一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线.pdf

本发明公开了一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线，包括两根以上铜线，两根以上铜线以球面螺旋线形状缠绕在泡沫球上，形成球面螺旋线天线，本发明以泡沫球为支撑体，将单极子天线绕成球面螺旋单极子天线，形成多臂球面螺旋单极子天线，这个电小天线以最小体积获得高辐射效率及有效的中距离无线能量传输。

权利要求书1.  一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线，其特征在于，包括两根以 上铜线，所述两根以上铜线以球面螺旋线形状缠绕在泡沫球上，形成球面螺旋 线天线。 2.  根据权利要求1所述的一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线，其 特征在于，所述铜线具体为二根、三根或四根铜线。 3.  根据权利要求1所述的一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线，其 特征在于，所述泡沫球的直径为30厘米。 4.  根据权利要求2所述的小天线，其特征在于，铜线具体为二根时，长度 为13.6米；铜线具体为三根时，长度为7.4米。

说明书一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线
技术领域
本发明涉及无线能量传输天线领域，特别涉及一种中距离无线能量传输球 面螺旋电小天线。
背景技术
目前，非固定用电装置(如井下挖掘、工厂吊装设备、轻轨电车等)的能量 供给均是线连接，电能传输方式存在设备移动灵活性不佳，同时可能出现环境 污染、工作干扰、不美观等隐患。尤其滑动和滚动接触取电方式伴随着机构磨 损，接触火花会在周边产生高频强电磁干扰，大电流载体不安全裸露等问题， 对供电安全和环境安全方面构成了威胁。
随着现今医疗技术的快速发展，科学家研究出用各种电子设备来弥补心脏、 肝脏、肾脏等人体器官的缺陷，甚至采用电子辅助设备维持这些器官正常工作， 使得器官移植等手术治疗方式已被愈来愈多的患者接受。如果能以非接触的供 能方式作用于器官移植的手术过程中，从体外为安装于患者体内的人工器官供 电，不仅可以避免损害皮肤和手术感染的风险，还可以在一定程度避免重复手 术给患者带来的痛苦，大幅提高器官移植患病者的生活质量。
综上所述，随着人们生产活动和生活范围的扩大、电气生产、生活设备及 特殊环境下的供电需求加速无线能量传输的出现，传统的接触式电能传输模式 已经不能满足现今各种用电需求，无线能量传输技术成为国际学术界瞩目的新 型能量传输技术。
无线能量传输包括近场短距离与中距离传输。短距离传输基于变压器原理 的电磁感应定律，目前技术已经成熟。中距离传输目前基于耦合模理论，技术 不成熟：(1)超过耦合模距离，效率下降，存在距离-效率问题。(2)中距离传 输的大间距，存在电磁泄露问题。(3)中距离传输需低频，存在大尺寸问题。 新的理论传输模型是解决问题的关键。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种中距离无线能量传 输球面螺旋电小天线。
本发明解决了现有技术中如下的问题：(1)基于球形模理论，电小天线辐 射效率越高，近场越强，近场范围越大，这样解决了距离-效率问题。(2)基于 电小天线理论，球面螺旋电小天线具有相对较高的辐射效率，这样不仅解决了 电小天线的辐射效率问题，还解决了电小天线辐射效率问题，同时电小天线具 有电抗近场范围大的特点，进一步解决了距离效率问题。
本发明采用如下技术方案：
一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线，包括两根以上铜线，所述两 根以上铜线以球面螺旋线形状缠绕在泡沫球上，形成球面螺旋线天线。
所述铜线具体为二根、三根或四根铜线。
所述泡沫球的直径为30厘米。
所述铜线具体为二根时，长度为13.6米；铜线具体为三根时，长度为7.4 米。
本发明铜线即天线臂的长度由由工作频率决定，工作频率越低，长度越长。 球天线的辐射效率由臂数目决定，臂越多，辐射效率越高。
本发明的有益效果：
1)巧妙地利用所有形状中球面形状体积最小，辐射表面积最大，也就是说 球面螺旋天线是辐射效率最佳，体积最小的电小天线；
(2)采用一臂激励，其它臂产生感应电流，形成多臂辐射，提高辐射面积， 进而提高辐射效率。
(3)根据球形模理论，电小天线辐射效率越高，无线能量传输效率就越高，
(4)馈电端口位于发射球形天线其中一辐射臂中点，接受50欧负载位于接 收球形天线其中一臂中点接，避免能量反射，馈电与负载的这种位置有利于阻 抗匹配。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图。
图3是本发明两实例能量传输效率(纵坐标PTE)与工作频率(f)曲线数据。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施 方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线，包括三根铜线， 三根铜线以球面螺旋线形状缠绕在直径为30厘米的泡沫球上形成三臂球面螺旋 线天线，所述铜线的长度为7.4米(对应工作频率23.55MHz)，天线的辐射效率 为63％。按这种方法做两个球面螺旋天线，一为无线能量传输发射天线，一为无 线能量传输接收天线，获得高效率无线能量传输，当本发明作为发射天线时， 馈电端口位于天线其中一辐射臂中点，接收50欧负载位于接收球形天线其中 一臂中点连接，如图3所示，本实施例的小天线分别作为无线能量传输的发射 与接收天线，工作频率23.55MHz，天线直径30厘米，工作距离80厘米的无线 能量传输效率达到87％。
实施例2
如图2所示，一种中距离无线能量传输球面螺旋电小天线，包括二根铜线， 所述二根铜线以球面螺旋线形状缠绕在直径为30厘米的泡沫球上，形成二臂球 面螺旋线天线，所述铜线的长度为13.6米(对应工作频率13.88MHz)，天线的 辐射效率23％。
如图3所示，本实施例的小天线分别作为无线能量传输的发射与接收天线， 在工作频率13.88MHz，天线直径30厘米，工作距离80厘米的无线能量传输效 率达到91％。
无线能量传输是天线直径、工作频率及工作距离的函数，本发明是电小天 线，且ka＝0.01的数量级，其中k是自由空间波数，a是天线半径。当工作频率、 工作距离及天线辐射效率一定时，天线直径越小，无线能量传输效率越高。
本发明工作在低频，当工作距离、天线辐射效率及天线直径一定时，工作 频率越低，无线能量传输效率越高。
本发明工作时保证天线有足够的辐射效率，高效率能量传输所要求的辐射 效率是工作频率、工作距离、能量传输效率及天线大小的函数，当工作距离、 能量传输效率及天线大小一定时，随着工作频率降低，所要求的天线辐射效率 也降低。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。