继续形成多个无线能量传输结构，得到的对应的多层无线能量传输结构，其示意图如图8所示。

当得到的无线能量结构中，多个单元结构在基底上周期性排列两层时，对应地，在得到的无线能量传输结构上继续形成一个无线能量传输结构，得到的对应的多层无线能量传输结构，其示意图如图9所示；在得到的无线能量传输结构上继续形成多个无线能量传输结构，得到的对应的多层无线能量传输结构，其示意图如图10所示。

步骤103：采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构的超表面，使各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，并进行无线能量传输。

具体地，在采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构的超表面时，超表面等效为介电常数为0的零折射率材料，多重缠绕的线圈等效为磁偶极子，使得各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，并进行无线能量传输。

为进一步说明在采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构的超表面时，超表面等效为介电常数为0的零折射率材料，本发明中，给出对图6所示的无线能量传输结构进行仿真的实验结果，其能带图如图11所示；从能带图中找出在布里渊区的边界处(K点)的线性交叉点，即为狄拉克点，如图11中所圈出的点P，该点在能带图中所对应的纵坐标即为对应的谐振频率。同时，在狄拉克点处有两条能带线相交，说明有二重模式简并，其场分布图如图12所示；进一步地，对图4所示的无线能量传输结构进行仿真实验中的场分布图如图13所示；可见，在采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发超表面时，超表面等效为介电常数为0的零折射率材料。

进一步地，为体现步骤103中产生均匀且稳定的磁场，本发明中同样给出仿真的实验结果，在对超表面设置一个频率为狄拉克点对应的谐振频率的源进行激发时，得到附图14中(1)所示的磁场分布图，而分别在狄拉克点对应的谐振频率的左右任取一频率时，分别得到附图14中(2)和(3)所示的磁场分布图。从(1)、(2)、(3)中可以看出，在谐振频率处，磁场分布几乎均匀且稳定；而在其它频率点处，磁场的分布都具有一定方向性，这必然会对磁场耦合以及能量的传输造成影响。对于无线能量传输而言，均匀且稳定的磁场分布不仅使得传输范围变大，而且使得在不同地点的能量接收端都能接收到相同相位的均匀磁场。

更进一步地，本发明中，当多个单元结构在基底上周期性排列两层时，其对应的无线能量传输结构中狄拉克点对应的谐振频率，低于当多个单元结构在基底上周期性排列一层时，对应的无线能量传输结构中狄拉克点对应的谐振频率。如图15所示的当多个单元结构在基底上周期性排列一层时，对应的无线能量传输结构的能带示意图，狄拉克点M对应的谐振频率高于附图11中狄拉克点P对应的谐振频率。

本发明中，通过在基底上形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，并采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构中的超表面，使得超表面等效为介电常数为0的零折射率材料，而多重缠绕的线圈等效为磁偶极子，使得各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，从而保证了无线能量以均匀的传输功率进行传输。

实施例二

根据本发明的实施方式，提供一种适用于实施例一所述方法的无线能量传输结构，包括：

基底；

形成于基底上的超表面；超表面包括形成有狄拉克点的一层或者两层多个周期性排列的单元结构。

根据本发明的实施方式，单元结构具体为一根首尾不相连的金属丝多重缠绕而成的中心镂空的六边形；

在本实施例中，金属丝具体为具有导电性的金属丝，例如铝丝、铁丝等；金属丝的宽度、缠绕圈数以及缠绕形成的各线圈之间的间隔，均可根据需求自行设定；例如，在本实施例中，金属丝的宽度为0.4mm，缠绕圈数为15圈，缠绕形成的各线圈之间的间隔为0.3mm，缠绕周期(相邻的两个线圈中心之间的距离)为0.7mm，最终形成的六边形的最外侧相对的两条边之间的距离为30mm。

对应地，超表面具体包括：一层多个由六个单元结构互不重叠、周期性排列而成的六边微结构，且任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构；

或者，

超表面具体包括：两层多个由六个单元结构互不重叠、周期性排列而成的六边微结构，且同一层中任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，两层中任意相同位置的两个单元结构的金属丝缠绕方向相反。

根据本发明的实施方式，当超表面包括形成有狄拉克点的两层多个周期性排列的单元结构时，各单元结构的初始边上还包括：用于连接不同层相同位置的单元结构的连接结构。

根据本发明的实施方式，两个或者多个无线能量传输结构层叠构成多层无线能量传输结构。

进一步地，多层无线能量传输结构的各层无线能量传输结构中，相同位置的单元结构的金属丝缠绕方向相同。

更进一步地，包括一层多个周期性排列的单元结构的超表面对应的无线能量传输结构的狄拉克点对应的谐振谐振频率，低于包括两层多个周期性排列的单元结构的超表面对应的无线能量传输结构的狄拉克点对应的谐振频率。

需要指出地，本实施例中不在给出无线能量传输结构的示意图，其可参见实施例一中相关的附图。

本发明中，通过在基底上形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，并采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构中的超表面，使得超表面等效为介电常数为0的零折射率材料，而多重缠绕的线圈等效为磁偶极子，使得各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，从而保证了无线能量以均匀的传输功率进行传输，并且传输距离远范围大；同时，可以通过调节单元结构中金属线圈的缠绕圈数及缠绕周期来灵活的调节谐振频率的高低，扩大了其应用范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无线能量传输方法，其特征在于，包括：

提供基底；

形成多个单元结构，将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列一层或者两层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构；

将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列一层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，包括：依次将六个单元结构互不重叠的、周期性的在所述基底上排列一层，形成多个六边微结构，且任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，所述多个六边微结构构成含有狄拉克点的超表面，并将所述基底及其上的超表面作为无线能量传输结构；

将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列两层，形成含有狄拉克点的超表面，得到无线能量传输结构，包括：依次将六个单元结构互不重叠的、周期性的在所述基底上排列两层形成多个六边微结构，且同一层中任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，两层中任意相同位置的两个单元结构的金属丝缠绕方向相反，所述多个六边微结构构成含有狄拉克点的超表面，并将所述基底及其上的超表面作为无线能量传输结构；

采用频率为所述狄拉克点对应的谐振频率的源激发所述无线能量传输结构的超表面，使各单元结构同时通过磁谐振进行等相位相互耦合，产生稳定且均匀的磁场，并进行无线能量传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述形成多个单元结构，具体为：分别对多根首尾不相连的金属丝进行多重缠绕形成对应的中心镂空的六边形，得到多个单元结构。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当将所述多个单元结构在所述基底上周期性排列两层，形成含有狄拉克点的超表面时，还包括：在各单元结构的初始边上形成连接结构，通过所述连接结构与不同层中相同位置的单元结构相连。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在得到的无线能量传输结构上继续形成一个或者多个无线能量传输结构，得到多层无线能量传输结构，并通过所述多层无线能量传输结构进行无线能量传输。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在得到的无线能量传输结构上继续形成一个或者多个无线能量传输结构时，按照各无线能量传输结构中相同位置的单元结构的金属丝缠绕方向相同的方式排列各单元结构。

6.一种适用于权利要求1所述方法的无线能量传输结构，其特征在于，包括：

基底；

形成于所述基底上的超表面；

所述超表面包括形成有狄拉克点的一层或者两层多个周期性排列的单元结构。

7.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，

所述单元结构，具体为首尾不相连的金属丝多重缠绕而成的中心镂空的六边形；

所述超表面具体包括：一层多个由六个所述单元结构互不重叠、周期性排列而成的六边微结构，且任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构；

或者，

所述超表面具体包括：两层多个由六个所述单元结构互不重叠、周期性排列而成的六边微结构，且同一层中任意相邻的两个六边微结构共用两个单元结构，两层中任意相同位置的两个单元结构的金属丝缠绕方向相反。

8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于，当所述超表面包括形成有狄拉克点的两层多个周期性排列的单元结构时，各单元结构的初始边上还包括：用于连接不同层相同位置的单元结构的连接结构。

9.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，两个或者多个所述无线能量传输结构层叠构成多层无线能量传输结构。

10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述多层无线能量传输结构的各层无线能量传输结构中，相同位置的单元结构的金属丝缠绕方向相同。