阅读说明：本技术 一种ybco薄膜结构的超导谐振器及无线传能装置 (Superconducting resonator with YBCO thin film structure and wireless energy transfer device ) 是由 王秀芳 严仲明 何应达 缪宇 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及无线传能技术领域,具体涉及一种YBCO薄膜结构的超导谐振器及无线传能装置,包括基底和设在基底上的YBCO微带线,所述YBCO微带线为一条完整的左螺旋条带,具体包括多个由内向外依次设置的环带,所述环带上设置有开口,所述开口设在同一直线上,开口的两端分别为上连接点和下连接点,相邻的两个环带,在外环带的下连接点通过连接条与在内环带的上连接点连接。本发明提出的谐振器工作在液氮温区,可以作为无线传能的中继线圈、发射线圈或接收线圈,谐振器采用矩形螺旋谐振环,具有紧凑的结构和较高的电容效应,从而具有较低谐振频率,满足磁谐振无线传能系统的应用,具有较高的传输效率,系统的复杂程度低,系统总体损耗小。(The invention relates to the technical field of wireless energy transmission, in particular to a superconductive resonator with a YBCO thin film structure and a wireless energy transmission device, which comprise a substrate and a YBCO microstrip line arranged on the substrate, wherein the YBCO microstrip line is a complete left spiral strip and specifically comprises a plurality of annular bands which are sequentially arranged from inside to outside, openings are arranged on the annular bands, the openings are arranged on the same straight line, two ends of each opening are respectively an upper connection point and a lower connection point, two adjacent annular bands are arranged, and the lower connection point of the outer annular band is connected with the upper connection point of the inner annular band through a connection strip. The resonator provided by the invention works in a liquid nitrogen temperature region, can be used as a relay coil, a transmitting coil or a receiving coil of wireless energy transfer, adopts a rectangular spiral resonance ring, has a compact structure and a higher capacitance effect, has lower resonance frequency, meets the application of a magnetic resonance wireless energy transfer system, has higher transmission efficiency, and has low system complexity and small overall system loss.)

一种YBCO薄膜结构的超导谐振器及无线传能装置

技术领域

本发明涉及无线传能技术领域，具体涉及一种YBCO薄膜结构的超导谐振器及无线传能装置。

背景技术

无线传能技术是集基础研究与应用研究为一体的前沿课题，是利用电磁波为载体传播能量，与有线电能相比具有较多的优点。克服了传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井和水中等，在这些环境中传统的电缆线供电方式所产生这些缺点往往有时将是致命的，严重时会引起***、火灾及设备的损坏等，带来了极大的安全隐患和经济损失。另外，日常生活中，无线电能传输可以避免或减少人们所使用生活电器的电线缠绕，使生活更加便利。近两年磁谐振式无线传能技术得到了迅速的发展，其传播距离相对于磁感应式无线传能要长，应用范围也更加广泛。谐振线圈是磁耦合谐振式无线电能传输中的关键部件，它的性能优劣直接影响系统的传输效率、功率、传输距离等。

高性能的谐振线圈要具有较高的品质因数，影响谐振线圈的性能优劣的主要包含以下几个因素：线圈的匝数、线圈的绕制方法、匝间距设计、材料的选择等。在无线传输系统中，系统的传输损耗主要包括两部分，即辐射损耗和欧姆损耗。磁耦合谐振式无线传能系统中主要利用近场进行能量的无线传输。在频率较高的部分，传输损耗等效为辐射损耗和欧姆损耗之和。在频率较低的部分可以忽略辐射损耗，则主要是欧姆损耗。也即主要来源于谐振线圈的损耗。若增加线圈的匝数N和线圈的半径r，欧姆电阻也随之增大，从而系统的传输效率降低。为了提高谐振耦合式无线电能传输系统的传输效率，可以选用电导率较大、线径较宽的导线来提高系统的传输效率。超材料是一种在特定条件下表现为没有电阻的材料，是一个不错的选择。

超材料是21世纪新近发展起来的一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料的概念是由苏联理论物理学Veselago在1968年最先提出的，从理论上分析了电磁波在负磁导率和负介电常数材料中传播的情况，他定义该种材料为左手材料，这只是一种预测，直到1999年，英国帝国理工大学的John Pendry教授设计了一个开口谐振环结构(SRR)，2001年，美国加州大学的shelby将铜线与开口铜环2种微结构单元组合在一起。而现在超材料概念在广度上得到了扩展，从开始的周期单元设计扩展到只要是自然界不存在的材料，不同于常规的材料都可以称为超材料。磁超材料是指由亚波长单元结构构成的等效磁导率小于1的人工复合材料或复合结构，由于负等效磁导率、0-1等效磁导率都是基于超材料结构单元响应入射电磁场的磁谐振产生，这些超材料被统称为磁超材料。相应地，用于实现磁超材料的金属结构单元被称为磁谐振器。

发明内容

为丰富现有的谐振器技术，本发明提供一种传输效率高、损耗小的YBCO薄膜结构的超导谐振器及无线传能装置。该谐振器工作在液氮温区，可以作为无线传能的中继线圈、发射线圈或接收线圈，谐振器采用矩形螺旋谐振环，具有紧凑的结构和较高的电容效应，从而具有较低谐振频率，满足磁谐振无线传能系统的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种YBCO薄膜结构的超导谐振器，包括基底和设置在基底上的YBCO微带线，所述YBCO微带线为一条完整的左螺旋条带，螺旋方向是从内向外依次顺时针螺旋旋向，所述YBCO微带线包括多个由内向外依次设置的环带，每一圈的环带上均分别设置有一个开口，每一圈环带上的开口均开设在环带同一侧的侧边上，开口的两端分别为上连接点和下连接点，全部开口的上连接点位于同一直线上，全部开口的下连接点也位于另一根同一直线上，内外相邻的两个环带，外圈的环带的下连接点通过连接条与相邻内圈的环带的上连接点连接。

上述YBCO薄膜结构的超导谐振器，由内向外依次设置的多个环带均为矩形的框状结构，每一圈的环带在长度和宽度方向上均分别具有长边和短边，多个环带呈若干圈的同心方框排列状，各个环带的面积或边长从内圈向外圈依次增大。

优选地，每一圈环带上的开口均开设在环带同一侧的长边上。

更优选的，上述YBCO薄膜结构的超导谐振器，相邻的环带之间的间距相等。

作为优选方案，上述YBCO薄膜结构的超导谐振器，相邻的环带之间的间距为3至15mm，且相邻环带的间距为最内圈环带周长的3％至6％。

作为更优选的方案，上述YBCO薄膜结构的超导谐振器，所述YBCO微带线的线宽为0.5至5mm，且线宽尺寸与无线传能系统的频率相关，根据谐振频率选择合适的尺寸。

进一步的，上述YBCO薄膜结构的超导谐振器，开口的上连接点和下连接点之间的间隙长度为2至10mm，多条连接条彼此互相平行。

更进一步的，上述YBCO薄膜结构的超导谐振器，所述相邻连接条之间的间距为3至15mm，且相邻连接条之间的间距与相邻环带之间的间距相关，并随相邻环带之间间距的增大而增大；环带的设置数量为5至15圈。

本发明还提出一种无线传能装置，包括从左向右依次设置的驱动线圈、第一谐振线圈、中继线圈、第二谐振线圈和负载线圈，所述中继线圈为上述的超导谐振器，所述驱动线圈与电源连接，所述负载线圈与负载连接。

上述无线传能装置，所述电源为交流高频电源，使用时，驱动线圈从电源获得电能，驱动线圈与第一谐振线圈发生磁感应耦合，实现能量的传递，YBCO薄膜结构的超导谐振器作为中继线圈，进一步放大和聚焦磁场，然后传递给第二谐振线圈，从第一谐振线圈到第二谐振线圈，中间的能量传递方式为磁谐振，所述第一谐振线圈、中继线圈和第二谐振线圈三者的谐振频率相同，第二谐振线圈与负载线圈之间通过磁感应耦合实现能量的传递，最终将能量传递给负载。

本发明采用小型化SRR左手材料单元，它的YBCO微带线的环带部分相当于一个电感器，开口部分相当于一个电容器，当外界电磁波的磁场分量穿过YBCO微带线圈时就会使外场能量耦合到YBCO开口环谐振器中，从而形成一个LC谐振回路；小型化的SRR的相邻环带之间在开口处直接相连，使SRR单元的总电容为各个环的电容的并联关系，随着环的圈数的增加，SRR单元的电感增加、电容增加，根据谐振频率

可知，可以得到任何谐振频率的谐振器，进而可以应用到无线传能系统里。

本发明的有益效果是：本发明提出的YBCO薄膜结构的超导谐振器及无线传能装置，谐振器工作在液氮温区，可以作为无线传能的中继线圈、发射线圈或接收线圈，谐振器采用矩形螺旋谐振环，具有紧凑的结构和较高的电容效应，从而具有较低谐振频率，满足磁谐振无线传能系统的应用，具有较高的传输效率，系统的复杂程度低，系统总体损耗小。

附图说明

图1为本发明超导谐振器的结构示意图；

图2为本发明YBCO微带线的结构示意图；

图3为本发明YBCO微带线的电流流向图；

图4为本发明超导谐振器的等效电路图；

图5位本发明无线传能装置的结构示意图

图中，1-基底，2-YBCO微带线，3-环带，4-开口，5-连接条，6-电感器，7-电阻，8-电容器，9-驱动线圈，10-第一谐振线圈，11-中继线圈，12-第二谐振线圈，13-负载线圈，14-电源，15-负载。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

超导材料是指具有超导性的材料，该材料在室温下是有较低电阻的良好导体，但随温度的下降，其电阻降低，当温度达到临界温度TC(超导体从具有一定电阻的正常态转变为电阻为零的超导态时所对应的临界温度)以下，它们的电阻会突然消失。高温超导材料主要分为两种：钇钡铜氧(YBCO)和铋锶钙铜氧(BSCCO)。

YBCO，全称Yttrium Barium Copper Oxide，指钇钡铜氧，是一种晶体，化学式为YBa[2]Cu[3]O[7-x]。YBCO是一种著名的高温超导体，并且是第一个制得转变温度在液氮沸点以上的材料。它能在高于液态氮气的沸点(77K)的温度下保持超导特性。

钇钡铜氧(YBCO)一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。YBCO高温超导体属于氧化物超导体的一种，根据磁化测试的结果，其属于第二类超导体。

如图1～图4所示，本发明提出的一种YBCO薄膜结构的超导谐振器，包括基底1和设置在基底1上的YBCO微带线2，所述YBCO微带线2为一条完整的左螺旋条带，即螺旋方向是从内向外依次顺时针螺旋旋向，所述YBCO微带线2具体包括多个由内向外依次设置的环带3，每一圈的环带3上均分别设置有一个开口4，每一圈环带3上的开口4均开设在环带3同一侧的侧边上，开口4的两端分别为上连接点和下连接点，全部开口4的上连接点位于同一直线上，全部开口4的下连接点也位于另一根同一直线上，内外相邻的两个环带3，外圈的环带3的下连接点通过连接条5与相邻内圈的环带3的上连接点连接。使用时，YBCO微带线2的环带3部分，相当于是一个电感器6，开口4部分相当于一个电容器7，当外界电磁波的磁场分量穿过YBCO微带线圈时就会使外场能量耦合到YBCO开口环谐振器中，从而形成一个LC谐振回路；内外相邻的环带3之间在开口4处直接相连，使得总电容为各个环电容的并联，随着环带3的圈数的增加，谐振器的电感增加、电容增加，根据谐振频率ω₀2＝1/LC可知，可以得到任何谐振频率的谐振器，进而可以应用到无线传能系统里。

具体地，由内向外依次设置的多个环带3均为矩形的框状结构，每一圈的环带3在长度和宽度方向上均分别具有长边和短边，各个环带3的面积或边长，从内圈向外圈依次增大，呈若干圈的同心方框排列状，具体如图1至图3所示。

具体地，内外相邻的环带3之间的间距相等。

具体地，相邻环带3之间的间距为3至15mm，其具体尺寸与最内圈环带3的周长相关，相邻环带3的间距为最内圈环带3周长的3％至6％。

具体地，所述YBCO微带线2的线宽为0.5至5mm，其具体尺寸与整个环带3框体所占表面积的大小相关，当环带3框体所占的表面积越大时，微带线2的宽度就越宽。

在本实施例中，设置在最外层的环带3的长度为10至12cm，宽度为8至11cm，设置在最内层的环带3的长度为3至5cm，宽度为2至4cm，当然环带3的设置圈数、最内圈和最外圈的长宽尺寸均与需要无线传能的功率密切相关，功率越大，则圈数越多，最多圈的长宽尺寸也越大。

具体地，开口4的上连接点和下连接点之间的间隙长度为2至10mm,其具体尺寸与最内圈环带3的长宽尺寸相关，当最内圈环带3的长度越长时，开口4的长度尺寸也越大，且开口4是开设在环带3同一侧的长边上。

具体地，所述连接条5彼此平行，具体形状如图1至图3所示。

具体地，所述相邻连接条5之间的间距为3至15mm，且相邻连接条5之间的间距与相邻环带3之间的间距密切相关，并随相邻环带3之间间距的增大而增大。

具体地，所述YBCO微带线2包括六个环带3，从内圈向外圈设置的环带3的数量还可以多于6个，或少于6个，如环带3的设置数量可以是5至15圈，其具体的设置数量与需要无线传能的功率相关，需要传能的功率越大，则圈数越多。

如图5所示，一种无线传能装置，包括从左向右依次设置的驱动线圈9、第一谐振线圈10、中继线圈11、第二谐振线圈12、负载线圈13，所述中继线圈11为上述的超导谐振器，所述驱动线圈9与电源14连接，所述负载线圈13与负载15连接。

所述电源14为交流高频电源。

使用时，驱动线圈9从电源14获得电能，驱动线圈9与第一谐振线圈10发生磁感应耦合，实现能量的传递，YBCO薄膜结构的超导谐振器在该系统作为中继线圈11，进一步放大和聚焦磁场，然后传递给第二谐振线圈12，从第一谐振线圈10到第二谐振线圈12，中间的能量传递采用的是磁谐振，因此，第一谐振线圈10、中继线圈11和第二谐振线圈12，三者的谐振频率相同，第二谐振线圈12与负载线圈13之间通过磁感应耦合最终实现能量的传递，将能量传递给负载15。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。