CN107681792B - 一种移动中微波无线供能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动中微波无线供能系统。包括具备微波能量发射功能的发射波导和具备微波能量接收功能的接收波导，发射波导固定，接收波导安装在移动物体上，具体是在两波导相对面构造具有表面等离子激元效应的周期凹槽结构，由表面等离子激元将发射波导内的能量无线耦合至接收波导，接收波导在靠近并沿着发射波导长度方向移动的过程中，可以持续从接收波导中耦合获得微波能量。本发明系统可直接利用微波波导进行移动物体如汽车的能量无线获取，同时可以避免环境辐射影响问题。
Description
技术领域
本发明涉及了一种无线供能系统，尤其涉及了一种移动中微波无线供能系统。
背景技术
电磁无线能量传输技术是借助于电磁场实现能量由发送端至接收端的非接触的能量供给技术。在科技日益发展的今天，一些移动设备如手机、电动车等对电能的需求越来越高，而无线能量传输技术可以使设备脱离电线的困扰，实现设备的无尾化，甚至在一些恶劣环境条件下是最佳的供能解决方案。
现有的电磁无线能量传输方式主要分为三类：电磁感应技术、磁耦合谐振技术和电磁辐射技术。电磁感应技术在低频下通过磁场耦合实现无线能量传输，作用距离近。而磁耦合谐振式无线能量传输方式通过非辐射的交变磁场进行能量传输，只在同频的谐振耦合装置交换能量，作用距离较远。这两种方式都在低频下工作并实现大功率的无线传输，但是磁场作用范围无法精确控制，并不能实现远距离的无线能量传输。电磁辐射技术通过天线收发高频无线信号来传递能量，辐射指向性高、可以实现较远距离的传输，但是传输功率很低，无法用于高功率设备的供能。基于以上考虑，本发明提出了一种新型微波移动中的高功率供能方法，具有泄漏辐射小、功率容量大、无线能量传输效率高等优点。因为无线能量传输技术的应用前景十分广阔，本发明不仅可以应用于电动车的充电系统、无线传感器网络及射频识别技术等方面，还在家用电器、移动设备、交通工具、航空航天、医疗器械等领域有极大的应用价值。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种移动中微波无线供能系统，利用波导结构耦合能量来给移动中设备持续提供能量的微波无线供能，可使移动设备在移动中持续地获取能量。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括具备微波能量发射功能的发射波导和具备微波能量接收功能的接收波导，发射波导固定，接收波导安装在移动物体上，发射波导发射的微波能量信号被接收波导接收并转化为直流能量，接收波导沿着发射波导纵向移动从而保持微波能量信号的持续从发射波导接收。
具体实施中，发射波导设置在能量发射装置安装表面，例如地面，接收波导安装在移动物体中，例如汽车等交通工具。
具体实施中，在地面设置多个依次衔接布置的发射波导，并可在移动物体中安装多个接收波导。
所述的发射波导和接收波导均为矩形横截面的中空管状金属结构，接收波导正对地布置在发射波导上方，发射波导和接收波导矩形横截面的顶边和底边为长边，发射波导矩形横截面的水平两侧边为短边；
在发射波导上表面和接收波导下表面设有平行于波导矩形横截面长边的多个条状金属凸起，多个条状金属凸起间隔均匀分布在发射波导顶面，相邻条状金属凸起之间形成金属间隔凹槽，两个条状金属凸起之间的周期间距为微波能量信号的半波长；发射波导上表面和接收波导下表面均开有矩形孔，矩形孔的长边平行于波导矩形横截面的长边，矩形孔的短边沿发射波导长度延伸方向，矩形孔的长边长度为微波能量信号的半波长，矩形孔的短边长度为微波能量信号的十分之一波长，矩形孔是布置在金属间隔凹槽处。
由上述结构在两波导相面构造出具有表面等离子激元效应的周期凹槽结构。发射波导上表面和接收波导下表面保持距离，接收波导经过发射波导，发射波导中的微波能量通过自身的矩形孔耦合到自身的金属间隔凹槽结构中，经表面等离子激元效应并被接收波导的金属间隔凹槽结构接收，然后经接收波导的矩形孔耦合入接收波导中。最终由表面等离子激元将发射波导内的能量无线耦合至接收波导，在接收波导靠近并沿着发射波导长度方向移动的过程中，可以持续从接收波导中耦合获得微波能量。
所述发射波导的一端接交流信号源，另一端接功率检测器，功率检测器连接交流信号源，通过功率检测器控制交流信号源的输出功率进而来控制发射波导所发出微波能量的功率；由发射波导、交流信号源和功率检测器构成能量发射装置。
所述接收波导的顶面插装有两个波导探针的一端，两个波导探针的另一端与交直流转换电路连接，交直流转换电路和充电电路连接。由接收波导、波导探针、交直流转换电路和充电电路构成能量接收装置。
能量发射装置中发射波导中的微波能量通过表面上的矩形孔耦合到外表面。波导外表面是由条状金属凸起和金属间隔凹槽构成的周期性凹槽结构，它使得矩形孔耦合出的能量在附近凹槽结构中均匀分，形成表面等离子激元效应。
能量接收装置中，接收波导的下表面周期性凹槽结构利用表面等离子激元效应可将发射波导金属表面上的能量耦合接收，并通过矩形孔耦合进接收波导。
更进一步的，能量发射装置在表面下纵向排列，能量接收装置安装在移动物体中沿着表面纵向移动。发射波导的小孔和接收波导的小孔不必正对，在移动过程中能量接收装置可以通过表面等离子激元效应持续地耦合获得能量。
更进一步的，能量发射装置中的功率检测器可以连续地检测微波信号源输入的功率经过发射波导后的剩余功率。当系统工作时，微波信号源首先处于发射功率很低的微功率模式。当有能量接收装置在附近时，功率检测器所探测到的功率值下降，进而控制微波信号源，使其切换到高功率模式工作。当能量接收装置离开能量发射装置时，功率检测器根据检测到的功率值的变化控制微波信号源，使其重新切换到微功率模式工作。
本发明优点在于：
1、本发明提供了一种利用微波信号无线收发能量的装置，其利用表面等离子激元效应可以实现高功率微波能量的无线传输，功率可达500-2000W；
2、本发明的能量接收装置可以在能量发射装置附近纵向任意位置获得有效的微波能量，因此可以在移动中实现有效无线能量传输。
3、本发明的无线能量收发装置为波导结构，构造简单，易于部署和实施。
附图说明
附图1是本发明系统结构示意图。
附图2是本发明的发射波导和接收波导的矩形孔和表面凹槽结构示意图。
附图3是移动中无线能量收发装置的实施示意图。
图中：1.能量发射装置，2.能量接收装置，3.发射波导，4.接收波导，5.发射波导上表面，6.接收波导下表面，7.微波信号源，8.功率检测器，9.波导探针，10.交直流转换电路，11.充电电路，12.能量发射装置安装表面，13.移动物体；501.发射波导矩形孔，502.发射波导表面金属凸起，503.发射波导表面金属间隔凹槽；601.接收波导矩形孔，602.接收波导表面金属凸起，603.接收波导表面金属间隔凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
如图1所示，本发明包括用于向外发射能量的能量发射装置1、能量接收装置2用于接收能量发射装置1的能量，能量发射装置1设有发射波导3、微波信号源7和功率检测器8。能量接收装置2设有接收波导4、探针9、交直流转换电路10和充电电路11。交直流转换电路10用于将通过探针9接收到的交流电转换成直流电，输送给充电电路11。
如图1所示，发射波导3和接收波导4均为矩形横截面的中空管状金属结构，接收波导4正对地布置在发射波导3上方，发射波导3和接收波导4矩形横截面的顶边和底边为长边，发射波导3矩形横截面的水平两侧边为短边。
如图2所示，在发射波导上表面5和接收波导下表面6设有平行于波导矩形横截面长边的多个条状金属凸起502、602，多个条状金属凸起间隔均匀分布在发射波导3顶面，相邻条状金属凸起502、602之间形成金属间隔凹槽503、603，两个条状金属凸起502、602之间的周期间距为微波能量信号的半波长；发射波导上表面5和接收波导下表面6均开有矩形孔501、601，矩形孔601用于接收发射波导3发射的能量；矩形孔的长边平行于波导矩形横截面的长边，矩形孔的短边沿发射波导3长度延伸方向，矩形孔的长边长度为微波能量信号的半波长，矩形孔的短边长度为微波能量信号的十分之一波长，矩形孔501、601是布置在金属间隔凹槽503、603处。
具体实施中，发射波导3上间隔布置有多个发射波导矩形孔501，发射波导矩形孔501是等间隔设置在发射波导金属间隔凹槽503处；接收波导4上间隔布置有一个接收波导矩形孔601，接收波导矩形孔601是设置在接收波导下表面6中间的接收波导金属间隔凹槽603处。矩形孔501和矩形孔601的宽度均5mm。
如图2所示，将能量发射装置1铺设在路面12以下且保证发射波导3的凹槽502、503朝上，而将接收波导4安装在电动汽车13上，同时保证接收波导4的凹槽602、603朝下。
如图1所示，发射波导3的一端接交流信号源7，另一端接功率检测器8，功率检测器8连接交流信号源7，通过功率检测器控制交流信号源7的输出功率来控制发射波导3所发出微波能量的功率；由发射波导3、交流信号源7和功率检测器8构成能量发射装置1。
如图1所示，接收波导4的顶面插装有两个波导探针9的一端，两个波导探针9的另一端与交直流转换电路10连接，交直流转换电路10和充电电路11连接。由接收波导4、波导探针9、交直流转换电路10和充电电路11构成能量接收装置2。
具体实施中，多个发射波导按照延伸方向周期布置，每个发射波导的矩形孔和金属间隔凹槽结构朝向上方。接收波导安置在移动物体中，并保持在发射波导上方一定距离处，矩形孔和金属间隔凹槽朝下。在接收波导沿着发射波导纵向移动的过程中，可以持续地通过波导表面的周期凹槽结构和矩形孔收发能量，实现移动中微波能量的传输。
请参见图1，微波功率源发射如2.4GHz的厘米波信号，并可切换工作在微功率模式和高功率模式。微功率模式输出功率可低于100mW，高功率模式可达500-2000W。
微波功率源7发射的功率进入发射波导1，2.4GHz频率下发射波导1的尺寸为WR430标准矩形波导。进入发射波导中1的微波功率一部分被能量接收装置2接收，另一部分能量被功率检测器8检测接收。具体根据能量接收装置2的移动情况分为以下几种情况：
当系统工作时，微波信号源7首先处于发射功率很低的微功率模式。
当有能量接收装置2在附近时，功率检测器8所探测到的功率值下降，进而控制微波信号源7，使其切换到高功率模式工作。
当能量接收装置2离开能量发射装置1时，功率检测器8根据检测到的功率值的变化控制微波信号源7，使其重新切换到微功率模式工作。
能量发射装置1中，波导外表面是由条状金属凸起502和金属间隔凹槽503构成的周期性凹槽结构，金属凸起按周期60mm排列。它使得矩形孔501耦合出的能量在附近凹槽结构中均匀分，形成表面等离子激元效应。
能量接收装置2中，波导外表面是由条状金属凸起602和金属间隔凹槽603构成的周期性凹槽结构，条状金属凸起按周期间隔60mm排列。此周期性凹槽结构利用表面等离子激元效应可将发射波导3金属表面5上的能量耦合接收，并通过矩形孔601耦合进接收波导4。
请参见图3，图3是移动中无线能量收发装置的实施示意图。
能量发射装置1可以铺设在为路面的表面12下纵向排列，能量接收装置2安装在如汽车或等移动物体13中沿着表面12纵向移动。
具体实施中，交流信号源7采用锁相环振荡电路产生2.4GHz信号，并用多级微波放大器放大功率，发出高功率微波能量信号。所发射信号功率可被功率检测器8在一定范围内调节，功率检测器具备一个功率检测二极管，可以从波导另一侧接收功率，并根据功率大小控制多级微波功率放大器的直流偏置电路来调节放大器的增益。能量进入发射波导3内部中空腔中传输。发射波导3上表面的矩形孔附近由于波导内能量的存在而形成无法辐射的倏逝场。发射波导3上表面的金属间隔凹槽结构与倏逝场耦合到发射波导3上表面的金属中。由于金属凹槽结构的间距为2.4GHz微波频率的半波长，它的选频谐振效应使得倏逝场信号发生谐振，从而将波导内能量转移到波导外表面。同时由于金属凹槽为半开放谐振结构，顶部开放空间的存在将耦合获得的倏逝场变为发射波导3上表面的表面波实现等离子激元效应,从而将波导3空腔中的能量耦合出来。发射波导3发出的能量会达到接收波导4的下表面，两表面之间距离在小于60mm范围内可以变动。接收波导4的下表面也具备金属间隔凹槽结构，获取的2.4GHz电磁波能量在金属凹槽内谐振形并形成等离子激元效应，经接收波导4的矩形孔耦合入接收波导4内部的中空腔内实现能量接收。接收波导4内部获取的能量在波导空腔传输后被波导内另一侧的探针9接收形成交流电并传导到交直流转换电路10。交直流转换电路10将接收到的高频交流信号经由二极管电路转换成直流电滤波后输送给充电电路11。
为了提高汽车接收到的功率，可以多个能量接收装置2并联使用，如图3中为3个能量接收装置2并联与交直流转换电路10连接，交直流转换电路10输出直流能量给充电电路11进行电池的直流充电。
Claims (2)
1.一种移动中微波无线供能系统，其特征在于：包括具备微波能量发射功能的发射波导(3)和具备微波能量接收功能的接收波导(4)，发射波导固定，接收波导安装在移动物体上，发射波导发射的微波能量信号被接收波导接收并转化为直流能量，接收波导沿着发射波导纵向移动从而保持微波能量信号的持续从发射波导接收；
所述的发射波导(3)和接收波导(4)均为矩形横截面的中空管状金属结构，接收波导(4)正对地布置在发射波导(3)上方；在发射波导上表面(5)和接收波导下表面(6)设有平行于波导矩形横截面长边的多个条状金属凸起(502、602)，多个条状金属凸起间隔均匀分布在发射波导(3)顶面，相邻条状金属凸起(502、602)之间形成金属间隔凹槽(503、603)，两个条状金属凸起(502、602)之间的周期间距为微波能量信号的半波长；发射波导上表面(5)和接收波导下表面(6)均开有矩形孔(501、601)，矩形孔的长边平行于波导矩形横截面的长边，矩形孔的短边沿发射波导(3)长度延伸方向，矩形孔的长边长度为微波能量信号的半波长，矩形孔的短边长度为微波能量信号的十分之一波长，矩形孔(501、601)是布置在金属间隔凹槽(503、603)处；
所述发射波导(3)的一端接交流信号源(7)，另一端接功率检测器(8)，功率检测器(8)连接交流信号源(7)，通过功率检测器控制交流信号源(7)的输出功率进而来控制发射波导(3)所发出微波能量的功率；所述接收波导(4)的顶面插装有数个波导探针(9)的一端，数个波导探针(9)的另一端与交直流转换电路(10)连接，交直流转换电路(10)和充电电路(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种移动中微波无线供能系统，其特征在于：所述的发射波导上表面(5)和接收波导下表面(6)保持距离正对放置，发射波导(3)中的微波能量通过自身的矩形孔耦合到自身的金属间隔凹槽结构中，并被接收波导(4)的金属间隔凹槽结构接收，然后经接收波导(4)的矩形孔耦合入接收波导(4)中。
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