一种用于提升磁感应无线充电收发端耦合强度的天线系统的制作方法

1.本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于提升磁感应无线充电收发端耦合强度的天线系统。


背景技术：

2.随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前业内公认的无线充电技术主要分为三类，一种是wpc联盟主推的qi标准，也称为磁感应耦合技术，它通过高频逆变电路产生高频交流信号，然后通过发射端线圈将高频交流信号转换成磁场，接收端线圈在感应到磁场后产生感应电动势，当连接负载后转化为负载功率，收发线圈之间的磁场是紧密耦合，它要求收发线圈之间的距离很近，随着收发线圈之间的距离增加，耦合强度下降很快；另一种是airfuel联盟主推的磁谐振耦合技术，它利用电抗场中的磁场同频共振来隔空转换能量，发射天线在其周围空间中产生的交变磁场和交变电场在任意时刻都呈正交关系，且在相位上相差π/2因此该电磁场可以储存能量，但合成的电磁波不传输任何能量，当接收天线进入发射天线的耦合区域范围内时，收发天线之间产生同频共振，能量从发射端以磁场的形式耦合到接收端，从而实现能量的空间转换，收发天线之间的耦合属于松散耦合，在最佳耦合距离的时候接收天线能够耦合到最多的能量，即有最多的磁力线穿过接收天线，且在最佳耦合距离上下一定变化范围内收发天线之间的耦合强度不会出现大幅的下降；还有一种是电磁辐射式无线输能技术。三种技术中，磁感应技术发展较早，在消费电子领域中已有较成熟的商业化应用。但由于磁感应技术的紧密耦合的特点，目前已公开的用于消费电子设备的磁感应无线充电技术存在以下缺陷：第一，传输距离近，收发天线垂直距离很近时传输效率较高，但是随着收发天线之间垂直距离的增加，传输效率会出现急剧下降；第二，水平自由度差，当接收天线处于发射天线中心时，收发天线之间的传输效率较高，但是当接收天线中心偏离发射天线中心的时候，收发天线之间的传输效率会出现明显的下降，特别是当收发天线尺寸差异较大时，传输效率下降更明显。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决磁感应无线充电技术存在的传输距离近和水平自由度差的问题，提出了一种用于提升磁感应无线充电收发端耦合强度的天线系统。
4.本发明的技术方案是：一种用于提升磁感应无线充电收发端耦合强度的天线系统包括第一发射天线、第一铁氧体片、第二铁氧体片、第二发射天线、中继天线、第三铁氧体
片、接收天线和第四铁氧体片；第一铁氧体片紧贴于第一发射天线的下方；第二发射天线设置于第一发射天线的中心；第二铁氧体片设置于第一发射天线的中心并紧贴于第二发射天线的下方；中继天线设置于第一发射天线的上方；接收天线设置于中继天线的上方；第三铁氧体片紧贴于中继天线的上方；第四铁氧体片紧贴于接收天线的上方。
5.进一步地，第一发射天线包括发射外圈天线和发射内圈天线；发射外圈天线和发射内圈天线均用于提高第一发射天线和接收天线之间的水平自由度；发射外圈天线和发射内圈天线均呈环形；发射外圈天线的最内匝和发射内圈天线的最外匝连接，且发射外圈天线的最内匝和发射内圈天线的最外匝之间不相邻；发射外圈天线和发射内圈天线均为圆形、矩形或多边形，发射外圈天线和发射内圈天线的各匝线圈的棱角处均为光滑圆弧结构；中继天线包括中继外圈天线和中继内圈天线；中继外圈天线和中继内圈天线均呈环形；中继外圈天线的最内匝和中继内圈天线的最外匝连接；中继外圈天线和中继内圈天线均为圆形、矩形或多边形，中继外圈天线和中继内圈天线的棱角处均为光滑圆弧结构。
6.进一步地，发射外圈天线和发射内圈天线均采用利兹线螺旋绕制；第二发射天线采用利兹线螺旋绕制；中继外圈天线和中继内圈天线采用铜线或利兹线螺旋绕制；接收天线采用铜线或利兹线螺旋绕制。
7.进一步地，第一铁氧体片用于屏蔽第一发射天线周围的金属和磁性材料；第二铁氧体片用于集中穿过第一发射天线的磁力线，增加穿过第一发射天线的磁通量。
8.进一步地，第二铁氧体片的厚度与第一发射天线的厚度相同。
9.进一步地，第三铁氧体片的中心开设有与接收天线环形大小相同的通孔。
10.进一步地，第一发射天线和中继天线之间采用磁共振耦合；中继天线和接收线圈之间采用磁感应耦合。
11.进一步地，第一发射天线通过采用单层平面绕线、多层平面绕线或者立体绕线的方式调整第一发射天线的电感值和q值；中继天线通过采用单层平面绕线、多层平面绕线或者立体绕线的方式调整中继天线的电感值和q值。
12.进一步地，第一发射天线的电感值取值范围为10uh
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150uh；所述中继天线根据天线系统的工作环境进行谐振电容切换；所述中继天线的电感值取值范围为10uh
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120uh；所述中继天线的谐振电容取值范围为9nf
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1.75uf；在中继天线的电感值取值范围10uh
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120uh内，当中继天线和发射天线之间的距离变化、接收天线上方放置不同大小的充电设备、中继天线与接收天线之间的距离变化或充电设备内置不同磁性材料时，所述中继天线的电感值取值范围变为2uh
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130uh。
13.本发明的有益效果是：（1）本发明采用磁共振耦合和磁感应耦合相结合的方式，在收发端充分利用了两种无线充电耦合技术的优势，将磁共振技术传输距离远和水平自由度高的特点引入磁感应
技术，实现磁感应技术的远距离无线充电。
14.（2）本发明中发射天线与中继天线之间为磁共振耦合，提升了收发天线之间的传输距离；第一发射天线的内外圈结构使得发射天线的磁场分布更加松散，进一步增加了收发天线之间的水平自由度；中继天线的内外圈结构和内圈天线的轴心偏移进一步提升中继天线和接收天线之间的耦合强度，进而提升了收发天线之间的能量转换效率，有效地解决了磁感应技术原先传输距离近和水平自由度差的缺点。
15.（3）本发明可以大幅提高磁感应无线充电在充电距离较远时的整体能量转换效率，为便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和led照明设备提供一个稳定且高效的无线充电或无线电能供给方案。
附图说明
16.图1为磁感应收发天线结构图；图2 为磁感应收发天线远距离磁力线图；图3为收发天线加中继天线的结构图；图4为发射天线的俯视图；图5为收发天线加中继天线结构的中继天线和接收天线仰视图；图6为有无中继天线的磁感应收发天线在不同距离传输效率对比图；图7为单一发射天线加中继天线的水平自由度图；图8为内外圈发射天线加中继天线结构图；图9为内外圈发射天线的俯视图；图10为内外圈发射天线加中继天线的水平自由度图；图11为内外圈发射天线加内外圈中继天线结构图；图12为内外圈发射天线加内外圈中继天线结构的中继天线和接收天线仰视图；图13为内外圈中继天线加中继天线和接收天线偏移结构图；图14为内外圈中继天线加中继天线内圈偏移结构的中继天线和接收天线仰视图；图15为图1、图3和图11所对应天线结构的中继天线内圈偏移不同距离传输效率对比图；图16为内外圈发射天线和内外圈中继天线和接收天线及磁感应的发射天线的结构图图17为内外圈发射天线和磁感应发射天线的俯视图；图18为单层平面绕线天线示意图；图19为双层平面绕线天线示意图；图20为立体绕线天线示意图；图中，101、第一发射天线；102、第一铁氧体片；103、第二铁氧体片；104、发射外圈天线；105、发射内圈天线；106、第二发射天线；201、中继天线；202、第三铁氧体片；203、中继外圈天线；204、中继内圈天线；301、接收天线；302、第四铁氧体片。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
18.如图16所示，本发明提供了一种用于提升磁感应无线充电收发端耦合强度的天线系统，包括第一发射天线101、第一铁氧体片102、第二铁氧体片103、第二发射天线106、中继天线201、第三铁氧体片202、接收天线301和第四铁氧体片302；第一铁氧体片102紧贴于第一发射天线101的下方；第二发射天线106设置于第一发射天线101的中心；第二铁氧体片103设置于第一发射天线101的中心并紧贴于第二发射天线106的下方；中继天线201设置于第一发射天线101的上方；接收天线301设置于中继天线201的上方；第三铁氧体片202紧贴于中继天线201的上方；第四铁氧体片302紧贴于接收天线301的上方。
19.发射天线和中继天线之间的磁共振耦合的工作频率适配于wpc的标准频段。
20.在本发明实施例中，如图16所示，第一发射天线101包括发射外圈天线104和发射内圈天线105；发射外圈天线104和发射内圈天线105均用于提高第一发射天线101和接收天线301之间的水平自由度；发射外圈天线104和发射内圈天线105均呈环形；发射外圈天线104的最内匝和发射内圈天线105的最外匝连接，且发射外圈天线104的最内匝和发射内圈天线105的最外匝之间不相邻；发射外圈天线104和发射内圈天线105均为圆形、矩形或多边形，发射外圈天线104和发射内圈天线105的各匝线圈的棱角处均为光滑圆弧结构。
21.发射天线采用两个环形绕线线圈的串联，外部线圈较大，内部线圈较小，两个线圈的轴心可以相同也可以不同。外圈天线和内圈天线的轴心可以在同一直线上，也可以不在同一直线上。
22.在本发明实施例中，如图16所示，中继天线201包括中继外圈天线203和中继内圈天线204；中继外圈天线203和中继内圈天线204均呈环形；中继外圈天线203的最内匝和中继内圈天线204的最外匝连接；中继外圈天线203和中继内圈天线204均为圆形、矩形或多边形，中继外圈天线203和中继内圈天线204的棱角处均为光滑圆弧结构。
23.中继天线的内圈天线的中心可以不与外圈天线的中心重合，中继天线的内圈天线的中心可以向一侧偏移。
24.本发明实施例中，如图16所示，中继天线201的中继内圈天线204的轴心与中继外圈天线203的轴心重合，内圈天线203向其中一个短边侧偏移；在本发明实施例中，如图16所示，发射外圈天线104和发射内圈天线105均采用利兹线螺旋绕制；第二发射天线106采用利兹线螺旋绕制；中继外圈天线203和中继内圈天线204采用铜线或利兹线螺旋绕制；接收天线301采用铜线或利兹线螺旋绕制。发射线圈下方、中继天线远离发射天线一侧的铁氧体片不限于硬磁或者软磁。
25.在本实施例中，中继天线会因为和发射天线之间的距离不同、接收天线上方的手机大小不同及手机内部是否有磁性材料而呈现出不同的电感值，当中继天线呈现出的电感值偏差较大时，在不改变中继天线谐振电容的情况下，中继天线与发射天线和接收天线没有谐振在同一工作频点，且频率相差较远时，发射天线与中继天线之间的共振效果很差，即他们之间的传输效率很差，大大降低了整体的能量转换效率，同时因为发射天线和中继天
线之间的耦合强度差，中继天线耦合到的磁力线少，中继天线和接收天线之间的感应耦合强度也会大大降低，使得接收天线耦合到的电压幅值不在其设定的工作范围，从而导致整个系统无法工作，因此中继线圈具备至少两个谐振电容方案，在整个系统工作时根据不同的工作环境自动进行谐振电容选择及切换。
26.在本发明实施例中，如图16所示，第一铁氧体片102用于屏蔽第一发射天线101周围的金属和磁性材料；第二铁氧体片103用于集中穿过第一发射天线101的磁力线，增加穿过第一发射天线101的磁通量。
27.在本发明实施例中，如图16所示，第二铁氧体片103的厚度与第一发射天线101的厚度相同。
28.在本发明实施例中，如图16所示，第三铁氧体片202的中心开设有与接收天线301环形大小相同的通孔。
29.在本发明实施例中，如图16所示，第一发射天线101和中继天线201之间采用磁共振耦合；中继天线201和接收线圈301之间采用磁感应耦合。
30.在本发明实施例中，如图16所示，第一发射天线101通过采用单层平面绕线、多层平面绕线或者立体绕线的方式调整第一发射天线101的电感值和q值；中继天线201通过采用单层平面绕线、多层平面绕线或者立体绕线的方式调整中继天线201的电感值和q值。
31.在本发明实施例中，如图16所示，第一发射天线101的电感值取值范围为10uh
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150uh；中继天线201根据天线系统的工作环境进行谐振电容切换；中继天线201的电感值取值范围为10uh
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120uh；中继天线201的谐振电容取值范围为9nf
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1.75uf；在中继天线201的电感值取值范围10uh
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120uh内，当中继天线201和发射天线之间的距离变化、接收天线301上方放置不同大小的充电设备、中继天线201与接收天线301之间的距离变化或充电设备内置不同磁性材料时，中继天线201的电感值取值范围变为2uh
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130uh。发射天线和中继天线的绕线结构不固定，可根据应用场景和被充电设备结构决定。
32.在本发明实施例中，如图1所示，图1是磁感应收发天线结构图，101是利兹线绕制而成的第一发射天线，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，301是接收天线，302是紧贴接收天线且处于接收天线上方的第四铁氧体片，接收天线采用铜线绕制而成。
33.如图2所示，图2是磁感应收发天线距离较远时收发天线之间的磁力线分布图，由于发射天线周围磁力线分布很紧密，只有很少一部分磁力线能够穿过接收天线，另一方面受制于磁感应无线充电的接收天线的尺寸，磁感应无线充电的接收天线的尺寸相对于发射天线来说较小，而收发天线的传输效率很大一部分由接收天线的面积所决定的，所以在磁感应无线充电的这种收发天线结构下，远距离的时候穿过接收天线的磁力线很少导致了传输效率很差。
34.如图3所示，图3是收发天线和中继天线的结构图，101是利兹线绕制而成的第一发射天线，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，103是发射天线中心的第三铁氧体片，201是中继天线，202是紧贴中继天线且处于接收天线上方的第三铁氧体片，第三铁氧体片202的中心有部分割掉的区域，301是接收天线，302是紧贴接收天线并且处于接收天线上方的第
四铁氧体片，接收天线301采用铜线绕制而成；第一发射天线101中心的铁氧体片厚度与第一发射天线101的线径基本相等，而第一发射天线101中心的铁氧体相当于磁芯，由于磁芯的磁导率μ远大于自由空间磁导率，根据b=μh，穿过第一发射天线101中心的磁通密度增大，同时磁力线在垂直方向上变得更加扁平，增加了穿过中继天线201中心的磁通量，进而增加收发天线之间的传输效率，而第一发射天线101下方的铁氧体片将引导第一发射天线101的磁力线向中继天线一侧分布，进一步增加第一发射天线101和中继天线201之间的磁共振耦合强度。因为第一发射天线101和中继天线201之间的耦合是磁共振耦合，在磁场分布上表现为松散耦合，即发射的磁力线分布较为松散，同时由于中继天线201和第一发射天线101的尺寸相差不大，所以在距离较远时第一发射天线101发射出来的磁力线绝大部分也能够穿过中继天线201，不会导致太多的漏磁现象；紧贴中继天线201的铁氧体片的中间有一个较大的孔，且孔的大小与接收天线301的尺寸相当，第一发射天线101与中继天线201之间产生共振耦合，然后在中继天线201上形成射频电流，中继天线201上的射频电流形成的磁场会通过这个孔穿到接收天线301，与接收天线301产生磁感应耦合，同时紧贴接收天线301的铁氧体片会增加接收天线301的q值和与中继天线201的耦合强度；增加了中继天线201的收发天线结构相对于只有收发天线的结构而言，在传输距离上有了很大的提升。
35.如图4所示，图4是发射天线的俯视图，101是利兹线绕制而成的第一发射天线，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，103是发射天线中心的第三铁氧体片，第一发射天线101的两个端点与发射模组射频能量输入端连接，射频能量通过发射模组的射频能量输入端进入发射天线。
36.如图5所示，图5是收发天线加中继天线结构的中继天线和接收天线仰视图，201是中继天线，202是紧贴中继天线并处于中继天线上方的第三铁氧体片，第三铁氧体片202的中间区域有一个孔，孔的大小与接收天线相当，301是接收天线，302是紧贴接收天线并处于接收天线上方的第四铁氧体片，接收天线301和第四铁氧体片302处于中继天线201的中心位置，中继天线201用利兹线或者铜线绕制而成。中继天线201的两个端点与中继天线谐振电容的两端连接，接收天线301的两个端点与接收模组的射频输入端连接，将感应耦合到的射频能量通过接收模组的射频输入端经过整流输入给负载使用。
37.如图6所示，图6是有无中继天线的磁感应收发天线在不同距离传输效率对比图，因为发射天线上方和接收天线的下方都有壳体，所以收发天线之间的传输距离至少为3mm，曲线x是磁感应无线充电的收发天线在不同传输距离时收发天线之间的传输效率图，当收发天线距离很近时收发天线之间的传输效率很高，但是随着传输距离增加，收发天线之间的传输效率出现急剧下降，在收发天线之间的传输距离到达4cm的时候传输效率已经下降到几乎为0了；曲线y是带有中继天线的收发天线在不同传输距离时收发天线之间的传输效率图，当接收线圈和中继天线紧贴或者有较近的距离时收发天线之间的传输效率很高，随着发射天线和接收天线之间的传输距离增加，在一定的范围内收发天线之间的传输效率并没有大幅度下降，只是会出现轻微的下降，当传输距离达到7cm的时候收发天线之间的传输效率依然在70%以上，因此并不会影响给电子设备进行高效率的无线充电。
38.如图7所示，图7是单一发射天线加中继天线的水平自由度图，在收发天线之间的距离为6mm时，当接收天线的中心点a，对应于图4中的各点时的传输效率，当接收天线的中心点a与发射天线的中心点f重合的时候收发天线之间的传输效率很高，当中继天线的中心
点向四周偏移与发射天线的各点位重合时，收发天线之间的传输效率出现了较为明显的下降，即当中继天线从中心位置向四周偏移时中继天线接收到的磁力线大幅度减少，从而导致了收发天线之间传输效率的下降；因为此时发射天线发出的磁力线主要集中在发射天线的中心位置，当中继天线和接收天线向四周偏移时，只有一部分磁力线能够穿过中继天线，从而导致耦合强度的下降。
39.如图8所示，图8是内外圈发射天线加中继天线结构图，104是利兹线绕制而成的第一发射外圈天线，105是发射内圈天线，发射外圈天线104和发射内圈天线105通过绕线串联在一起，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，103是发射天线中心区域的第二铁氧体片，201是中继天线，中继天线201采用利兹线绕制而成，202是紧贴中继天线并处于中继天线上方的第三铁氧体片，第三铁氧体片202的中心区域有一部分割掉，割掉的部分尺寸与接收天线301相当，302是紧贴接收天线并处于接收天线上方的第四铁氧体片，接收天线301采用铜线绕制而成；发射外圈天线104的内匝与发射内圈天线105的外匝连接从而形成串联关系，发射外圈天线104的最内匝和发射内圈天线105的最外匝之间有一定的距离；中继天线201采用普通螺旋绕线结构，第一发射天线101中心的第一铁氧体片102厚度与第一发射天线101的线径基本相等，而第一发射天线101中心的第二铁氧体103相当于磁芯，由于磁芯的磁导率μ远大于自由空间磁导率，根据b=μh，穿过第一发射天线101中心的磁通密度增大，也让磁力线在垂直方向上变得更加扁平，增加了穿过中继天线201中心的磁通量，进而增加收发天线之间的传输效率，而下方的铁氧体片是必须要有的，它会让磁力线在垂直方向上变得扁平，从而略微降低了收发天线之间的传输效率，但降低的传输效率与提升的传输效率相比可以忽略不计，由于中继天线201和第一发射天线101的尺寸相差不大，所以在距离较远时第一发射天线101发射出来的磁力线绝大部分也能够穿过中继天线201，不会导致太多的漏磁现象，紧贴中继天线201的铁氧体片的中间有一个较大的孔，中继天线201上的射频电流形成的磁场会通过这个孔穿到接收线圈，接收天线301和中继天线201进行感应耦合，同时紧贴接收天线301和中继天线201的铁氧体片会让中继天线201附近的磁场在垂直方向上变得扁平，因此接收天线301和中继天线201之间的耦合距离会很近；而第一发射天线101的绕线结构使得中继天线201和接收天线301在第一发射天线101上方一定距离，以中心位置向四周移动的时候传输效率变化不大，即将中继天线201和接收天线301从第一发射天线101的中心向边上移动的时候传输效率下降并不明显，这是因为第一发射天线101的结构使得第一发射天线101的磁场分布变得更加松散，有一部分磁力线从发射外圈天线104的内匝和发射内圈天线105的外匝之间的空间穿过，当中继天线201和接收天线301向边上移动的时候这一部分磁力线能够穿过中继天线201，从而使得当中继天线201和接收天线301在边上的时候整体传输效率下降不明显。
40.如图9所示，图9是内外圈发射天线的俯视图，104是利兹线绕制而成的发射外圈天线，105是发射内圈天线，发射外圈天线104和发射内圈天线105是通过绕线串联在一起，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，103是发射天线中心区域的第二铁氧体片，发射外圈天线104的端点和发射内圈天线105的端点与发射模组的射频能量输入端连接，射频能量通过发射模组的射频能量输入端进入发射天线。
41.如图10所示，图10是内外圈发射天线加中继天线的水平自由度图，当中继天线的中心点a与发射天线的中心点f重合时收发天线之间的传输效率很高，对应于图8中的点b
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点j时的传输效率，当中继天线的中心点向四周偏移与发射天线的各点位重合时，收发天线之间的传输效率虽然都有不同程度的下降，但是下降的幅度都不大，且在整个平面内的传输效率有适当的提高，说明这种发射结构不仅能够改善水平自由度还能够提升收发天线之间的耦合强度，当中继天线从中心位置向四周偏移时中继天线仍然接收到了中继天线的大部分磁力线，因为此时发射天线发出的磁力线分布较为分散，基本覆盖整个发射天线上方的空间，当中继天线和接收天线向四周偏移的时候，大部分磁力线仍然能够穿过中继天线，因此整体的水平自由度较高。
42.如图11所示，图11是内外圈发射天线加内外圈中继天线结构图，104是利兹线绕制而成的发射外圈天线，105是利兹线绕制而成的发射内圈天线，104和105通过绕线串联在一起，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，103是发射天线中心区域的第二铁氧体片，203是中继外圈天线，204是中继内圈天线，中继外圈天线203和中继内圈天线204通过绕线串联在一起，中继天线201采用利兹线绕制而成，202是紧贴中继天线并处于中继天线上方的第三铁氧体片，第三铁氧体片202的中心区域有一部分割掉，割掉的部分尺寸与接收天线相当，301是接收天线，接收天线301采用铜线绕制而成；302是紧贴接收天线并处于接收天线上方的第四铁氧体片，第一发射天线101由发射外圈天线104和发射内圈天线105组成，发射外圈天线104的最内匝与发射内圈天线105的最外匝连接，从而形成串联的一个天线，发射外圈天线104的最内匝和发射内圈天线105最外匝之间有一定的距离。为了进一步提升中继天线和接收天线之间的耦合强度，从而达到提升收发天线整体水平自由度和传输效率的目的，我们对中继天线采用内外圈绕线结构，外圈天线的内匝与内圈天线的外匝连接，从而形成串联；发射天线中心的铁氧体片厚度与发射天线的线径基本相等，而发射天线中心的铁氧体相当于磁芯，由于磁芯的磁导率μ远大于自由空间磁导率，根据b=μh，穿过第一发射天线101中心的磁通密度增大，也让磁力线在垂直方向上变得更加扁平，增加了穿过中继天线中心的磁通量，进而增加收发天线之间的传输效率，而下方的铁氧体片是必须要有的，它会让磁力线在水平方向上变得扁平，从而略微降低了收发天线之间的传输效率，但降低的传输效率与提升的传输效率相比可以忽略不计，由于中继天线和发射天线的尺寸相差不大，所以在距离较远时发射线圈发射出来的磁力线绝大部分也能够穿过中继天线，不会导致太多的漏磁现象，紧贴中继天线的铁氧体片的中间有一个较大的孔，发射天线和中继天线之间共振耦合在中继天线上形成射频电流，中继天线上的射频电流形成的磁场会通过这个孔穿到接收线圈，接收线圈和中继天线耦合，同时紧贴接收线圈和中继天线的铁氧体片会让中继天线附近的磁场在垂直方向上变得扁平，因此接收线圈和中继天线之间的耦合距离会很近；而中继天线的绕线结构使得接收天线中继天线上方一定距离，以中心位置向四周移动的时候传输效率变化不大，即接收天线从中继天线的中心向边上移动的时候传输效率下降并不明显，这是因为中继天线的结构使得发射天线的磁场分布变得更加松散，而中继天线和发接收天线之间的距离很近，不会影响整体的传输效率，在这种中继结构的情况下中继天线和接收天线之间磁感应的耦合强度不会因为接收天线偏移中继天线的中心而下降。
43.如图12所示，图12是内外圈发射天线加内外圈中继天线结构的中继天线和接收天线仰视图；203是中继外圈天线，204是中继内圈天线，中继天线的内圈和外圈通过绕线串联在一起，中继天线201采用利兹线绕制而成，202是紧贴中继天线并处于中继天线上方的第三铁氧体片，第三铁氧体片202的中心区域有一部分割掉，割掉的部分尺寸与接收天线301
相当，301是接收天线，接收天线301采用铜线绕制而成；302是紧贴接收天线并处于接收天线上方的第四铁氧体片；中继内圈天线204处于中继外圈天线203的中心，接收天线301处于中继天线201的中心，即中继外圈天线203、中继内圈天线204及接收天线301的中心重合，中继外圈天线203的端点和中继内圈天线204的端点与谐振电容的两端连接，接收天线301的两个端点与接收模组的射频输入端连接，将感应耦合到的射频能量通过接收模组的射频输入端经过整流输入给负载使用。
44.如图13所示，图13是内外圈中继天线加中继天线内圈偏移结构图，104是利兹线绕制而成的发射外圈天线，105是发射内圈天线，104和105是通过绕线串联在一起，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，103是发射天线中心区域的第二铁氧体片，203是中继外圈天线，204是中继内圈天线，203和204是通过绕线串联在一起，中继天线201采用利兹线绕制而成，202是紧贴中继天线并处于中继天线上方的第三铁氧体片，第三铁氧体片202的内部区域有一部分割掉，割掉的部分尺寸与接收天线301相当，301是接收天线，接收天线301采用铜线绕制而成，302是紧贴接收天线并处于接收天线上方的第四铁氧体片；第一发射天线101由发射外圈天线104和发射内圈天线105组成，发射外圈天线104的最内匝与发射内圈天线105的最外匝连接从而形成串联关系，发射外圈天线104的最内匝和发射内圈天线105最外匝之间有一定的距离。为了进一步提升收发天线之间的整体能量转化效率，对中继天线的结构做出调整，中继天线为内圈偏移绕线结构，中继天线同样分为内外圈绕线，外圈天线的内匝与内圈天线的外匝连接形成串联关系，与发射天线不同的是，中继天线的两个长边和一个短边方向上，外圈天线的内匝与内圈天线的外匝是紧挨着的，即外圈天线的内匝和内圈天线的外匝只有一个方向上有一定的距离，且有距离的是短边的一个方向；内圈天线的中心位置就是铁氧体的中空位置，也是接收天线的位置；发射天线中心的铁氧体片厚度与发射天线的线径基本相等，而发射天线中心的铁氧体相当于磁芯，由于磁芯的磁导率μ远大于自由空间磁导率，根据b=μh，穿过第一发射天线101中心的磁通密度增大，也让磁力线在垂直方向上变得更加扁平，增加了穿过中继天线中心的磁通量，进而增加收发天线之间的传输效率，而下方的铁氧体片是必须要有的，它会让磁力线在水平方向上变得扁平，从而略微降低了收发天线之间的传输效率，但降低的传输效率与提升的传输效率相比可以忽略不计，由于中继天线和发射天线的尺寸相差不大，所以在距离较远时发射线圈发射出来的磁力线绝大部分也能够穿过中继天线，不会导致太多的漏磁现象，紧贴中继天线的铁氧体片的中间有一个较大的孔，中继天线上的射频电流形成的磁场会通过这个孔穿到接收线圈，接收线圈和中继天线耦合，同时紧贴接收线圈和中继天线的铁氧体片会让中继天线附近的磁场在垂直方向上变得扁平，因此接收线圈和中继天线之间的耦合距离会很近；而发射天线的绕线结构使得中继天线和接收天线在发射天线上方一定距离，以中心位置向四周移动的时候传输效率变化不大，即将中继天线和接收天线从发射天线的中心向边上移动的时候传输效率下降并不明显，这是因为发射天线的结构使得发射天线的磁场分布变得更加松散，有一部分磁力线从外圈天线的内匝和内圈天线的外匝之间的空间穿过，当中继天线和接收天线向边上移动的时候这一部分磁力线能够穿过中继天线从而使得当中继天线和接收线圈在边上的时候整体传输效率下降不明显；而中继天线的异形绕线结构则是为了将中继天线的轴向接收天线那一端偏移，若中继天线采用所有方向都紧密绕线的方式，那么中继天线的磁场分布必将是以中继天线中心点为轴的对称分布结构，由于接收天线相对于中继天线
的位置偏向一侧，那么穿过接收天线的磁力线将只有很少的一部分，因此这种绕线结构会导致整体传输效率很低，而这种某一方向偏移的非对称的绕线结构会将中继天线的磁力线分布变成以接收天线的中心点为轴的非对称分布，但是基本所有的磁力线都穿过了接收线圈，即接收线圈能够耦合到中继天线的大部分能量大大提升了总体能量传输效率，而中继天线的非对称结构设计源于手机内置的磁感应的接收天线在手机背面的位置，由于手机内置的磁感应无线充电的接收天线位于手机背面的中心位置，而中继天线只占用手机背面摄像头以下的矩形区域，所以决定了手机内置的磁感应无线充电的接收天线不处于中继天线的中心位置，为了让磁感应的接收能够耦合到更多的能量，所以中继天线的磁场分布轴心需要向手机内置的磁感应无线充电的接收天线偏移。
45.如图14所示，图14是内外圈中继天线加中继天线内圈偏移结构的中继天线和接收天线仰视图；203是中继外圈天线，204是中继内圈天线，203和204是通过绕线连在一起的一个天线，202是紧贴中继天线并处于中继天线上方的第三铁氧体片，301是接收天线，302是紧贴接收天线并处于接收天线上方的第四铁氧体片，中继外圈天线203的端点和中继内圈天线204的端点与谐振电容的两端连接，接收天线301的两个端点与接收模组的射频输入端连接，将感应耦合到的射频能量通过接收模组的射频输入端经过整流输入给负载使用；接收天线301和中继内圈天线204的中心重合，接收天线301和中继外圈天线203的中心不重合，即接收天线301和中继内圈天线204同时向中继外圈天线203的短边的其中一侧偏移，此结构的目的是将中继天线201产生的磁场的轴心向接收天线301和中继内圈天线204偏移的一侧偏移，使中继天线201产生的磁场的轴心与接收天线301的轴心重合来使得接收天线301接收尽量多的磁力线，从而增加中继天线201和接收天线301之间的耦合强度，进一步提高整体的传输效率。
46.如图15所示，图15是图1所对应的天线结构、图3所对应的天线结构和图11所对应的天线结构的传输距离传输效率的对应关系图。其中，曲线u是图1所对应的磁感应的收发天线在不同传输距离的传输效率图，当收发天线距离很近时收发天线之间的传输效率很高，但是随着传输距离增加，收发天线之间的传输效率出现急剧下降，在收发天线之间的传输距离到达4cm的时候传输效率已经下降到几乎为0了。曲线v是图3所对应的天线结构传输效率与传输距离之间的关系，当发射天线与中继天线和接收距离较近的时候整体传输效率较好，随着收发天线之间的传输距离增加，整体传输效率下降较快。曲线w是图11所对应的天线结构传输效率与传输距离之间的关系，收发天线距离较近的时候收发天线之间的传输效率很高，随着距离的增加收发天线之间的传输效率依然很高；即图11所对应的天线结构相对于图3所对应的天线结构在传输距离上有了很大的提升，而这一部分提升来源于中继天线的结构变化，相对于图3的中继天线结构，图11的中继天线分为内外圈天线，而中继天线和接收天线之间属于的磁感应耦合，当中继天线有内圈的时候这一部分天线和接收天线的尺寸相当，磁力线分布相对于只有外圈天线更为密集，因此提升了中继天线和接收天线之间的传输效率，所以随着收发天线之间的传输效率增加，整体传输效率较高；图15中三种结构的传输效率随着传输距离的变化曲线明显的表示出，普通磁感应无线充电的传输距离很近，通过对磁感应无线充电技术增加磁共振中继耦合的方式对磁感应的传输距离有了十分明显的提升，根据具体的应用场景对磁共振中继天线的结构做出调整进一步提高了磁感应无线充电的传输效率。
47.如图16所示，图16是内外圈发射天线、内外圈中继天线和接收天线及磁感应的发射天线的结构图，104是利兹线绕制而成的发射外圈天线，105是发射内圈天线，104和105通过绕线串联在一起，102是紧贴第一发射天线的第一铁氧体片，106是第二发射天线，103是第一发射天线中心区域并紧贴于第二发射天线106下方的第二铁氧体片，第一发射天线101和第二发射天线106采用利兹线绕制而成，203是中继外圈天线，204是中继内圈天线，203和204通过绕线串联在一起，中继天线201采用利兹线绕制而成，202是紧贴中继天线并处于中继天线上方的第三铁氧体片，第三铁氧体片202的内部区域有一部分割掉，割掉的部分形状和尺寸与接收天线301相当，301是接收天线，接收天线301采用铜线绕制而成，302是紧贴接收天线并处于接收天线上方的第四铁氧体片；第一发射天线101由发射外圈天线104和发射内圈天线105组成，发射外圈天线104的最内匝与发射内圈天线105的最外匝连接从而形成串联关系，发射外圈天线104的最内匝和发射内圈天线105最外匝之间有一定的距离。为了进一步提升收发天线在整个传输距离内的整体能量转化效率，对发射天线的结构做出调整，由于第一发射天线的整体耦合距离较远，当中继天线和接收天线与第一发射天线之间距离很近的时候，第一发射天线与中继天线之间就会出现过耦合现象，此时的传输效率很低，因此整体的能量转换效率也极低，所以将发射天线的结构改为，内外圈天线中间加磁感应发射天线的结构，当发射天线与中继天线和接收天线距离很远的时候，第一发射天线工作，第二发射天线停止工作，发射天线与中继天线和接收天线距离较近的时候，发射天线切换为第二发射天线工作，第二发射天线和中继天线之间同样是磁共振耦合，由于第二发射天线的尺寸较小且和中继天线尺寸相差不大，所以在传输距离较近的时候不存在过耦合严重的问题，从而实现收发天线在整个传输距离内都是强耦合状态，从而实现高效率的无线电能传输；当第一发射天线工作的时候，第二发射天线下方的铁氧体相当于磁芯，由于磁芯的磁导率μ远大于自由空间磁导率，根据b=μh，穿过第一发射天线101中心的磁通密度增大，也让磁力线在垂直方向上变得更加扁平，增加了第一发射天线工作时穿过中继天线中心的磁通量，进而增加收发天线之间的传输效率，而下方的铁氧体片是必须要有的，它会让磁力线在水平方向上变得扁平，从而略微降低了收发天线之间的传输效率，但降低的传输效率与提升的传输效率相比可以忽略不计，由于中继天线和发射天线的尺寸相差不大，所以在距离较远时第一发射天线的磁力线绝大部分也能够穿过中继天线，不会导致太多的漏磁现象，紧贴中继天线的铁氧体片的中间有一个较大的孔，中继天线上的射频电流形成的磁场会通过这个孔穿到接收线圈，接收线圈和中继天线耦合，同时紧贴接收线圈和中继天线的铁氧体片会让中继天线附近的磁场在垂直方向上变得扁平，因此接收线圈和中继天线之间的耦合距离会很近；而第一发射天线的绕线结构使得中继天线和接收天线在发射天线上方一定距离，以中心位置向四周移动的时候传输效率变化不大，即将中继天线和接收天线从发射天线的中心向边上移动的时候传输效率下降并不明显，这是因为第一发射天线的结构使得第一发射天线的磁场分布变得更加松散，有一部分磁力线从外圈天线的内匝和内圈天线的外匝之间的空间穿过，当中继天线和接收天线向边上移动的时候这一部分磁力线能够穿过中继天线从而使得当中继天线和接收线圈在边上的时候整体传输效率下降不明显；如图17所示，图 17是内外圈发射天线和磁感应发射天线的俯视图，104是利兹线绕制而成的发射外圈天线，105是发射内圈天线，发射外圈天线104和发射内圈天线105通过绕线串联在一起，102是紧贴发射天线的第一铁氧体片，106是第二发射天线，103是发射天
线中心区域紧贴第二发射天线106的第二铁氧体片，发射外圈天线104的端点和发射内圈天线105的端点与发射模组的射频能量输入端连接，射频能量通过发射模组的射频能量输入端进入发射天线。第二发射天线106的两个端点与发射模组的射频能量输入端连接，射频能量通过发射模组的射频能量输入端进入发射天线。根据传输距离来切换发射天线的工作状态，即当传输距离近的时候第二发射天线工作，第一发射天线不工作，当传输距离远的时候第二发射天线不工作，第一发射天线工作。
48.如图18所示，图18是单层平面绕线天线示意图，天线结构为平面绕线结构，且只有一层线圈，该天线结构可以用作发射天线和中继天线。
49.如图19所示，图19是多层平面绕线天线示意图，该天线结构为平面型绕线结构，该天线结构不止一层，在绕制一层天线之后在紧贴这一层天线的上方继续绕制多层来增加天线的电感值和q值，该天线结构同样可以用作发射天线和中继天线，且在同一天线结构中可以将图16与图17的天线结构同时使用。
50.如图20所示，图20是立体型绕线天线示意图，该天线结构为立体型绕线结构，通过立体绕线的方式形成一个长方体形状的立体天线，该天线结构同样可以用作发射天线和中继天线。
51.发射天线为平面型多匝线圈，发射天线用利兹线绕制而成，发射天线下方有铁氧体片，且中心区域有硬磁铁氧体片。接收天线为平面型多匝线圈，接收天线用铜线绕制而成，接收天线下方有铁氧体片。中继耦合线圈为平面型多匝线圈，中继天线用利兹线或者铜线绕制而成，中继天线下方有铁氧体，且中空区域有部分无铁氧体片。
52.发射天线处于中继天线和接收线圈下方，中继耦合线圈处于发射天线和接收天线之间，中继天线和发射天线之间有较远的距离，中继天线和接收线圈之间有一定的距离或者中继天线紧贴接收线圈。
53.本发明的工作原理及过程为：本发明利用中继天线来增加接收天线和发射天线之间的耦合距离，以此提升磁感应无线充电的充电距离和水平自由度，从而增加整体的充电效率。在不加中继天线的情况下，发射天线和接收天线之间的耦合距离很近，随着发射天线和接收天线之间的距离增加，收发天线之间的耦合强度会出现断崖式下降，同时传输效率也会出现急剧下降，并且即使在近距离随着接收天线的中心偏移发射天线的中心位置，收发天线之间的传输效率也会出现大幅度下降，为了改善这一缺陷，本发明采用发射天线加中继耦合的设计，大大增加了发射天线和接收天线之间的耦合强度，并且提升了收发天线之间的整体耦合距离以及水平自由度，在一定距离内随着收发天线之间的距离增加，收发天线之间的耦合强度基本保持不变；并且在整个充电距离范围内随着接收天线从发射天线中心向四周偏移，收发天线之间的传输效率不会出现明显的下降。
54.通过发射天线与中继天线之间的磁共振耦合，在中继天线上形成射频电流，射频电流再在整个中继天线周围形成一个均匀分布的磁场。接收线圈处于中继天线的磁场内时与中继天线发生感应耦合从而耦合到能量；并且由于中继天线和发射天线的尺寸相差不大，且发射天线和中继天线之间属于松散耦合，中继天线能够耦合到发射天线发出的大部分磁力线，所以能大大提升发射天线接收天线之间的传输距离。
55.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的
普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。