резонансная структура на основе объемного акустического резонатора

Формула изобретения

1. Резонансная структура для беспроводной передачи или приема энергии, включающая проводящую рамку и высокодобротный конденсатор, отличающаяся тем, что высокодобротный конденсатор представляет собой метаконденсатор, образованный тонким слоем пьезоэлектрического материала, заключенного между двумя электродами, причем указанный метаконденсатор расположен между двумя слоями диэлектрической подложки, центральная часть которых подвергнута травлению, а проводящая рамка расположена на верхнем слое диэлектрической подложки.

2. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что проводящая рамка выполнена в виде тонкого планарного проводника, толщина которого значительно меньше ширины.

3. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что проводящая рамка имеет кольцевую форму.

4. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка подвергнута травлению в центральной части таким образом, чтобы обеспечить формирование свободного пространства для акустической вибрации мембраны резонатора.

5. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что толщина верхнего слоя диэлектрической подложки выбрана таким образом, чтобы минимизировать влияние паразитной емкости между проводящей рамкой и верхним электродом метаконденсатора.

6. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что толщина нижнего слоя диэлектрической подложки выбрана таким образом, чтобы обеспечивать механическую прочность структуры.

7. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что слои диэлектрической подложки выполнены из диоксида кремния.

8. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что проводящая рамка соединена с верхним и нижним электродами метаконденсатора посредством металлизированных переходных отверстий или внешними соединительными проводниками.

9. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что пьезоэлектрический слой метаконденсатора выполнен из керамики, обладающей выраженным пьезоэффектом.

10. Резонансная структура по п.9, отличающаяся тем, что пьезоэлектрический слой метаконденсатора выполнен из цирконата-титаната свинца Pb(Zr_xTi_1-x)O ₃ (PZT).

11. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что пьезоэлектрический слой метаконденсатора выполнен из монокристаллического материала с большой величиной коэффициента электромеханической связи и большой акустической добротностью при малых диэлектрических потерях.

12. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что представляет собой планарную многослойную структуру, изготавливаемую по пленочной технологии.

13. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что имеет круглую форму или форму многоугольника с произвольным числом сторон.

14. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что величина диаметра резонансной структуры много меньше длины электромагнитной волны (< /100).

15. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что рабочая частота резонансной структуры находится в диапазоне 1-100 МГц.

16. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что толщина диэлектрического слоя выбрана так, чтобы обеспечить резонанс акустических колебаний поперечной волны на частоте выше рабочей частоты системы.

17. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что метаконденсатор представляет собой акустический резонатор, внешний импеданс которого на рабочей частоте эквивалентен импедансу конденсатора с высоким значением емкости.

18. Резонансная структура по п.1, отличающаяся тем, что высокое значение емкости метаконденсатора в совокупности с малой индуктивностью проводящей рамки выбирают так, чтобы обеспечивать резонансный отклик резонансной структуры на выбранной рабочей частоте.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а более конкретно - к системам беспроводной передачи энергии.

Из уровня техники известны различные решения, касающиеся передачи энергии при помощи радиоволн, причем основные идеи восходят к работам Николы Тесла на рубеже XIX-XX веков (см. [1], [2]). В последующие годы для беспроводной передачи энергии было предложено использовать устройство, известное как «ректенна». Ректенна - это выпрямляющая антенна, которая применяется для непосредственного преобразования СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока. Для приема радиочастотных сигналов могут использоваться различные типы антенн (см. [3]-[6]). Большинство подобных систем беспроводной передачи энергии работают в ГГц - частотном диапазоне. К недостаткам таких решений следует отнести тот факт, что данный диапазон небезопасен для здоровья человека.

Другой подход к беспроводной передаче энергии был предложен в работах [7]-[9]. Этот метод основан на хорошо известном принципе: две разнесенные катушки, настроенные на одинаковую резонансную частоту, формируют систему, в которой передача энергии может эффективно осуществляться за счет магнитного взаимодействия между рамками. В то же время взаимодействие с другими нерезонансными объектами крайне мало. Подобные системы работают в МГц-частотном диапазоне, поэтому они могут использоваться в повседневной жизни.

Другой подход к решению проблемы беспроводной передачи энергии демонстрирует патентная заявка США № 20100123530 [10], где описано применение метаматериала, который образуется за счет введения в электрическое поле структуры металлизированных стержней и щелей, разрывающих ток в металлизированном покрытии и излучающих магнитное поле. Основой резонансной структуры служит объемный акустический резонатор, используемый в режиме конденсатора большой емкости. Такой конденсатор получил название «метаконденсатор». Основой принципа действия метаконденсатора служит взаимодействие волновых процессов различной физической природы: объемных акустических волн и электромагнитных волн. Искусственно созданное взаимодействие физических процессов разной природы позволяет отнести полученные явление к явлениям в метаматериалах. В решении [10] в качестве основного недостатка можно отметить тот факт, что в нем задействовано только магнитное поле, что снижает эффективность создаваемых на его основе устройств.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает объемный акустический резонатор, описанный в опубликованной международной заявке WO 2009/132011 [11]. В указанной заявке авторы предлагают использовать акустический резонатор в сочетании с полупроводниковой интегральной схемой для включения в системы передачи информации LAN, WLAN, Bluetooth и т.п. В решении [11] не рассматриваются специфические особенности поведения электромагнитного импеданса акустического резонатора на частотах 1-100 МГц.

Теория акустических устройств такого типа, какие предложены в [11], в принципе была представлена еще в [12]. Однако в настоящее время не существует аналогов приемопередающих резонансных устройств, состоящих из рамки и объемного акустического резонатора, использованного как высокодобротный конденсатор большой емкости.

Задачей настоящего изобретения является создание резонансной структуры для беспроводной передачи или приема энергии, обладающей малыми размерами и высокой добротностью при работе в частотном диапазоне 1-100 МГц.

Технический результат достигается за счет того, что предлагается резонансная структура для беспроводной передачи или приема энергии, включающая проводящую рамку и высокодобротный конденсатор, отличается тем, что высокодобротный конденсатор представляет собой метаконденсатор, образованный тонким слоем пьезоэлектрического материала, заключенного между двумя электродами, причем указанный метаконденсатор расположен между двумя слоями диэлектрической подложки, центральная часть которых подвергнута травлению, а проводящая рамка расположена на верхнем слое диэлектрической подложки.

Проводящая рамка в заявляемой резонансной структуре выполнена в виде тонкого планарного проводника, толщина которого много меньше ширины.

Диэлектрическая подложка в заявляемой резонансной структуре подвергнута травлению в центральной части таким образом, чтобы сформировать свободное пространство для акустической вибрации мембраны резонатора.

Толщина верхнего слоя диэлектрической подложки выбирается таким образом, чтобы минимизировать влияние паразитной емкости между проводящей рамкой и верхним электродом метаконденсатора.

Толщина нижнего слоя диэлектрической подложки выбирается таким образом, чтобы обеспечивать механическую прочность структуры.

Слои диэлектрической подложки в заявляемой резонансной структуре выполнены из диоксида кремния.

Проводящая рамка в заявляемой резонансной структуре соединена с верхним и нижним электродами метаконденсатора посредством металлизированных переходных отверстии или внешними соединительными проводниками.

Пьезоэлектрический слой метаконденсатора в заявляемой резонансной структуре выполнен из керамики, обладающей выраженным пьезоэффектом.

Пьезоэлектрический слой метаконденсатора в заявляемой резонансной структуре выполнен из монокристаллического материала с большой величиной коэффициента электромеханической связи и большой акустической добротностью при малых диэлектрических потерях.

Пьезоэлектрический слой метаконденсатора в заявляемой резонансной структуре выполнен из цирконата-титаната свинца Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT).

Предложенная резонансная структура представляет собой планарную многослойную структуру, изготавливаемую по пленочной технологии.

Предложенная резонансная структура имеет круглую форму или форму многоугольника с произвольным числом сторон.

Значение диаметра заявляемой резонансной структуры значительно меньше длины электромагнитной волны ( /100).

Рабочая частота заявляемой резонансной структуры находится в диапазоне 1-100 МГц.

Толщина диэлектрического слоя заявляемой резонансной структуры выбрана таким образом, чтобы обеспечить резонанс колебаний поперечной волны на частоте выше рабочей частоты системы.

Согласно предложенному варианту выполнения резонансной структуры метаконденсатор представляет собой акустический резонатор, внешний импеданс которого на рабочей частоте эквивалентен импедансу конденсатора с высоким значением емкости.

Согласно одному из практических вариантов выполнения резонансной структуры высокое значение емкости метаконденсатора в совокупности с малой индуктивностью проводящей рамки выбирают так, чтобы обеспечивать резонансный отклик резонансной структуры на выбранной рабочей частоте.

Следует отметить, что в отличие от прототипа в заявляемом изобретении принцип действия метаконденсатора основан на взаимодействии волновых процессов различной физической природы, что существенно повышает эффективность устройств, выполненных на основе такого принципа.

Для лучшего понимания заявляемого изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1. Конструкция резонансной структуры на основе метаконденсатора и индуктивной рамки согласно изобретению.

Фиг.2. Поперечное сечение резонансной структуры на основе метаконденсатора и индуктивной рамки согласно изобретению.

Фиг.3. График зависимости эквивалентного входного импеданса метаконденсатора от частоты.

Фиг.4. График зависимости мнимой части импеданса рамки и метаконденсатора от частоты.

Конструкция предлагаемой резонансной структуры на основе метаконденсатора, представляющая собой планарную многослойную структуру, состоящую из проводящей рамки 1, выполненной в одном слое, и многослойного метаконденсатора, образованного несколькими слоями 4, 5, 6, представлена на Фиг.1. Метаконденсатор представляет собой объемный акустический резонатор (ОАР), внешний импеданс которого на рабочей частоте эквивалентен импедансу конденсатора с высоким значением емкости.

Метаконденсатор состоит из тонкого слоя пьезоэлектрического материала 4, находящегося между тонкими металлическими электродами: верхним электродом 5 и нижним электродом 6 (Фиг.1, 2). Электроды 5, 6 представляют собой тонкую металлическую пленку, нанесенную с двух сторон на пьезоэлектрический слой 4. Пьезоэлектрический слой 4 изготавливается из качественной керамики, обладающей выраженным пьезоэффектом, или из монокристаллического материала, подобного титанату-цирконату свинца Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT), с большой величиной коэффициента электромеханической связи и большой акустической добротностью при малых диэлектрических потерях.

Проводящая рамка 1 выполнена в виде тонкого планарного проводника, толщина которого значительно меньше ее ширины. Рамка размещается над верхним электродом 5 метаконденсатора и отделена от него верхним слоем 2 диэлектрика. Толщина верхнего слоя 2 диэлектрика выбирается таким образом, чтобы минимизировать влияние паразитной емкости между проводником рамки 1 и верхним электродом 5 метаконденсатора на характеристики устройства.

Структура метаконденсатора расположена на диэлектрической подложке 3, толщина которой выбирается из соображений обеспечения механической прочности структуры.

Соединение рамки 1 с верхним электродом 5 и нижним электродом 6 метаконденсатора реализуется с использованием металлизированных переходных отверстий 7 и 8 соответственно.

Верхний слой 2 и нижний слой 3 диэлектрика выполнены из оксида кремния (SiO₂). С обеих сторон метаконденсатора центральная часть диэлектрических слоев 2 и 3 подвергнута травлению с целью обеспечения акустически свободных граничных условий, т.е. для формирования свободно колеблющейся мембраны. При этом метаконденсатор обеспечивает высокодобротный резонанс поперечных объемных акустических волн, возбуждаемых между двумя электродами. Акустические резонансы ОАР возбуждаются на частотах выше требуемой рабочей частоты. На рабочей частоте эквивалентный входной импеданс метаконденсатора носит емкостный характер, что соответствует конденсатору с большим номиналом. Высокий номинал емкости метаконденсатора одновременно с малой индуктивностью рамки обеспечивают резонансный отклик резонансной структуры на заданной рабочей частоте в МГц диапазоне. Предлагаемая резонансная структура имеет размер существенно меньше длины электромагнитной волны на данной частоте (< /100) и высокую добротность. Устройство способно работать в частотном диапазоне 1-100 МГц.

Толщина пьезоэлектрического слоя должна обеспечивать резонанс колебаний поперечной волны на определенной частоте, которая должна быть несколько выше рабочей частоты системы (Фиг.3). Входной импеданс структуры объемного акустического резонатора был описан в [12]. На рабочей частоте импеданс метаконденсатора носит емкостный характер и отвечает большому значению емкости. В соответствии с Фиг.4 высокое значение емкости метаконденсатора в совокупности с малой индуктивностью рамки обеспечивает резонансный отклик заявляемой конструкции резонатора на выбранной рабочей частоте, что соответствует нулю реактивной части входного импеданса резонансной структуры на основе рамки и ОАР.

Предложенная резонансная структура может быть изготовлена по пленочной технологии.

Предложенная резонансная структура выполняется в виде круга или в виде многоугольника с произвольным числом сторон.

Разработанная резонансная структура может применяться в беспроводных портативных зарядных устройствах во многих электронных устройствах, в том числе и компактных. Бытовое использование устройств такого типа представлено, например, зарядным устройством для мобильных телефонов. В медицине разработанная структура может использоваться в кардиостимуляторах или любых других электронных устройствах.

Следует заметить, что рассмотренный выше вариант реализации изобретения приведен лишь в качестве примера, поэтому для специалистов должно быть ясно, что возможны и другие модификации заявляемого изобретения, не выходящие за рамки представленного описания и формулы изобретения как с точки зрения буквы, так и существа изобретения.

Источники информации

1. J.J.O'Neill, Prodigal Genius - the Life of Nikola Tesla, New York: Washbum, 1944.

2. M.Cheney, Tesla, Man Out of Time, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1981.

3. J.Theeuwes, Simultaneous Wireless Transmission of Power and Data Using a Rectenna, Eindhoven University of Technology, the Netherlands, 2006.

4. J.Heikkinen and M.Kivikoski, "Low-profile circularly polarized rectifying antenna for wireless power transmission at 5.8 GHz", IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett., Vol.14, 2004.

5. J.Heikkinen, P.Salonen and M.Kivikoski, "Planar rectennas for 2.45 GHz wireless power transfer", IEEE Radio and Wireless Conference RAWCON 2000.

6. M.Ali, G.Yang and R.Dougal, "A new circularly polarized rectenna for wireless power transmission and data communication", IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett., Vol.4, 2005.

7. A.Kurs, A.Karalis, R.Moffatt, J.D.Joannopoulus, P.Fisher, and M.Soljacic, "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science, vol.317, July 2007, p.83-86.

8. Patent 649621 N.Tesia "Apparatus for Transmission of Electrical Energy", 1900.

9. A.P.Sample, D.T.Mayer and J.R.Smith "Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer", IEEE trans. on Industrial Electronics, vol.58, iss.2, Feb. 2011, p.544-554.

10. US Patent Appl. Publ. No.: US 2010/0123530 A1, Pub. Date: May 20, 2010.

11. Internal. Publ. No. WO 2009/132011 A2, Internal. Publ. Date: Oct 29, 2009.

12. D.A.Berlincourt, D.R.Curran and H.Jaffe, in "Physical Acoustics", edited by W.Mason, Vol.1, Part A "Methods and Devices", Academic Press, New York, 1964 [Mir, Moscow, 1966, p.204-326.