发明内容
本发明提供一种基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统，解决的技术问题在于：如何在不新增线圈和阻波网络的前提条件下，通过多中继线圈实现数米级别的无线能量信息并行传输，且不影响高效能量传输与平稳功率输出。
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统，设有位于能量发射侧的能量发射线圈，位于能量接收侧的能量接收线圈，以及位于所述能量发射侧与所述能量接收侧之间的N个中继并行传输线圈，N≥1；
所述能量发射线圈、所述能量接收线圈和所述中继并行传输线圈均采用相同的双极性线圈，所述双极性线圈包括两个大小、材质、线径、绕制方向均相同的同极性平面线圈L1和L2，线圈L1与线圈L2串联连接，其连接端口为T3，线圈L1的独立端口为T1，线圈L2的独立端口为T2；
能量传输时，能量电流遵循从所述能量发射线圈的端口T1注入，从端口T2流出；
信息传输时，信息电流遵循同时从所述能量发射线圈或所述能量接收线圈的端口T1和端口T2注入，并从对应的端口T3流出。
优选的，N个所述中继并行传输线圈具有N个线圈L1和N个线圈L2，分别记为线圈L11,L21,…,LN1、线圈L12,L22,…,LN2，线圈Lj1并联有补偿电容CDj1，线圈Lj2并联有补偿电容CDj2，串联的线圈Lj1与线圈Lj2并联有补偿电容CPj，j＝1,2,...,N；
信息传输时，补偿电容CDj1与线圈Lj1形成第一信息中继谐振环路，补偿电容CDj2与线圈Lj2形成第二信息中继谐振环路；
能量传输时，补偿电容CPj、线圈Lj1和线圈Lj2形成能量中继谐振环路。
优选的，线圈Lj1、线圈Lj2、补偿电容CDj1、补偿电容CDj2的参数满足：
Lj1＝Lj2,CDj1＝CDj2；
所述第一信息中继谐振环路的谐振频率满足：
所述第二信息中继谐振环路的谐振频率满足：
所述能量中继谐振环路的谐振频率满足：
Mj1-j2表示线圈Lj1和Lj2之间的互感。
优选的，所述能量发射线圈串联有的补偿电容CDT1和补偿电容CDT2，所述能量发射线圈的一端还通过补偿电容CPT连接高频逆变器的一端输出端，所述能量发射线圈的另一端连接所述高频逆变器的另一端输出端；
所述能量发射线圈具有的1个线圈L1和一个线圈L2分别记为线圈LT1和线圈LT2，在补偿电容CDT1和补偿电容CDT2的公共端与线圈LT1和线圈LT2的公共端之间连接有信息解调调制电路；
信息传输时，补偿电容CDT1与线圈LT1形成第一信息收发谐振线路，补偿电容CDT2与线圈LT2形成第二信息收发谐振线路；
能量传输时，补偿电容CPT、线圈LT1和线圈LT2形成能量发射谐振线路。优选的，补偿电容CDT1、补偿电容CDT2、补偿电容CPT的参数满足：
CDT1＝CDT2＝CDj1＝CDj2,CPT＝CPj。
优选的，所述能量接收线圈并联有串联的补偿电容CDR1和补偿电容CDR2，所述能量接收线圈的一端还通过补偿电容CPR连接整流滤波电路的一端输出端，所述能量接收线圈的另一端连接所述整流滤波电路的另一端输出端；
所述能量接收线圈具有的1个线圈L1和一个线圈L2分别记为线圈LR1和线圈LR2，在补偿电容CDR1和补偿电容CDR2的公共端与线圈LR1和线圈LR2的公共端之间连接有信息调制解调电路；
信息传输时，补偿电容CDR1与线圈LR1形成第一信息发收谐振线路，补偿电容CDR2与线圈LR2形成第二信息发收谐振线路；
能量传输时，补偿电容CPR、线圈LR1和线圈LR2形成能量接收谐振线路。优选的，补偿电容CDR1、补偿电容CDR2、补偿电容CPR的参数满足：
CDR1＝CDR2＝CDj1＝CDj2,CPR＝CPj。
本发明提供的一种基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统，整体包括能量传输通道和信息传输通道；
所述能量传输通道包括能量发射端和能量接收端，所述能量发射端包括顺序连接的直流电源、所述高频逆变器、所述能量发射谐振线路，所述能量接收端包括顺序连接的所述能量接收谐振线路、所述整流滤波电路和负载；
所述信息传输通道包括信息收发端和信息发收端，所述信息收发端包括顺序连接的所述信息解调调制电路、所述第一信息收发谐振线路和所述第二信息收发谐振线路，所述信息发收端包括顺序连接的所述信息调制解调电路、所述第一信息发收谐振线路和所述第二信息发收谐振线路；
当信息从能量接收侧向能量发射侧传输时，所述信息调制解调电路对需要传输的信息进行调制，由所述第一信息发收谐振线路、所述第二信息发收谐振线路和多个所述第一信息中继谐振环路、所述第二信息中继谐振环路和所述第一信息收发谐振线路、所述第二信息收发谐振线路逐级进行无线传输，最后由所述信息解调调制电路进行解调；
当信息从能量发射侧向能量接收侧传输时，所述信息解调调制电路对需要传输的信息进行调制，由所述第一信息收发谐振线路、所述第二信息收发谐振线路多个所述第一信息中继谐振环路、所述第二信息中继谐振环路和所述第一信息发收谐振线路、所述第二信息发收谐振线路逐级进行无线传输，最后由所述进行信息调制解调电路进行解调。
优选的，所述双极性线圈为圆环形，线圈L1与线圈L2为半圆环形。
本发明提供的一种基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统，设计了特殊结构的双极性线圈，能量传输时，能量电流遵循从双极性线圈的端口T1注入，从端口T2流出；信息传输时，信息电流遵循同时从双极性线圈端口T1和端口T2注入，并从对应的端口T3流出。本系统将该双极性线圈应用在能量发射线圈、能量接收线圈和N个中继并行传输线圈上，从而利用双极性线圈的结构特性所带来的感应电压方向特性，设计了能量与信息的双频谐振器拓扑结构(将信息调制与解调电路注入发射与接收谐振器中)，避免了能量与信息电流谐振环路间的交叉干扰。本系统仅采用一组线圈(及相应的补偿电容)，无需设计阻波网络，整体占用空间小，结构简单，使用安全，能够在多中继线圈条件下保障能量与信息的远距离高效、高速、稳定传输。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供一种基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统，设有位于能量发射侧的能量发射线圈，位于能量接收侧的能量接收线圈，以及位于能量发射侧与能量接收侧之间的N个中继并行传输线圈，N≥1。在本实施例中，能量发射线圈、能量接收线圈和中继并行传输线圈均采用相同的双极性线圈，双极性线圈包括两个大小、材质、线径、绕制方向均相同的同极性平面线圈L1和L2，线圈L1与线圈L2串联连接，其连接端口为T3，线圈L1的独立端口为T1，线圈L2的独立端口为T2。根据法拉第定律，磁场极性与电流流动方向一致，因此能量电流与信息电流在双极性线圈中产生的感应电压极性相反。
能量传输时，能量电流遵循从能量发射线圈的端口T1注入，从端口T2流出，如图1所示。根据法拉第定律，电流产生磁场极性与电流流动方向一致，因此能量电流在双极性线圈中产生的磁场φP-l和φP-r极性相同。
信息传输时，信息电流遵循同时从能量发射线圈或能量接收线圈的端口T1和端口T2注入，并从对应的端口T3流出，如图2所示。根据法拉第定律，电流产生磁场极性与电流流动方向一致，因此能量电流与信息电流在双极性线圈中产生的磁场φD-l和φD-r极性相反。
作为一种优选的实施方式，如图1、图2所示，双极性线圈为圆环形，线圈L1与线圈L2为半圆环形，在半圆环形线圈的内侧中部设置成弧形过渡。本发明并不对双极性线圈的具体形状做严格限制，实际应用中根据具体需求而定。
基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统的电路拓扑如图3所示，可以看到，N个中继并行传输线圈具有N个线圈L1和N个线圈L2，分别记为线圈L11,L21,…,LN1、线圈L12,L22,…,LN2，线圈Lj1并联有补偿电容CDj1，线圈Lj2并联有补偿电容CDj2，串联的线圈Lj1与线圈Lj2并联有补偿电容CPj，j＝1,2,...,N。
信息传输时，补偿电容CDj1与线圈Lj1形成第一信息中继谐振环路，补偿电容CDj2与线圈Lj2形成第二信息中继谐振环路，只有极少量的能量电流通过补偿电容CDj1和CDj2。能量传输时，补偿电容CPj、线圈Lj1和线圈Lj2形成能量中继谐振环路，只有极少量的信息电流通过补偿电容CPj。以j＝1为例进行说明，对应的第一信息中继谐振环路、第二信息中继谐振环路、能量中继谐振环路如图4所示。
在本实施例中，线圈Lj1、线圈Lj2、补偿电容CDj1、补偿电容CDj2的参数满足：
Lj1＝Lj2,CDj1＝CDj2；
第一信息中继谐振环路的谐振频率满足：
第二信息中继谐振环路的谐振频率满足：
能量中继谐振环路的谐振频率满足：
Mj1-j2表示线圈Lj1和Lj2之间的互感。
如图3所示，能量发射线圈串联有补偿电容CDT1和补偿电容CDT2，能量发射线圈的一端还通过补偿电容CPT连接高频逆变器的一端输出端，能量发射线圈的另一端连接高频逆变器的另一端输出端；
能量发射线圈具有的1个线圈L1和一个线圈L2分别记为线圈LT1和线圈LT2，在补偿电容CDT1和补偿电容CDT2的公共端与线圈LT1和线圈LT2的公共端之间连接有信息解调调制电路；
信息传输时，补偿电容CDT1与线圈LT1形成第一信息收发谐振线路，补偿电容CDT2与线圈LT2形成第二信息收发谐振线路；
能量传输时，补偿电容CPT、线圈LT1和线圈LT2形成能量发射谐振线路。补偿电容CDT1、补偿电容CDT2、补偿电容CPT的参数满足：
CDT1＝CDT2＝CDj1＝CDj2,CPT＝CPj。
如图3所示，能量接收线圈并联有串联的补偿电容CDR1和补偿电容CDR2，能量接收线圈的一端还通过补偿电容CPR连接整流滤波电路的一端输出端，能量接收线圈的另一端连接整流滤波电路的另一端输出端；
能量接收线圈具有的1个线圈L1和一个线圈L2分别记为线圈LR1和线圈LR2，在补偿电容CDR1和补偿电容CDR2的公共端与线圈LR1和线圈LR2的公共端之间连接有信息调制解调电路；
信息传输时，补偿电容CDR1与线圈LR1形成第一信息发收谐振线路，补偿电容CDR2与线圈LR2形成第二信息发收谐振线路；
能量传输时，补偿电容CPR、线圈LR1和线圈LR2形成能量接收谐振线路。
补偿电容CDR1、补偿电容CDR2、补偿电容CPR的参数满足：
CDR1＝CDR2＝CDj1＝CDj2,CPR＝CPj。
参考图3，基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统包括能量传输通道和信息传输通道。
能量传输通道包括能量发射端和能量接收端，能量发射端包括顺序连接的直流电源、高频逆变器、能量发射谐振线路，能量接收端包括顺序连接的能量接收谐振线路、整流滤波电路和负载。信息传输通道包括信息收发端和信息发收端，信息收发端包括顺序连接的信息解调调制电路、第一信息收发谐振线路和第二信息收发谐振线路，信息发收端包括顺序连接的信息调制解调电路、第一信息发收谐振线路和第二信息发收谐振线路。
关于能量如何传输，现有技术多有公开，本实施例不再赘述。关于信息传输，本系统仅能实现半双工通信。
当信息从能量接收侧向能量发射侧传输时(图3所示的情形)，信息调制解调电路对需要传输的信息进行调制，由第一信息发收谐振线路、第二信息发收谐振线路和多个第一信息中继谐振环路、第二信息中继谐振环路和第一信息收发谐振线路、第二信息收发谐振线路逐级进行无线传输，最后由信息解调调制电路进行解调。
当信息从能量发射侧向能量接收侧传输时，信息解调调制电路对需要传输的信息进行调制，由第一信息收发谐振线路、第二信息收发谐振线路多个第一信息中继谐振环路、第二信息中继谐振环路和第一信息发收谐振线路、第二信息发收谐振线路逐级进行无线传输，最后由进行信息调制解调电路进行解调。
以注入式五线圈无线能量信息并行传输系统为例。Udc为发射端连接到整流器的直流电压源输入，UL为负载电阻RL的输出电压。S1-S4和D1-D4构成用于电能变换的逆变器和整流器。LTi、Lji和LRi(i＝1,2，j＝1,2,3)分别构成能量发射线圈、能量接收线圈与3个中继并行传输线圈。补偿电容CPT、CDTi、CPj、CDji、CPR和CDRi(i＝1,2，j＝1,2,3)被设置在每个谐振器中，以构建独立的能量与信息谐振环路，Mx-y(x,y＝Ti,ji,Ri，i＝1,2，j＝1,2,3)被定义为线圈i和线圈j间的互感。
注入式多中继无线能量信息并行传输系统中各级线圈拥有相同的尺寸和圈数，线圈自感、补偿电容和相邻线圈之间的互感被设定为相同的值。此外，非同轴性线圈之间的互感相对较小，在此分析中可被忽略。
基于基波分析法，逆变器输出电压的相位形式可被表示为：
整流器的等效输入电阻可被表示为：
Req＝8/π2·RL。
能量环路中每个谐振器的阻抗ZPi(i＝T,1,2,3,R)被定义为：
基于基尔霍夫电压定律(KVL)，含有五个双极性线圈的多中继无线能量并行传输系统能量通道可以被表示为：
其中，是各个双极性线圈能量电流的向量表示，Mx-y(x,y＝T,1,2,3,R)是各个双极性线圈间的互感，可以由如下表达式给出：
Mx-y＝Mx1-y1+Mx2-y2。
由于非相邻双极性线圈间的交叉耦合，能量传输的工作频率fPO将轻微偏移所设计的谐振频率fPR，以保持系统能量恒定电压输出与输入电压电流同相。
信息环路中每个谐振器的阻抗ZDi(i＝T,1,2,3,R)被定义为：
ωD表示信息传输的工作角频率。
基于基尔霍夫电压定律(KVL)，含有五个双极性线圈的多中继无线能量并行传输系统信息通道可以被表示为：
其中，是各个双极性线圈信息电流的向量表示，UDin被定义为信息调制电路输出电压，RDeq是信息解调电路的等效输入电阻。信息传输通道的电压增益可以被表示为：
综上，本发明实施例提供的一种基于双极性线圈的多中继无线能量信息并行传输系统，设计了特殊结构的双极性线圈，能量传输时，能量电流遵循从双极性线圈的端口T1注入，从端口T2流出；信息传输时，信息电流遵循同时从双极性线圈端口T1和端口T2注入，并从对应的端口T3流出。本系统将该双极性线圈应用在能量发射线圈、能量接收线圈和N个中继并行传输线圈上，从而利用双极性线圈的结构特性所带来的感应电压方向特性，设计了能量与信息的双频谐振器拓扑结构(将信息调制与解调电路注入发射与接收谐振器中)，避免了能量与信息电流谐振环路间的交叉干扰。本系统仅采用一组线圈(及相应的补偿电容)，无需设计阻波网络，整体占用空间小，结构简单，使用安全，能够在多中继线圈条件下保障能量与信息的远距离高效、高速、稳定传输。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。