基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置

摘要

本发明公开了一种基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置，包括依次连接的磁共振无线电能发射模块、若干磁共振发射天线、若干接收天线和磁共振无线电能接收模块；磁共振无线电能发射模块用于将直流电源转换为射频能量，并控制工作方式；磁共振发射天线用于将射频能量转换为空间中分布的电抗场；接收天线用于将电抗场转换为射频能量；磁共振无线电能接收模块用于将射频能量转换为直流功率，并为负载进行充电或供电。本发明中的发射天线为多组天线，当其中一个作为主发射天线时，其他天线作为中继耦合天线，收发天线均采用立体多层绕线结构，收发天线尺寸差异较大，适用于为续航能力有限和无法进行有线供电的微型设备充电供电。

权利要求

1.一种基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置，其特征在于，包括依次连接的磁共振无线电能发射模块、若干磁共振发射天线、若干接收天线和磁共振无线电能接收模块；

所述磁共振无线电能发射模块用于将直流电源转换为射频能量，发送至磁共振发射天线，并控制无线充电传输装置的工作方式；

所述磁共振发射天线用于将射频能量转换为空间中分布的电抗场；

所述接收天线用于与磁共振发射发射天线产生磁共振耦合，将空间中的电抗场转换为射频能量；

所述磁共振无线电能接收模块用于将射频能量转换为直流功率，并为负载进行充电或供电；

所述磁共振无线电能发射模块包括电源适配器、稳压电路、发射蓝牙检测电路、调频电路、驱动电路、射频功放电路、若干LC匹配网络、若干主路开关、若干发射谐振电容、若干中继耦合电容和若干电容切换开关；

所述电源适配器、稳压电路和发射蓝牙检测电路依次通信连接；所述稳压电路分别与调频电路和射频功放电路通信连接；所述调频电路通过驱动电路和射频功放电路通信连接；所述射频功放电路、LC匹配网络和主路开关依次通信连接；所述主路开关通过发射谐振电容和中继耦合电容与电容切换开关通信连接；所述发射蓝牙检测电路还分别与主路开关和电容切换开关通信连接；所述电容切换开关和磁共振发射天线通信连接；

所述电源适配器用于将220V交流电转换为直流电源，并为磁共振无线电能发射模块供电；

所述稳压电路用于对输入电压进行稳压；

所述发射蓝牙检测电路用于采集接收天线位置，并控制切换无线充电传输装置的工作方式，其工作方式包括谐振匹配和中继耦合匹配；

所述调频电路用于调整发射工作频率，并将直流转换为射频信号；

所述驱动电路用于驱动射频功放电路；

所述射频功放电路用于放大无线电能的功率；

所述LC匹配网络和串并联谐振电容组与磁共振发射天线一一对应组成发射LC串并联谐振电路，用于确定无线充电传输装置的谐振频率；

其中，当LC匹配网络和串并联谐振电容组与磁共振发射天线一一对应组成若干组谐振发射天线时，其中一部分磁共振发射天线的工作频率采用谐振频率，其余磁共振发射天线均与中继耦合电容连接，组成若干组工作频率为中继耦合匹配频率的中继耦合天线；

所述发射谐振电容和磁共振发射天线一一对应组成LC串联谐振电路，通过调整发射谐振电容的参数控制无线充电传输装置的谐振频率；

所述中继耦合电容和磁共振发射天线一一对应组成LC串联中继耦合谐振电路，通过调整中继耦合电容的参数控制无线充电传输装置的中继耦合频率；

所述主路开关用于切换无线充电传输装置的射频主路通断；

所述电容切换开关用于切换发射谐振电容和中继耦合电容；

所述磁共振发射天线缠绕于三维多面体外壁上，其包括若干组发射线圈和若干能量馈入口（1‑1）；所述能量馈入口（1‑1）固定设置于每组发射线圈上；每组发射线圈采用第一缠绕方式、第二缠绕方式或第三缠绕方式缠绕于三维多面体外壁上；

所述第二缠绕方式中，每组发射线圈包括第一发射线圈（1‑2）和第二发射线圈（1‑3），所述第一发射线圈（1‑2）和第二发射线圈（1‑3）在预设长度内平行排列在三维多面体外壁上，在预设长度后进行预设角度交叉，并在交叉后继续平行排列在三维多面体外壁上，直至到达下一预设长度后再次进行预设角度交叉；所述能量馈入口（1‑1）固定设置于第一发射线圈（1‑2）和第二发射线圈（1‑3）进行预设角度交叉的折线处。

2.根据权利要求1所述的基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置，其特征在于，所述磁共振无线电能接收模块包括依次连接的接收谐振网络、整流稳压电路、滤波电路、接收蓝牙控制电路、电源管理电路和负载；所述接收谐振网络和接收天线连接；

所述接收谐振网络和接收天线组成接收LC串并联谐振电路，并用于将射频能量转换为交流信号；

所述整流稳压电路用于对交流信号进行整流稳压；

所述滤波电路用于滤除脉动直流电压中的交流成分，保留其直流成分，降低输出电压纹波系数；

所述接收蓝牙控制电路用于与发射蓝牙检测电路进行通信，使发射蓝牙检测电路根据接收天线的位置控制无线充电传输装置的工作方式；

所述电源管理电路用于对负载进行充电供电。

3.根据权利要求1所述的基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置，其特征在于，所述第一缠绕方式中，若干组发射线圈平行排列在三维多面体外壁上；所述能量馈入口（1‑1）固定设置于每组发射线圈中的一条发射线圈上。

4.根据权利要求1所述的基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置，其特征在于，所述第三缠绕方式中，三维多面体的外表面上设置有铁氧体涂层；多组所述发射线圈平行排列在三维多面体上。

5.根据权利要求1所述的基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置，其特征在于，所述接收天线包括铁氧体磁芯（2‑1）、漆包线（2‑2）和能量输出口（2‑3）；

所述漆包线（2‑2）平行排列在铁氧体磁芯（2‑1）的外壁上；所述能量输出口（2‑3）固定设置于铁氧体磁芯（2‑1）的底部。

说明书

基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置

技术领域

[0001] 本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置。

背景技术

[0002] 随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的小型消费电子产品、物联网传感器、工业传感器和微型诊疗设备等电子设备越来越普及，然而大多数该类设
备仍然依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现充电，充电线的物理连接限制了该类
设备使用的方便性，而充电口的存在成为了该类设备的进一步小型化的设计瓶颈，另外，通
过插拔插头有线充电的方式也对设备的防水防潮设计提出了很高的要求，增加了加工成
本，并存在用电安全隐患。因此，越来越多的该类电子设备开始探索无线充电的方式为其进
行充电。目前行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，另一种是Airfuel联盟主推的磁谐振耦合技术，还有一种是电磁辐射
式无线输能技术。相比于磁感应技术，磁谐振合技术在充电距离、空间自由度、一对多充和
功率扩展上有明显优势；相比于电磁辐射式无线输能技术，磁谐振耦合技术在能量转化效
率、传输功率和电磁安全方面更具备实用价值。

[0003] 然而当收发天线尺寸差异较大，充电接收端需在一个较大的立体空间范围内自由充电时，磁谐振技术的应用存在着设计难度；例如，对于小型设备放置于收纳盒中无线充电
的应用场景，由于内置于设备内部的接收天线尺寸相对于收纳盒尺寸很小，要做到真正意
义的随放随充，随取随用，往往需要被充设备在收纳盒构成的三位立体空间内任意位置任
意角度都能维持稳定高效的无线充电，整体能量转换效率均衡，这对磁谐振系统收发天线
的设计提出了较高挑战；又例如用于医学诊疗的胶囊内镜，全称为智能肠镜胶囊消化道内
镜系统，胶囊内置摄像头依赖于胶囊内部锂电池供电，由于胶囊尺寸很小，导致该电池容量
很小，续航能力不够，而人体肠道很长，胶囊需要采集图像信息的时间较长，目前胶囊内镜
只能采用降低采集频率即图像帧数的方式来延长内镜的有效工作时间，但降低采集频率会
导致胶囊错过真正病灶区域而无法获取真实有效的诊疗数据。由于胶囊内镜在人体内行走
路径较长，且需完全密封来避免感染，无法采用有线连接的方式为其进行二次充电，无线充
电成为了延长胶囊续航能力和增加胶囊诊疗精度和可靠性的唯一方式。而将磁谐振技术应
用于胶囊内镜的无线充电时，同样存在着收发天线尺寸差异较大，胶囊需在人体胃肠系统
构成的三维立体空间内自由移动，在任意位置、任意角度时需维持高效稳定的无线充电的
技术难题。

[0004] 为了解决以上技术难题，本发明提出了一种采用多天线切换的三维立体磁谐振无线电能传输系统设计方案。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决目前磁共振无线电能传输技术在实际应用中，当被充设备尺寸较小，且需在一个较大的立体空间范围内自由充电并保持相对稳定的能量转换效率
时，收发端设计上存在的技术难题。为构建一个较大的无线充电立体区域，发射天线尺寸也
需较大，而当被充设备尺寸较小时，收发天线的尺寸存在较大差异，从而导致被充设备在发
射天线构成的三位立体空间内很难维持稳定的无线充电效果，整体能量转换效率随位置和
角度的变化较明显。针对该技术问题，本发明提出了一种基于多天线切换的三维多面体磁
谐振无线充电传输装置。

[0006] 本发明的技术方案是：一种基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置包括依次连接的磁共振无线电能发射模块、若干磁共振发射天线、若干接收天线和磁共
振无线电能接收模块；

[0007] 磁共振无线电能发射模块用于将直流电源转换为射频能量，发送至磁共振发射天线，并控制无线充电传输装置的工作方式；

[0008] 磁共振发射天线用于将射频能量转换为空间中分布的电抗场；

[0009] 接收天线用于与磁共振发射发射天线产生磁共振耦合，将空间中的电抗场转换为射频能量；

[0010] 磁共振无线电能接收模块用于将射频能量转换为直流功率，并为负载进行充电或供电。

[0011] 进一步地，磁共振无线电能发射模块包括电源适配器、稳压电路、发射蓝牙检测电路、调频电路、驱动电路、射频功放电路、若干LC匹配网络、若干主路开关、若干发射谐振电
容、若干中继耦合电容和若干电容切换开关；

[0012] 电源适配器、稳压电路和发射蓝牙检测电路依次通信连接；稳压电路分别与调频电路和射频功放电路通信连接；调频电路通过驱动电路和射频功放电路通信连接；射频功
放电路、LC匹配网络和主路开关依次通信连接；主路开关通过发射谐振电容和中继耦合电
容与电容切换开关通信连接；发射蓝牙检测电路还分别与主路开关和电容切换开关通信连
接；电容切换开关和磁共振发射天线通信连接。

[0013] 进一步地，电源适配器用于将220V交流电转换为直流电源，并为磁共振无线电能发射模块供电；

[0014] 稳压电路用于对输入电压进行稳压；

[0015] 发射蓝牙检测电路用于采集接收天线位置，并控制切换无线充电传输装置的工作方式，其工作方式包括谐振匹配和中继耦合匹配；

[0016] 调频电路用于调整发射工作频率，并将直流转换为射频信号；

[0017] 驱动电路用于驱动射频功放电路；

[0018] 射频功放电路用于放大无线电能的功率；

[0019] LC匹配网络和串并联谐振电容组与磁共振发射天线一一对应组成发射LC串并联谐振电路，用于确定无线充电传输装置的谐振频率；

[0020] 其中，当LC匹配网络和串并联谐振电容组与磁共振发射天线一一对应组成若干组谐振发射天线时，其中一部分磁共振发射天线的工作频率采用谐振频率，其余磁共振发射
天线均与中继耦合电容连接，组成若干组工作频率为中继耦合匹配频率的中继耦合天线；

[0021] 发射谐振电容和磁共振发射天线一一对应组成LC串联谐振电路，通过调整发射谐振电容的参数控制无线充电传输装置的谐振频率；

[0022] 中继耦合电容和磁共振发射天线一一对应组成LC串联中继耦合谐振电路，通过调整中继耦合电容的参数控制无线充电传输装置的中继耦合频率；

[0023] 主路开关用于切换无线充电传输装置的射频主路通断；

[0024] 电容切换开关用于切换发射谐振电容和中继耦合电容。

[0025] 进一步地，磁共振无线电能接收模块包括依次连接的接收谐振网络、整流稳压电路、滤波电路、接收蓝牙控制电路、电源管理电路和负载；接收谐振网络和接收天线连接；

[0026] 接收谐振网络和接收天线组成接收LC串并联谐振电路，并用于将射频能量转换为交流信号；

[0027] 整流稳压电路用于对交流信号进行整流稳压；

[0028] 滤波电路用于滤除脉动直流电压中的交流成分，保留其直流成分，降低输出电压纹波系数；

[0029] 接收蓝牙控制电路用于与发射蓝牙检测电路进行通信，使发射蓝牙检测电路根据接收天线的位置控制无线充电传输装置的工作方式；

[0030] 电源管理电路用于对负载进行充电供电。

[0031] 进一步地，磁共振发射天线缠绕于三维多面体外壁上，其包括若干组发射线圈和若干能量馈入口；能量馈入口固定设置于每组发射线圈上；每组发射线圈采用第一缠绕方
式、第二缠绕方式或第三缠绕方式缠绕于三维多面体外壁上。

[0032] 进一步地，第一缠绕方式中，若干组发射线圈平行排列在三维多面体外壁上；能量馈入口固定设置于每组发射线圈中的一条发射线圈上。

[0033] 进一步地，第二缠绕方式中，每组发射线圈包括第一发射线圈和第二发射线圈，第一发射线圈和第二发射线圈在预设长度内平行排列在三维多面体外壁上，在预设长度后进
行预设角度交叉，并在交叉后继续平行排列在三维多面体外壁上，直至到达下一预设长度
后再次进行预设角度交叉；能量馈入口固定设置于第一发射线圈和第二发射线圈进行预设
角度交叉的折线处。

[0034] 进一步地，第三缠绕方式中，三维多面体的外表面上设置有铁氧体涂层；多组发射线圈平行排列在三维多面体上。

[0035] 进一步地，接收天线包括铁氧体磁芯、漆包线和能量输出口；

[0036] 漆包线平行排列在铁氧体磁芯的外壁上；能量输出口固定设置于铁氧体磁芯的底部。

[0037] 本发明的有益效果是：

[0038] （1）本发明中的发射天线为多组天线，当其中一个作为主发射天线时，其他天线作为中继耦合天线，收发天线均采用立体多层绕线结构，且接收天线尺寸较小，收发天线尺寸
差异较大，适用于为续航能力有限和无法进行有线供电的微型设备充电供电。

[0039] （2）本发明中的三维多面体从底部开始绕制线圈一直延伸至三维立体侧面，发射天线可采用串并连方式，侧面天线可增加其充电垂直高度和提升边缘位置的充电效率，有
效的增加了当收发形成一定角度时可充电的角度和水平自由度。

[0040] （3）本发明中在发射天线外侧面增加铁氧磁体片或铁氧体涂层，发射天线感值会增加，发射效率较为明显的提高。

附图说明

[0041] 图1为无线充电传输装置的结构图；

[0042] 图2为发射天线第一缠绕方式的示意图；

[0043] 图3为发射天线第一缠绕方式的结构图；

[0044] 图4为发射天线第二缠绕方式的结构图；

[0045] 图5为发射天线第三缠绕方式的结构图

[0046] 图6为发射天线第三缠绕方式的结构图

[0047] 图7为接收天线的结构图；

[0048] 图8为发射天线外侧与外侧底部加铁氧磁体片与不加铁氧磁体片的效率变化对比图；

[0049] 图9为接收天线加磁芯与不加磁芯位置变化的效率关系图；

[0050] 图10为接收天线一端出现金属与两端出现金属变化效率关系图；

[0051] 图中，1‑1、能量馈入口；1‑2、第一发射线圈；1‑3、第二发射线圈；2‑1、铁氧体磁芯；2‑2、漆包线；2‑3、能量输出口。

具体实施方式

[0052] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

[0053] 如图1所示，本发明提供了一种基于多天线切换的三维多面体磁谐振无线充电传输装置，包括依次连接的磁共振无线电能发射模块、若干磁共振发射天线、若干接收天线和
磁共振无线电能接收模块；

[0054] 磁共振无线电能发射模块用于将直流电源转换为射频能量，发送至磁共振发射天线，并控制无线充电传输装置的工作方式；

[0055] 磁共振发射天线用于将射频能量转换为空间中分布的电抗场；

[0056] 接收天线用于与磁共振发射发射天线产生磁共振耦合，将空间中的电抗场转换为射频能量；

[0057] 磁共振无线电能接收模块用于将射频能量转换为直流功率，并为负载进行充电或供电。

[0058] 三维立体多天线切换无线充电传输装置采用单组或多组发射天线切换系统用于对接收天线在不同位置而去切换发射匹配电路，切换为发射谐振电路和中继耦合电路以保
证其收发天线的传输效率和垂直充电范围。发射天线采用三维立体绕线方式，让接收天线
在三维立体空间范围内一直处于高耦合高效率状态，可解决接收天线为平面结构时在三维
立体空间范围内的充电效率变化较大，空间充电范围较小，平面接收天线小充电距离短等
问题；

[0059] 在本发明实施例中，磁共振无线电能发射模块包括电源适配器、稳压电路、发射蓝牙检测电路、调频电路、驱动电路、射频功放电路、若干LC匹配网络、若干主路开关、若干发
射谐振电容、若干中继耦合电容和若干电容切换开关；

[0060] 电源适配器、稳压电路和发射蓝牙检测电路依次通信连接；稳压电路分别与调频电路和射频功放电路通信连接；调频电路通过驱动电路和射频功放电路通信连接；射频功
放电路、LC匹配网络和主路开关依次通信连接；主路开关通过发射谐振电容和中继耦合电
容与电容切换开关通信连接；发射蓝牙检测电路还分别与主路开关和电容切换开关通信连
接；电容切换开关和磁共振发射天线通信连接。

[0061] 在本发明实施例中，电源适配器用于将220V交流电转换为直流电源，并为磁共振无线电能发射模块供电；

[0062] 稳压电路用于对输入电压进行稳压；

[0063] 发射蓝牙检测电路用于采集接收天线位置，并控制切换无线充电传输装置的工作方式，其工作方式包括谐振匹配和中继耦合匹配；

[0064] 调频电路用于调整发射工作频率，并将直流转换为射频信号；

[0065] 驱动电路用于驱动射频功放电路；

[0066] 射频功放电路用于放大无线电能的功率；

[0067] LC匹配网络和串并联谐振电容组与磁共振发射天线一一对应组成发射LC串并联谐振电路，用于确定无线充电传输装置的谐振频率；

[0068] 其中，当LC匹配网络和串并联谐振电容组与磁共振发射天线一一对应组成若干组谐振发射天线时，其中一部分磁共振发射天线的工作频率采用谐振频率，其余磁共振发射
天线均与中继耦合电容连接，组成若干组工作频率为中继耦合匹配频率的中继耦合天线；

[0069] 发射谐振电容和磁共振发射天线一一对应组成LC串联谐振电路，通过调整发射谐振电容的参数控制无线充电传输装置的谐振频率；

[0070] 中继耦合电容和磁共振发射天线一一对应组成LC串联中继耦合谐振电路，通过调整中继耦合电容的参数控制无线充电传输装置的中继耦合频率；

[0071] 主路开关用于切换无线充电传输装置的射频主路通断；

[0072] 电容切换开关用于切换发射谐振电容和中继耦合电容。

[0073] 在本发明实施例中，磁共振无线电能接收模块包括依次连接的接收谐振网络、整流稳压电路、滤波电路、接收蓝牙控制电路、电源管理电路和负载；接收谐振网络和接收天
线连接；

[0074] 接收谐振网络和接收天线组成接收LC串并联谐振电路，并用于将射频能量转换为交流信号；

[0075] 整流稳压电路用于对交流信号进行整流稳压；

[0076] 滤波电路用于滤除脉动直流电压中的交流成分，保留其直流成分，降低输出电压纹波系数，使电流更加平滑；

[0077] 接收蓝牙控制电路用于与发射蓝牙检测电路进行通信，使发射蓝牙检测电路根据接收天线的位置控制无线充电传输装置的工作方式；

[0078] 电源管理电路用于对负载进行充电供电。

[0079] 接收端天线匹配电路包含串联匹配和并联匹配，在只有串联电路时整流电压不高其带载能力低，当加入并联匹配后整流电压大幅度提高其带载能力增强。

[0080] 在本发明实施例中，磁共振发射天线缠绕于三维多面体外壁上，其包括若干组发射线圈和若干能量馈入口1‑1；能量馈入口1‑1固定设置于每组发射线圈上；每组发射线圈
采用第一缠绕方式、第二缠绕方式或第三缠绕方式缠绕于三维多面体外壁上。

[0081] 在本发明实施例中，如图2和图3所示，第一缠绕方式中，若干组发射线圈平行排列在三维多面体外壁上；能量馈入口1‑1固定设置于每组发射线圈中的一条发射线圈上。

[0082] 在本发明实施例中，如图4所示，第二缠绕方式中，每组发射线圈包括第一发射线圈1‑2和第二发射线圈1‑3，第一发射线圈1‑2和第二发射线圈1‑3在预设长度内平行排列在
三维多面体外壁上，在预设长度后进行预设角度交叉，并在交叉后继续平行排列在三维多
面体外壁上，直至到达下一预设长度后再次进行预设角度交叉；能量馈入口1‑1固定设置于
第一发射线圈1‑2和第二发射线圈1‑3进行预设角度交叉的折线处。

[0083] 多组发射天线均可采取多线交叉并绕方式，其优点在于，当发射天线与接收天线在进行充电时接收天线出现有一定的偏移角度时能保持充电电流不变，这种方式能增大接
收天线的角度范围，此种方式也能增加空间范围内的度垂直充电高度。

[0084] 多线并绕的优点在于单组且不限于发射天线采用四股并连立体环形绕线方式，单组线圈采用平行紧密绕线方式但不仅限于此种方式，此种方式采用独立两组发射天线能增
加三个点的效率但是整体充电高度范围将会下降10cm，两组发射天线能组成有效垂直充电
高度在19cm，此种方式可用N组发射天线无限增加其充电高度；且不限于上述两种天线结
构。

[0085] 在本发明实施例中，如图5和图6所示，第三缠绕方式中，三维多面体的外表面上设置有铁氧体涂层；多组发射线圈平行排列在三维多面体上。

[0086] 在发射天线外侧面增加铁氧体和在发射天线外底面增加铁氧体，这样可增加发射天线的感值与Q值，感值与Q值的增加可大幅度提高充电效率。此种方式能增加整体空间范
围内的充电效率和垂直高度，收发天线形成的充电角度，提高了整体的水平自由度。在发射
天线范围内的整体充电效率达到了75%以上。外底部加铁氧体可增加三维立体空间中心位
置的充电效率，其达到了60%以上。此时可在有金属的一端或两端增加一层铁氧体来屏蔽金
属对接收天线的影响。

[0087] 在本发明实施例中，如图7所示，接收天线包括铁氧体磁芯2‑1、漆包线2‑2和能量输出口2‑3；

[0088] 漆包线2‑2平行排列在铁氧体磁芯2‑1的外壁上；能量输出口2‑3固定设置于铁氧体磁芯2‑1的底部。

[0089] 铁氧体磁芯能有效的增加天线的感值与Q值，感值与Q值的增加极大提高了充电的效率与充电的范围。其中磁芯的形态和尺寸与天线的线径与绕线方式不限于此种方式。当
发射天线出现各种形变功放端电流检测出现较大变化，功放就会去调整激励源的频率或者
调整激励源的幅值，激励源幅值调整不限定为电压幅度或电流幅度，跟随发射的形变调整，
调整后的效率将与形变前的一致。

[0090] 在本发明实施例中，三维立体多面体绕线方式是根据三维立体从外底部开始绕制线圈一直延伸至三维立体外侧面，发射天线可采用串并连连接，类似于6面体的5面全部都
有天线，规则多面体与不规则多面体也可适用于本方案。底部天线可增加三维立体空间内
中心的充电效率，侧面天线可增加其充电垂直高度和提升边缘位置的充电效率和收发形成
角度以后效率不变。接收天线采用磁芯表面绕线方式，这样能有效的解决天线小匝数少其
感值与Q值低的情况。这种方式能将接收天线做到小型化，且三维立体空间范围内充电垂直
高度高，收发天线形成角度时充电效率不变。此方式解决了接收天线为平面结构不能做到
小型化、不便于内置于实用场景和收发天线可变充电角度小等问题。

[0091] 如图1所示，本发明提供了无线充电传输装置，用于根据发射天线对接收天线所处位置的检测结果进行无线电能传输，对负载进行充电供电。三维立体多天线切换无线充电
传输系统中发射天线可一组发射天线或N组发射天线，当其中一组发射天线采用发射谐振
频率工作时，其余的发射天线均采用中继耦合频率，两组发射天线或多组发射天线采用发
射谐振和中继耦合工作频率。

[0092] 一组发射天线或N组发射天线采用两种发射谐振匹配频率和中继耦合匹配频率，当其中一组发射天线采用发射谐振频率时其余的发射天线均采用中继耦合频率，因此一组
发射天线或N组发射天线可同时工作，以做到接收天线在发射天线内不同的垂直范围，发射
天线能根据接收天线所处位置去选择发射谐振电容频率和中继耦合电容频率，以保证发射
天线和接收发天线的传输效率。以保证接收天线在人体内时，接收天线不论在发射天线范
围内的何处位置时都能保证不间断供电，由于一组或N组发射天线采用不同的工作频率，当
其中一组发射天线采用发射谐振频率时其余的发射天线均采用中继耦合频率，因此两组发
射天线或N组发射天线对彼此的干扰会很小，不会影响彼此的正常工作。

[0093] 当其中一组发射天线采用发射谐振电容时，其余的发射天线均采用中继耦合电容。此时除开发射谐振这一路使用发射谐振电容，其余多路发射天线均断开主路开关与发
射谐振电容切换开关，此时的中继耦合电容将和电容切换开关一起与磁共振发射天线N组
成中继耦合回路。

[0094] 如图2所示，本实施例中，发射天线采用单组且不限于采用四股并连立体环形绕线方式，单组线圈采用平行紧密绕线方式，但不仅限于此种方式。本发明中，用独立两组发射
天线能增加三个点的效率，但是整体充电高度范围将会比交叉绕线方式下降10cm，两组发
射天线组成有效垂直充电高度在19cm，此种方式可用N组天线无限增加其充电高度。

[0095] 如图3所示，本实施例中发射天线采用单组且不限于发射天线采用四股并连立体环形绕线方式，每组独立的线圈均有能量馈入口1‑1。发射天线的线径，线材的并连方式，绕
线方式并不固定，可在实际运用中进行多种组合。

[0096] 如图4所示，本实施例中发射天线结构和尺寸不固定，三维立体多天线的周长为110cm，有效垂直充电范围是29cm，第一发射线圈1‑2和第二发射线圈1‑3的间距为6.5cm，每
组发射天线交叉后的平行距离为2.5cm，每组天线整体宽度为3.5cm。这些尺寸均可不固定，
可根据实际需求灵活变动，发射天线为一组或多组天线。每一组发射天线都有能量馈入口；
每组天线平行相交点的位置与之相对的背面也有一样对称的相交点，在本发明中天线相交
点的角度成30°夹角，此角度不固定根据实际需求可大可小。

[0097] 两小组天线之间平行距离为2.5cm但不仅限于此距离。两组独立天线之间的距离为6cm但不仅限于此距离，N组天线也是如此。两小组天线平行相交，两个相交中心对称点此
位置有三十度夹角，这样有利于发射天线与接收天线在进行充电时接收天线出现有一定的
偏移角度≤60°时能保持充电电流不变，此角度可根据收发天线的调整能增加到90°，这种
方式能增大接收天线的角度范围，用独立两组发射天线能组成垂直充电高度达29cm。可用N
组发射天线无限增加其充电高度。

[0098] 如图5所示，此三维立体多面体为正方体开口，还可以为立体圆形、立体不规则多面体和规则多面体等。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得到呈
正方体开口状的三维多面体完全适用于本方案。

[0099] 如图6所示，为正方体开口盒体的二维图。

[0100] 如图7所示，本实施例所设计的磁共振无线电能的接收天线图，接收天线采用圆柱体立体多层紧密绕线结构。图中，白色部分代表铁氧体磁芯，上表面有一层黑色材质表示屏
蔽材料，在实际运用中屏蔽材料是将接收天线一端或两端全覆盖的。在本发明中，发射天线
采用在圆柱磁芯表面用漆包线绕制，发现其磁芯能有效的增加天线的感值与Q值，感值与Q
的增加极大提高了充电的效率与充电的范围。可根据具实际需求去选择合适的磁芯。其中
磁芯的形态和尺寸与天线的线径与绕线方式均不固定。在增大磁芯的直径，长度和发射天
线的线径能有效的增加其充电效率和水平自由度。

[0101] 如图8所示，是三维立体无线充电传输装置中发射天线外侧与外侧底部加铁氧磁体片与不加铁氧磁体片的效率变化对比，X轴表示从三维立体中心位置向两边拓展的水平
充电距离，Y轴表示效率百分点。当不加铁氧体时漏极整体充电效率最低，充电位置从中间
开始向边缘移动效率逐渐升高。当加入铁氧磁体片或铁氧磁体涂层以后漏极整体效率比不
加铁氧磁体的效率要高20个百分点，充电位置从中间开始向边缘移动效率逐渐升高。

[0102] 如图9所示，是三维立体无线充电传输装置接收天线加磁芯与不加磁芯位置变化与效率关系，不加磁芯的效率是最低的，当加入磁芯以后效率最高。

[0103] 如图10所示，当两端都有金属材质以后效率会出现更大的下降，当金属对其接收天线两端有影响时，两端加铁氧磁体片屏蔽其影响。金属材质贴近接收天线的一端或两端
会导致接收天线的感值与Q值出现下降，此问题可加一层铁氧体去屏蔽金属对接收天线的
影响。加屏蔽材料并不能完完全全屏蔽掉金属的影响，铁氧磁体片也就相当于另外一种金
属。如图10所示，当接收天线没有金属影响时的效率要高于两端都有金属影响。

[0104] 本发明需要实时监测接收天线在发射天线范围内的位置，并基于两组发射天线所在不同的工作频率当其中一组发射天线作为发射时另外一组或N组发射天线就作为中继天
线，工作原理及过程为：本发明需系统，两组发射天线同时工作；两组发射天线具备不同的
功能，一组发射天线用于无线电能传输，另一组发射天线用于中继耦合天线将发射天线的
磁场拉伸延展提升垂直充电距离，并保证充电效率不变。

[0105] 本发明的工作原理及过程为：当电源适配器接入为整个电路通电时，磁共振无线充电传输装置开始工作，发射蓝牙检测电路用于控制匹配切换开关与天线切换开关进行双
天线切换扫描。当发射蓝牙检测电路与接收蓝牙检测电路通讯时采集到接收天线所处位置
的整流电压等值超过预设阀值的范围时，判定接收所处位置，则先控制开启磁共振发射天
线，将接收天线所在区域发射天线开启。然后开启中继天线。当接收输入稳定后接收蓝牙检
测电路打开电源管理电路给负载进行供电。当接收天线位置有所改变时且接收天线所处位
置的整流电压等值超过预设阀值的范围时充电流程又回到双天线切换扫描状态，重新扫描
判定接收天线所处位置，进入新的充电流程。当磁共振发射天线出现形变时功放蓝牙采集
到功放端电流有较大变化时，蓝牙控制电路将断开匹配开关，天线切换开关，此时充电流程
又回到双天线切换扫描状态，重新扫描判定接收天线所处位置，进入新的充电流程。

[0106] 收发天线具有较大差异性，接收天线较小且垂直充电高度需求高，接收天线在发射天线范围内的活动范围广，收发天线存在角度时能保证充电效率不变，充电水平自由度
要求较高，收发天线需采用三维立体结构。更好的对其负载充电供电。

[0107] 本发明的有益效果为：

[0108] （1）本发明中的发射天线为多组天线，当其中一个作为主发射天线时，其他天线作为中继耦合天线，收发天线均采用立体多层绕线结构，且接收天线尺寸较小，收发天线尺寸
差异较大，适用于为续航能力有限和无法进行有线供电的微型设备充电供电。

[0109] （2）本发明中的三维多面体从底部开始绕制线圈一直延伸至三维立体侧面，发射天线可采用串并连方式，侧面天线可增加其充电垂直高度和提升边缘位置的充电效率，有
效的增加了当收发形成一定角度时可充电的角度和水平自由度。

[0110] （3）本发明中在发射天线外侧面增加铁氧磁体片或铁氧体涂层，发射天线感值会增加，发射效率较为明显的提高。

[0111] 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。