專利名稱：無線非輻射能量傳遞的制作方法
無線非輻射能量傳遞優(yōu)先權(quán)信息本申請要求2005年7月12日提交的臨時(shí)申請No.60/698442的 優(yōu)先權(quán)，將其全部并入本文中作為參考。技術(shù)領(lǐng)域本申請涉及振蕩共振電磁模式的領(lǐng)域，尤其涉及用于無線非輻射 能量傳遞的具有局部緩慢漸逝場圖樣的振蕩共振電磁模式。技術(shù)背景在電磁學(xué)的早期，部署電線輸電網(wǎng)絡(luò)之前，人們投入大量的熱情 和努力研究開發(fā)不需要任何載體媒介來無線長距離傳送能量的方案。 這些努力看起來取得很少成就。全向天線的輻射模式對于信息傳遞來 說十分有效，但是不適合這種能量傳遞，這是因?yàn)榻^大多數(shù)能量浪費(fèi) 在自由空間中。使用激光器和強(qiáng)方向性天線的定向輻射模式可以被高 效率地用于即使長距離(傳遞距離L傳遞》L設(shè)備，其中L設(shè)備是設(shè)備的 特征尺寸)的能量傳遞，但是在移動(dòng)對象的情況下需要存在不可中斷 的視線和復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)。近年來自主電子設(shè)備的快速發(fā)展(例如，手提電腦、蜂窩電話、 家用自動(dòng)機(jī)，它們通常都依靠化學(xué)能量存儲(chǔ))提供了重新研究這個(gè)課 題的需要。今天，已有的電線網(wǎng)絡(luò)幾乎在任何地方運(yùn)載能量，即使中 距離的無線非輻射能量傳遞也是十分有用的。當(dāng)前用于某些重要應(yīng)用 的一個(gè)方案依靠電磁感應(yīng)，但是這種方案限制于很近距離(L頓<<L 設(shè)備)的能量傳遞。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種電磁能量傳遞設(shè)備。該電磁 能量傳遞設(shè)備包括用于從外部電源接收能量的第一共振器結(jié)構(gòu)。第一共振器結(jié)構(gòu)具有第一品質(zhì)因數(shù)(Q-factor)。第二共振器結(jié)構(gòu)位于遠(yuǎn)離第一共振器結(jié)構(gòu)的位置，向外部負(fù)載供應(yīng)可用的工作功率。該第二共 振器結(jié)構(gòu)具有第二品質(zhì)因數(shù)。這兩個(gè)共振器之間的距離可以大于每個(gè)共振器的特征尺寸。通過耦合第一共振器結(jié)構(gòu)和第二共振器結(jié)構(gòu)的共 振場漸逝跡線(tail),實(shí)現(xiàn)第一共振器結(jié)構(gòu)和第二共振器結(jié)構(gòu)之間的 非輻射能量傳遞。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種電磁能量傳遞方法。該方 法包括提供用于從外部電源接收能量的第一共振器結(jié)構(gòu)。第一共振器 結(jié)構(gòu)具有第一品質(zhì)因數(shù)。該方法還包括第二共振器結(jié)構(gòu)，其位于遠(yuǎn)離第一共振器結(jié)構(gòu)的位置，向外部負(fù)載供應(yīng)可用的工作功率。該第二共 振器結(jié)構(gòu)具有第二品質(zhì)因數(shù)。這兩個(gè)共振器之間的距離可以大于每個(gè)共振器的特征尺寸。另外，該方法包括通過耦合第一共振器結(jié)構(gòu)和第 二共振器結(jié)構(gòu)的共振場漸逝跡線在第一共振器結(jié)構(gòu)和第二共振器結(jié) 構(gòu)之間傳遞非輻射能量。


圖1示出了說明本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的示意圖； 圖2A是與電場一起的半徑為r的高指標(biāo)(index)圓盤腔的數(shù)值FDTD結(jié)果；圖2B是針對兩個(gè)共振圓盤腔之間的中距離耦合的數(shù)值FDTD結(jié)果最初，所有能量在一個(gè)腔中(左面)， 一定時(shí)間之后，兩個(gè)腔被相等地激勵(lì)(右面)。圖3是示出了兩個(gè)電容性負(fù)載的導(dǎo)線環(huán)的示意圖；圖4A和4B是針對由于從外部對象的散射而導(dǎo)致共振盤腔的輻射g降低的數(shù)值FDTD結(jié)果；圖5是針對在存在外部對象的情況下兩個(gè)共振盤腔之間的中距離耦合的數(shù)值FDTD結(jié)果；圖6A和6B示出了作為耦合-到-k/rd的函數(shù)，將所供功率轉(zhuǎn)換成有用功的效率(7w)、設(shè)備處的輻射和歐姆損耗的效率"d)、源處的輻射和歐姆損耗的效率(;/s)、以及人體內(nèi)部的消散的效率(7h);在 圖(a)中，選擇^以最小化設(shè)備中存儲(chǔ)的能量，在圖(b)中，選擇 rw以最大化對于每個(gè)k/rd的效率i 。
具體實(shí)施方式
相比于現(xiàn)有的方案，本發(fā)明提供了使用具有局部緩慢漸逝場圖樣 的長壽的振蕩共振電磁模式進(jìn)行無線非輻射能量傳遞的可行性。這種 技術(shù)的基礎(chǔ)是兩個(gè)同頻率的共振對象趨向于耦合，而與其他非共振環(huán) 境對象微弱地相互作用。本發(fā)明的目的是使用具體例子來量化這種機(jī) 帝U， BP,定量地解決以下問題在什么樣的距離范圍內(nèi)這種方案是有 效率的，以及這種方案對于外部擾動(dòng)的敏感性如何。詳細(xì)的理論和數(shù) 值分析表明實(shí)際上可以獲得中距離(L傳遞《有限數(shù)量XL設(shè)備)無線能 量交換，而只有很少的能量傳遞和消散到其他非共振對象中。近場的全向但穩(wěn)定(無損耗)特性使得這種機(jī)制適合于移動(dòng)無線接收機(jī)。從而可以具有多種可能的應(yīng)用形式，例如包括將與有線電網(wǎng)連接的源放置在工廠房間的天花板上，而諸如自動(dòng)機(jī)、車輛、計(jì)算 機(jī)等的設(shè)備在房間內(nèi)自由移動(dòng)。其他可能的應(yīng)用包括電引擎公共汽車、RFID、以及甚至有可能是納米機(jī)器人。該創(chuàng)新的無線能量傳遞方案的距離范圍(range)和速率(rate) 是首要的考察主題，而還未考慮從該系統(tǒng)導(dǎo)出能量用于工作。用于建 模共振對象之間能量交換的適當(dāng)分析框架是稱為"耦合模式理論 (coupled-mode theory)"的弱耦合方法。圖1是示出本發(fā)明一般描述 的示意圖。本發(fā)明使用源和設(shè)備進(jìn)行能量傳遞。源1和設(shè)備2都是共 振器結(jié)構(gòu)，并且彼此分開距離D。在這種布置中，源1和設(shè)備2的系 統(tǒng)的電磁場近似為F(r,0-",(0巧(r) + a2(r)F2(r)， 其中 Fu(r)-[EJr) H"r)]分別是源1和設(shè)備2的本征模式，那么可以用 場振幅",(/)和"2(0來滿足"耦合模式理論"<formula>formula see original document page 8</formula> (l)其中，氣2分別是本征頻率，1;2是由于對象的固有(吸收、輻射 等)損耗造成的共振寬度，^.21是耦合系數(shù)，122建模由于另一個(gè)對 象的存在造成的每個(gè)對象的復(fù)合頻率的偏移。在大多數(shù)情況下，所示的式l的方法提供了對具有相似復(fù)合本征 頻率(即，h-"2| h2,21|ir>r2)的對象的共振現(xiàn)象的良好描述， 它們的共振被合理地很好定義(即，r，,2&im^,^《l^"l)并且限制 為弱耦合(即，|^2,|<<%2)。巧合的是，這些要求還允許優(yōu)化能量傳 遞操作。式1還示出了在嚴(yán)格共振(w,^且r^r》下能量交換幾 乎是完美的，并且當(dāng)"耦合時(shí)間"遠(yuǎn)小于所有的"損耗時(shí)間"時(shí)損耗 最小。因此，本發(fā)明需要對于低固有損耗速率1;2具有高2= /(20的 共振模式，并且具有遠(yuǎn)比兩個(gè)對象的特征尺寸A和z2長的用于在大距 離D上的強(qiáng)耦合速率|^，21|的漸逝跡線，其中D是兩個(gè)對象之間的最 近距離。這是一個(gè)沒有被廣泛研究的工作領(lǐng)域(regime),因?yàn)槿藗?通常更喜歡利用短跡線來最小化與附近設(shè)備的干擾。諸如電介質(zhì)波導(dǎo)的幾乎無限延伸的對象可以支持導(dǎo)引模式，導(dǎo)引 模式的漸逝跡線當(dāng)被調(diào)諧到接近于截止時(shí)在遠(yuǎn)離對象的方向上緩慢 地指數(shù)衰減，并且可以具有幾乎無限的2。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的能量傳 遞方案，這樣的幾何結(jié)構(gòu)可能適合于某些應(yīng)用，但通常有限的對象， 即在拓?fù)渖咸幪幈豢諝獍鼑膶ο蟾线m。不幸的是，有限延伸的對象不能支持在空氣中所有方向上指數(shù)衰 減的電磁狀態(tài)，因?yàn)樵谧杂煽臻g中？2= 2/c2。因此，可以看到它 們不能支持無限2的狀態(tài)。然而，可以發(fā)現(xiàn)十分長壽的(所謂的"高 e")狀態(tài)，它們的跡線顯示出在它們振蕩(輻射)之前在足夠長的 距離上從共振對象開始的所需的類似指數(shù)的衰減。發(fā)生這種場活動(dòng)變 化的界面稱為"輻射焦散面(radiation caustic)",并且對于基于近場 而不是遠(yuǎn)/輻射場的無線能量傳遞方案來說，耦合的對象之間的距離 必須使得一個(gè)對象在另一個(gè)對象的輻射焦散面內(nèi)。本發(fā)明具有一般性，滿足上述要求的任何類型的共振結(jié)構(gòu)都可以 用于本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)。作為用于明確說明的例子，可以選擇利用兩個(gè)已 知的但很不同的電磁共振系統(tǒng)來工作電介質(zhì)圓盤和電容性負(fù)載的導(dǎo)線環(huán)。即使沒有優(yōu)化，并且不考慮它們的簡化，也將看到這兩種系統(tǒng) 展示出很好的性能。它們的不同主要在于由于實(shí)際考慮因素導(dǎo)致的適 用頻率范圍不同，例如，由于導(dǎo)電材料損耗更高，所以在光學(xué)領(lǐng)域中 更流行使用電介質(zhì)。考慮圖2A所示的由空氣包圍的具有半徑r和介電常數(shù)s的2D電 介質(zhì)圓盤腔(cavity),其支持高2的回音廊(shispering-gallety)模式。 使用分析建模和具有分辨率30;^/r的詳細(xì)的數(shù)值有限差分時(shí)域 (FDTD， fmite-difference-time-domain)仿真來研究這種腔，其中分 析建模諸如是將圓柱坐標(biāo)中的變量分開和應(yīng)用邊界條件。注意，3D 情況下的物理現(xiàn)象不應(yīng)該有很大不同，而分析復(fù)雜度和數(shù)值要求將極 大地增加。這兩種方法針對復(fù)合本征頻率和所謂"泄漏"本征模式的 場圖樣的結(jié)果對于多種幾何結(jié)構(gòu)和關(guān)注參數(shù)而言彼此取得很好的一 致。用于確定耦合強(qiáng)度AH&卜I^1的徑向模式衰減長度在波長的量 級上，因此，對于發(fā)生在腔之間的距離遠(yuǎn)大于它們的尺寸的腔之間的 耦合的近場來說，需要子波長尺寸的共振對象(r《義)。當(dāng)介電常數(shù) e實(shí)際上盡可能大并且(主數(shù)m的)方位場變化很慢(即，m很小)時(shí)，可以獲得高輻射Q和長跡線的子波長共振。圖2A示出了一個(gè)這樣的TE極化電介質(zhì)腔模式，其具有使用 ^=147.7和m=2的良好特性2輻射=1992和義/r-20 ，該TE極化電介質(zhì) 腔模式將是"測試"腔18，用于該類共振對象的所有后續(xù)計(jì)算。適 當(dāng)腔的另一個(gè)例子具有使用s=65.61和w=3的^射=9100和;1/"10。e的這些值最初可能看起來不切實(shí)際的大。然而，不僅在微波領(lǐng)域(適 用于米量程耦合應(yīng)用)中存在許多種具有足夠高的介電常數(shù)和低損耗 的材料，例如，二氧化鈦^96，ImW" 10-3 ，四鈦酸鋇 s-37，Im^Vssl(T4，鉭酸鋰c 40,Im{f}/s 10"等等，而且￡還可以 表示其他已知的子波長(;i/r》1)表面波系統(tǒng)的有效指標(biāo)，諸如類 似金屬(負(fù)s)材料或金屬電介質(zhì)光子晶體的表面上的表面等離子模 式的有效指標(biāo)。對于材料吸收來說，微波中的典型損耗角正切(例如，上面材料中列出的那些)建議<formula>formula see original document page 11</formula>。合并輻射和吸收的效應(yīng)， 上面的分析暗示出對于適當(dāng)設(shè)計(jì)的共振設(shè)備對象"，應(yīng)該可以獲得值 gr2000。但是注意到，實(shí)際中共振源^通常是固定不動(dòng)的，并且對 其所允許的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸的限制通常比對設(shè)備設(shè)計(jì)中的限制寬松 的多，因此，可以合理地假設(shè)能將輻射損耗設(shè)計(jì)為是可忽略的，允許 僅由吸收限定的Os~10000。現(xiàn)在，為了計(jì)算可獲得的能量傳遞速率，可以將兩個(gè)腔20、 22 如圖2B那樣設(shè)置成它們的中心之間相距D。那么，該組合系統(tǒng)的正 常模式是初始模式的奇偶疊加，并且它們的頻率通過耦合系數(shù)&分 開，我們想要計(jì)算的就是耦合系數(shù)&。分析上，耦合模式理論對于電介質(zhì)對象給出了 =pv五;w五/"。w/pv^wffW ，其中、200表示除了背景電介質(zhì)(自由空間)之外，單獨(dú)的對象1或單獨(dú) 的對象2的介電函數(shù)，eW表示兩個(gè)對象都存在的整個(gè)空間的介電函數(shù)。數(shù)值上，通過激勵(lì)其中 一個(gè)腔并計(jì)算到另 一個(gè)腔的能量傳遞時(shí)間，或者通過確定所分開的正常模式頻率，可以使用FDTD仿真來找到h 對于該"測試"圓盤腔，輻射焦散面的半徑rc是rc^77r，并且對于非 輻射耦合D"c，從而這里可以選擇"々=10、 7、 5、 3。那么，對于圖 3的相對于連接兩個(gè)腔的線為奇的模式，分析的預(yù)測是^/^=1602、 771、 298、 48，而數(shù)值的預(yù)測是w/2;t-1717、 770、 298、 47，所以這 兩種方法一致性很好。這兩個(gè)初始腔模式的輻射場根據(jù)它們的相對相 位和振幅而相長或相消地干涉，分別導(dǎo)致增加的或減少的凈輻射損 耗，從而對于任何腔距離，偶和奇正常模式分別具有一個(gè)大于初始單 腔2=7992和一個(gè)小于初始單腔Q=/9W的g (耦合模式理論未捕獲 到的現(xiàn)象)，但是平均r總是近似為r-w/22。因此，相應(yīng)的耦合-損耗比是*/「=1.16、 2.59、 6.68、 42.49，雖然它們沒有落入相同的操作 領(lǐng)域t/r》1，但是所得到的值仍足夠大，足以用于實(shí)際應(yīng)用。如圖3所示，考慮環(huán)10或12，其具有N個(gè)半徑為r的導(dǎo)線線圈， 半徑為a的圓形截面中被空氣包圍。該導(dǎo)線具有電感 "/VV [ln(Sr/a)-2]，其中^是自由空間的磁導(dǎo)率，因此將該導(dǎo)線連 接到電容C將使得該環(huán)在頻率w^/VZ^共振。共振的本質(zhì)是從電容 器兩端電壓產(chǎn)生的電容器內(nèi)部的電場到電線中的電流產(chǎn)生的自由空 間中的磁場的周期性能量交換。該共振系統(tǒng)中的損耗包括電線中的歐 姆損耗和自由空間中的輻射損耗。對于非輻射耦合，應(yīng)該使用近場區(qū)，其范圍由波長;i大致設(shè)定， 從而優(yōu)選的操作領(lǐng)域是環(huán)很小(/"《;i)的情況。在這個(gè)限制中，與這兩個(gè)損耗通道相關(guān)聯(lián)的電阻分別是^ ,V/v^/2.AW"和7 箱農(nóng) =;r/6-;7。A^(fiWC)、其中/7是電線材料的電阻率，//?！?0^是自由空 間的阻抗。那么這種共振的品質(zhì)因數(shù)是Q=wi7p砍趙+及薪射入并且對 于由系統(tǒng)參數(shù)確定的某個(gè)頻率是最高的在較低頻率，其由歐姆損耗 主導(dǎo)，在較高頻率，由輻射主導(dǎo)。為了得到微波中的粗略估計(jì)，可以使用一個(gè)(N=l)銅線圈 (p=7.6PxJ0sQm)，然后，對于F乃m和fl^mm，例如適合于蜂窩 電話，品質(zhì)因數(shù)在戶3朋M/fe時(shí)到達(dá)峰值g="25，對于r-30cm和 a=2mm，適合于便攜式電腦或家用自動(dòng)機(jī)，在/=77^1^&時(shí)g=7703， 對于r=/cm和a=4mm (可以是房間天花板上的源環(huán))，在/=5M/z 時(shí)g=73"。所以總的來說，所期望的品質(zhì)因數(shù)為在;i/呻50 S0時(shí) 0 /OM~"OO，即適合于近場耦合。如圖3所示，其中心相距D的兩個(gè)環(huán)10和12之間的能量傳遞速 率由^-wM/2VZ^給出，其中M是兩個(gè)環(huán)10和12的互感。在限制 條件r《D《;i下，可以使用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)結(jié)果^ = "/(//。]\^/72//￡>3，這 意味著《/I~p/^/。例如，通過再次選擇D/r-"、 S、 6，對于 F化m (與以前使用的相同)的兩個(gè)環(huán)，可以分別得到《/2&=_3^3、 "B、 655，對于r^0cw7，可以分別得到《/及=77"、 ，/、 7風(fēng)對于r=1m，可以分別得到w/2k=6481、 3318、 1400。相應(yīng)的耦合-損 耗比在單環(huán)g達(dá)到峰值的頻率上達(dá)到峰值，對于三種環(huán)類型和距離 分另lJ為D0.4、 0.79、 1.97， 0.15、 0.3、 0.72,以及0.2、 0.4、 0.94。 不同的環(huán)的一個(gè)例子是/^/m (在天花板上的源)的環(huán)和^30cm (在 地板上的家用自動(dòng)機(jī))的環(huán)，它們相距I^3m(房間高度)，在戶6.4MHz 上達(dá)到峰值it/rA-0.88，其在各2的峰值之間。另外，這些值不在 最佳領(lǐng)域*/r 1中，但是將可以看到它們已經(jīng)足夠了 。重要的是意識(shí)到這個(gè)感應(yīng)方案與已經(jīng)使用的用于能量傳遞的近 距離感應(yīng)方案之間的區(qū)別在于那些方案是非共振的。使用耦合模式理 論，可以容易得看出，通過保持源的幾何結(jié)構(gòu)和其中存儲(chǔ)的能量為固 定，當(dāng)前提出的共振耦合感應(yīng)方案與傳統(tǒng)的非共振方案相比，允許^ 增加傳遞到設(shè)備用于工作的能量約1000倍，這是為什么現(xiàn)在可能實(shí) 現(xiàn)中距離能量傳遞的原因。電容性負(fù)載的導(dǎo)電環(huán)實(shí)際上被廣泛用作共 振天線(例如在蜂窩電話中)，但是這些導(dǎo)電環(huán)工作在〃義~1的遠(yuǎn)場 領(lǐng)域，并且將輻射2有意設(shè)計(jì)的很小以使天線高效率，所以它們不 適于能量傳遞。顯然，該創(chuàng)新的基于共振的無線能量傳遞方案的成功主要依賴于 對象共振的穩(wěn)健性。因此，它們對于靠近存在的任何非共振外部對象 的敏感性是所提出方案的需要分析的另一個(gè)方面。外部對象與共振對 象的相互作用可以通過修改式(1)中的耦合模式理論模型獲得，由 于外部對象不具有良好定義的共振或者遠(yuǎn)離共振，使得共振對象和外 部對象之間的能量交換很小，所以可以去除式(1)中的項(xiàng)K12。共振 對象A^中的場振幅的適當(dāng)分析模型變?yōu)?<formula>formula see original document page 13</formula> ( 2 )也就是，外部對象的影響只是對共振對象的共振產(chǎn)生擾動(dòng)，它具有兩方面第一，它通過b;的實(shí)部偏移它的共振頻率，從而使它與 其他共振對象失諧。這是一個(gè)很容易克服的問題，通過對每個(gè)設(shè)備應(yīng) 用反饋機(jī)制，每個(gè)設(shè)備例如通過幾何結(jié)構(gòu)的微小改變來糾正其頻率， 并使頻率與源的頻率匹配。第二，它使共振對象損耗模態(tài)能量，該損耗是由于通過外部對象中感應(yīng)出的極化或電流而使散射的能量從外 部對象輻射出去，并且由于外部對象中通過^的虛部的材料吸收。 這種0的減小對于能量傳遞方案的功能是有害的影響，因?yàn)椴荒軐?其進(jìn)行補(bǔ)救，所以必須量化其幅度。在已經(jīng)考慮的共振對象的第一個(gè)例子中，電介質(zhì)圓盤、小的、低 指標(biāo)的、低材料損耗、或遠(yuǎn)的雜散對象這類對象將引起很小的散射和 吸收。為了檢查減小^會(huì)更危險(xiǎn)的現(xiàn)實(shí)情況，可以將"測試"電介質(zhì)圓盤腔40放置成接近于(a)另一個(gè)非共振對象42，諸如人體， 如圖4A所示，對象42具有大的Re(e片49和Im^h16，并具有相 同的尺寸和不同的形狀；(b)粗糙表面46，諸如墻，如圖4B所示， 對象46具有大的延伸范圍，但是具有小的Re(f }=2.5和Im{ e }=0.05。在分析上，對于與小的擾動(dòng)相互作用的對象，由于散射而減小的 輻射g的值可以使用外部的對象X-42或粗糙表面X-46內(nèi)的共振腔 1所引起的極化|(^^(0|、 J"d3rlE,(r).Re^x(r川2進(jìn)行估計(jì)。由于在所研究的情況中，外部對象的折射指標(biāo)或尺寸很大，這些一階擾動(dòng)理論 結(jié)果的精確性不夠，從而只能依靠數(shù)值FDTD仿真?？梢酝ㄟ^ Im(k,J = w/2. ]"￡13,々)|2 Im{fx(r)}/ j^rl^Wl2 f(r)估計(jì)這些對象內(nèi)部的吸收2。使用這些方法，對于腔和外部對象中心之間的距離D/Fl0、7、5、 3，可以發(fā)現(xiàn)2觀產(chǎn)1992分別減小到g嶽產(chǎn)1988、 1258、 702、 226， 并且該對象內(nèi)部的吸收速率是2級f312530、 86980、 21864、 1662， 也就是，該腔的共振不會(huì)受到高指標(biāo)的和/或高損耗的外部對象的有 害干擾，除非(有可能移動(dòng)的)對象與該腔十分接近。對于腔和粗糙 表面之間的距離D/產(chǎn)10、 7、 5、 3，我們發(fā)現(xiàn)0薪i^2101、 2257、 1760、 1110、 572并且2微>4000，也就是，即使當(dāng)將腔嵌入在該表面上的 極端情況下，對初始共振模式的影響也低到可以接受的程度。注意到 接近金屬對象也可能顯著地散射共振場，但是可以為了簡化假設(shè)不存在這樣的對象?，F(xiàn)在設(shè)想一種組合的系統(tǒng)，其中，使用共振源對象S向共振設(shè)備對象d無線傳遞能量，但是存在一個(gè)非共振外部對象e。可以看到， 來自e的所有外來損耗機(jī)制的強(qiáng)度由lEs(rjf確定，即由在該外部對象 的位置&處計(jì)算的該共振源的跡線的小振幅的平方確定。與之相對， 從源到設(shè)備的能量的共振耦合的系數(shù)由在該設(shè)備的位置rd處計(jì)算的 相同階的跡線振幅lE^d)l確定，但是這次沒有使用平方。因此，對于 源到設(shè)備和源到外部對象的相等距離來說，用于與設(shè)備進(jìn)行能量交換 的耦合時(shí)間遠(yuǎn)小于外部對象內(nèi)的損耗累積起來所需要的時(shí)間，尤其是 當(dāng)共振場的振幅具有從源開始的類似指數(shù)的衰減的時(shí)候。實(shí)際上可以 優(yōu)化性能，通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)使得利用在源處較小的跡線和在設(shè)備處較長 的跡線來獲得希望的耦合，從而使其他對象對源的干擾最小化。上述概念可以通過仿真在電介質(zhì)圓盤腔的情況下進(jìn)行驗(yàn)證，該仿 真組合了圖2A-2B和4A-4B，也就是，將兩個(gè)(源-設(shè)備)"測試"腔 50放置成分開10r,在它們之間存在f-49的相同尺寸的外部對象52， 并且距^2.5的大粗糙表面56的距離為5r，如圖5所示。那么，初 始值&1992、 w/2k-1717(從而;t/r416)惡化為^765、 "/2k=965(從而*化=0.79)?？紤]到所關(guān)心的外部擾動(dòng)的程度，這個(gè)改變很小， 是可接受的，并且因?yàn)檫€沒有對該系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，所以耦合-損 耗比的最終值保證了這個(gè)方案可以用于能量傳遞。在所考慮的共振對象的第二個(gè)例子中，對于導(dǎo)線環(huán)來說，外部對 象對共振的影響幾乎不存在。原因是，在所考慮的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作領(lǐng)域(r《;t)中，由于電場局限在電容器內(nèi)部，所以該環(huán)周圍的空氣區(qū)域中的近場主要是磁性的。因此，可以與這個(gè)場相互作用并且產(chǎn)生對共振的擾動(dòng)的外部對象是那些具有顯著磁性的對象(磁導(dǎo)率Re^)〉1或磁損耗Im(;^X))。由于幾乎所有的普通材料都不是磁性的，它們對磁場的響應(yīng)與自由空間一樣，從而不會(huì)干擾導(dǎo)線環(huán)的共振。預(yù)期會(huì)影響這些共振的唯一擾動(dòng)是在大的金屬結(jié)構(gòu)附近。以上事實(shí)的最重要的暗示涉及人體的安全考慮。人體也不是磁性的，可以抵抗強(qiáng)磁場而不會(huì)遭受任何危險(xiǎn)。這對于許多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用來說顯然是這類共振系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，高(有效)指標(biāo)的電介質(zhì)系 統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)從所獲得的更高的it/r值判斷出它們的效率更高； 如前面提到的，它們還可以應(yīng)用于小得多的長度尺度?，F(xiàn)在再次考慮在存在人體h和墻的情況下共振源S和設(shè)備d的組 合系統(tǒng)，現(xiàn)在讓我們研究當(dāng)設(shè)備正在消耗能量以用于操作工作時(shí)，這 個(gè)基于共振的能量傳遞方案的效率?？梢允褂们懊嬲业降膮?shù)對于 電介質(zhì)圓盤，在源處的吸收為主的損耗Q廣104、在設(shè)備處的輻射為主 的損耗Q廣103 (其包括從人體和墻的散射)、在人體處對源和設(shè)備能 量的吸收Qs.h、 Qd.h~104 -105 (取決于人體距這些對象的非緊密接近的 距離)、墻中的可忽略的吸收損耗；對于導(dǎo)線環(huán)，Qs~Qd~103，并且來 自人體和墻的擾動(dòng)是可忽略的。利用對應(yīng)的損耗速率"w/22、依賴 于距離的耦合k、和提取工作功率的速率r^，該設(shè)備場振幅的耦合模式理論方程為Y=- 。 + — - r"^ - (3) 欲當(dāng)前不同的方案可以用于從設(shè)備提取功率，并且它們的效率表現(xiàn) 出對組合的系統(tǒng)參數(shù)不同的依賴性。這里，可以假設(shè)恒穩(wěn)態(tài)，使得源內(nèi)部的場振幅保持恒定，即"/(^4e-i<Bt，那么該設(shè)備內(nèi)部的場振幅為ad^ = 4e-i"t，其中4^汰/(r,+r^+rj4。因此，源處的功率損耗為 S = 2r」4|2，設(shè)備處的功率損耗為Pd-2rd^f，在人體處吸收的功率 為尸h^rVhK+2rVhl々2，所提取的有用功率為^ = 2^|4|2。根據(jù)能量守恒，進(jìn)入該系統(tǒng)的總功率為iL。,《+A+A+A。將總損耗速率表 示為r"r,+r^和r;^r,+rw。根據(jù)所涉及的應(yīng)用，應(yīng)該將工作消耗速率選擇為r;^r7，以最小化存儲(chǔ)在共振對象中的所需能量，或選擇為rw =cVi+k2/rrr;r >r;r，使得有用功率與損耗功率的比(即效率7v^A/;)對于某個(gè)A值最大。以上兩種不同選擇的效率^分 別在圖6A和6B中示出，其是A/r,品質(zhì)因數(shù)的函數(shù)，A/巧品質(zhì)因數(shù)取決于源-設(shè)備距離。圖6A和6B示出了對于電介質(zhì)圓盤系統(tǒng)和優(yōu)化效率的選擇，效 率可以很大，例如，至少為40%。對于值A(chǔ)/^M和2^105，即對于中距離源-設(shè)備距離(AA<10)和大多數(shù)人體-源/設(shè)備距離(AA〉s)，人體內(nèi)部的能量消散足夠小，小于5%。例如，對于A/r=10和AA=S， 如果必須傳遞IOW給負(fù)載，那么根據(jù)圖6B可以看到，將有 0.4W消 散在人體中，~4W被源內(nèi)部吸收，~2.6W被輻射到自由空間。對于 導(dǎo)線環(huán)系統(tǒng)，所得到的效率更小，其對于A/r^l為 2線，但是顯著 的優(yōu)點(diǎn)是沒有能量消散在人體中，如前面所解釋的。通過優(yōu)化共振對象設(shè)計(jì)，還可以獲得更好的性能。另外，通過采 用前面所述的耦合對象的輻射場之間的干涉效應(yīng)，諸如具有更大輻射 0的正常模式的頻率下的連續(xù)波操作，可以迸一步改進(jìn)整體系統(tǒng)功 能。從而該創(chuàng)新的無線能量傳遞方案可用于許多現(xiàn)代應(yīng)用。雖然所有 的考慮都是針對靜態(tài)幾何結(jié)構(gòu)作出的，但是所有的結(jié)果都可以直接應(yīng) 用于移動(dòng)對象的動(dòng)態(tài)幾何結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟芰總鬟f時(shí)間A:" 1/^，遠(yuǎn)小于 與宏觀對象的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的任何時(shí)間尺度。本發(fā)明提供了一種用于中距離無線非輻射能量傳遞的基于共振 的方案。對很簡單的實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)的分析提供了所提出方案的潛在可 應(yīng)用性的令人鼓舞的性能憐性。例如，在宏觀世界，這個(gè)方案可以用 于向工廠房間中的自動(dòng)機(jī)和/或計(jì)算機(jī)傳遞功率，或向公路上的電動(dòng) 公共汽車(這種情況下，源-共振腔是在公路上延伸的"管道")傳遞 功率。在微觀世界中會(huì)使用小得多的波長并需要更小的功率，這時(shí)可 以使用該方案實(shí)現(xiàn)CMOS電子器件的光學(xué)互聯(lián)，或使用該方案向自 動(dòng)納米對象(nano-object)傳遞能量，而不需要很擔(dān)心源和設(shè)備之間 相對的對齊問題；能量傳遞距離甚至可以長于對象尺寸，這是由于電 介質(zhì)材料的Im(咖))在所需的光學(xué)頻率比在微波頻率小得多。作為未來科學(xué)研究的著眼點(diǎn)，應(yīng)該在改進(jìn)性能和不同的應(yīng)用范圍 方面研究不同的材料系統(tǒng)。例如，通過開發(fā)等離子體系統(tǒng)(plasmonic system),有可能顯著改進(jìn)性能。這些系統(tǒng)通常能夠具有比自由空間 波長短得多的在它們表面上的空間場變化，恰恰是這種特征允許所需 的標(biāo)度分離共振對象可以顯著小于其場的類似于指數(shù)的跡線。另外， 還可以考察使用聲學(xué)共振的應(yīng)用，其中源和設(shè)備經(jīng)由公共的凝聚態(tài)物 質(zhì)(condensed-matter)對象連接。雖然根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例說明和描述了本發(fā)明，但是在 不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)作出 各種改變、刪減、添加。
權(quán)利要求
1、一種傳遞能量的方法，包括提供用于從外部電源接收能量的第一共振器結(jié)構(gòu)，所述第一共振器結(jié)構(gòu)具有第一共振頻率ω1、第一品質(zhì)因數(shù)Q1和特征尺寸L1，以及，在以最近距離D遠(yuǎn)離所述第一共振器結(jié)構(gòu)的位置提供第二共振器結(jié)構(gòu)，所述第二共振器結(jié)構(gòu)具有第二共振頻率ω2、第二品質(zhì)因數(shù)Q2和特征尺寸L2，其中，兩個(gè)所述頻率ω1和ω2接近，以在兩個(gè)共振寬度Γ1和Γ2的較窄一個(gè)中，在所述第一共振器結(jié)構(gòu)和所述第二共振器結(jié)構(gòu)之間非輻射地傳遞能量，通過它們的共振場漸消跡線的耦合進(jìn)行所述能量傳遞，所述第一共振器和所述第二共振器之間的能量傳遞速率表示為k，其中，非輻射裝置D小于共振波長λ1和λ2中的任一個(gè)，其中，c是在周圍媒介中輻射的傳播速度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有QP100， Q2>100， k/7(r,r2)〉0.2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2〉1、 2、 3、 5的所述共振器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有Q戶200， Q2>200， k/V( r2)〉0.2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2>1、 2、 3、 5的所述共振器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有Q戶500， Q2>500， k/批嚇2)X),2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2>1、 2、 3、 5的所述共振器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有 (^>1000， Q2>1000， k/V(lVr2)X).2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2〉1、 2、 3、5的所述共振器。
6、 一種能量傳遞設(shè)備，包括用于從外部電源接收能量的第一共振器結(jié)構(gòu)，所述第一共振器結(jié) 構(gòu)具有第一共振頻率^、第一品質(zhì)因數(shù)(^和特征尺寸L,，以及，在以最近距離D遠(yuǎn)離所述第一共振器結(jié)構(gòu)的位置設(shè)置的第二共 振器結(jié)構(gòu)，所述第二共振器結(jié)構(gòu)具有第二共振頻率^、第二品質(zhì)因數(shù) Q2和特征尺寸L2，其中，兩個(gè)所述頻率A和^接近，以在兩個(gè)共振寬度r,和r,的較 窄一個(gè)中，其中，在所述第一共振器結(jié)構(gòu)和所述第二共振器結(jié)構(gòu)之間的非輻 射能量傳遞是通過它們的共振場漸消跡線的耦合進(jìn)行的，所述第一共 振器和所述第二共振器之間的能量傳遞速率表示為k，其中，非輻射裝置D小于共振波長4和^中的任一個(gè)，其中，c 是在周圍媒介中輻射的傳播速度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述方法包括 具有Q,〉200， Q2>200， k/V(r,叮2)X).2、 0.5、 1、 2、 5禾I3D/L—1、 2、 3、 5的所述共振器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述設(shè)備中的 所述共振場是電磁的。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第一共振 器結(jié)構(gòu)包括電介質(zhì)球，所述^F征尺寸I^是所述球的半徑。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第一共振 器結(jié)構(gòu)包括金屬球，所述特征尺寸Li是所述球的半徑。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第一共振器結(jié)構(gòu)包括金屬電介質(zhì)球，所述特征尺寸L,是所述球的半徑。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第一共振 器結(jié)構(gòu)包括等離子體球，所述特征尺寸"是所述球的半徑。
13、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第一共振 器結(jié)構(gòu)包括極化聲子球，所述特征尺寸L,是所述球的半徑。
14、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第一共振 器結(jié)構(gòu)包括電容性負(fù)載的導(dǎo)線環(huán)，所述特征尺寸L,是所述環(huán)的半徑。
15、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第二共振 器結(jié)構(gòu)包括電介質(zhì)球，所述特征尺寸L2是所述球的半徑。
16、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第二共振 器結(jié)構(gòu)包括金屬球，所述特征尺寸L2是所述球的半徑。
17、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第二共振 器結(jié)構(gòu)包括金屬電介質(zhì)球，所述特征尺寸L2是所述球的半徑。
18、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第二共振器結(jié)構(gòu)包括等離子體球，所述特征尺寸L2是所述球的半徑。
19、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第二共振 器結(jié)構(gòu)包括極化聲子球，所述特征尺寸L2是所述球的半徑。
20、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述第二共振 器結(jié)構(gòu)包括電容性負(fù)載的導(dǎo)線環(huán)，所述特征尺寸L2是所述環(huán)的半徑。
21、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的能量傳遞設(shè)備，其中，所述設(shè)備中的所述共振場是聲學(xué)的。
全文摘要
一種電磁能量傳遞設(shè)備包括用于從外部電源接收能量的第一共振器結(jié)構(gòu)。該第一共振器結(jié)構(gòu)具有第一品質(zhì)因數(shù)。第二共振器結(jié)構(gòu)被設(shè)置在遠(yuǎn)離第一共振器結(jié)構(gòu)的位置，向外部負(fù)載供應(yīng)有用工作功率。第二共振器結(jié)構(gòu)具有第二品質(zhì)因數(shù)。兩個(gè)共振器之間的距離可以大于每個(gè)共振器的特征尺寸。在第一共振器結(jié)構(gòu)和第二共振器結(jié)構(gòu)之間的非輻射能量傳遞是通過它們的共振場漸消跡線的耦合進(jìn)行的。
文檔編號(hào)H02J17/00GK101258658SQ200680032299
公開日2008年9月3日 申請日期2006年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月12日
發(fā)明者A·卡拉里斯, J·D·瓊諾保羅斯, M·索拉亞契奇 申請人:麻省理工學(xué)院