鄭艷華 林杰凱　章秀銀　麥曉冬

摘要為了提高磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的效率，本文提出了一種新型的雙頻無線能量傳輸?shù)陌l(fā)射和接收裝置。在發(fā)射端和接收端中，該裝置在發(fā)射端和接收端中均采用一個饋電線圈對兩個諧振線圈饋電；兩個諧振線圈工作在不同的頻率并通過磁耦合的方式把能量從發(fā)射端向接收端同頻傳輸。由于兩個諧振線圈均參與了能量傳輸，所以該傳輸裝置能在較遠(yuǎn)的距離實(shí)現(xiàn)效率較高的雙頻能量傳輸。為了驗(yàn)證該理論模型的特性，本文將其設(shè)計在PCB板材上并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)測試。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該雙頻磁諧振耦合無線能量傳輸裝置的能量傳輸頻率為6.78和13.56 MHz；在傳輸距離為裝置尺寸60%時達(dá)到最高效率，其最高效率分別為88.5%和56.7%。關(guān)鍵詞雙頻；磁耦合諧振；高效率；無線能量傳輸

中圖分類號TN01

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

收稿日期20161121

資助項目國家自然科學(xué)基金（61671210）；廣東省自然科學(xué)基金（2015A030310249）

作者簡介鄭艷華，男，博士，講師，研究方向?yàn)闊o線能量傳輸和智能信息處理。44864223@qq.com

章秀銀（通信作者），男，博士，教授，2015年國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，教育部長江青年學(xué)者，中組部萬人計劃青年拔尖人才，研究方向?yàn)槲⒉娐放c天線、LTCC、無線能量傳輸。zhangxiuyin@hotmail.com

1廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，廣州，510006

2華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州，510640

3廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，廣州，510300

0 引言

隨著2007年MIT團(tuán)隊利用磁耦合諧振進(jìn)行中距離無線能量傳輸取得新進(jìn)展以來[1]，許多學(xué)者開始對其產(chǎn)生興趣并進(jìn)行了大量研究[28]，其中包括電動汽車[67]和生物醫(yī)學(xué)[8]等諸多領(lǐng)域。但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備不僅僅需要傳輸能量，而且在發(fā)射端和接收端之間需要進(jìn)行通信。而現(xiàn)有的單通帶磁耦合諧振無線能量傳輸已不符合發(fā)展的需求，所以現(xiàn)在越來越多的學(xué)者投入到多頻化和高效率無線傳輸?shù)难芯恐衃911]。相比單頻無線能量傳輸系統(tǒng)，多頻無線能量傳輸系統(tǒng)可以提供更多的通道來傳輸能量或信息。然而，如何產(chǎn)生多頻傳輸通道和提高各通道的效率仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。

目前，已經(jīng)出現(xiàn)了一些產(chǎn)生雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)的方法。在文獻(xiàn)[9]中，作者利用了并聯(lián)的集總電容和電感來產(chǎn)生雙頻傳輸通道。但是由于集總元器件僅能用于多產(chǎn)生一個諧振通帶而實(shí)際中并沒有增加一個直接參與能量傳輸?shù)拿浇?，所以該無線能量傳輸系統(tǒng)僅能在較短的傳輸距離下實(shí)現(xiàn)高效率的傳輸。文獻(xiàn)[10]采用圓形諧振線圈及與之共面的饋電線圈組成的雙頻線圈模型進(jìn)行能量傳輸。該方法雖然提高了傳輸?shù)男剩瞧涮嵘琅f僅限于較短傳輸距離的情況，遠(yuǎn)距離的傳輸效率并未見改善。文獻(xiàn)[11]中，通過在發(fā)射端和接收端引入匹配網(wǎng)絡(luò)來提高雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。雖然效率可以獲得提升，但是由于需要接入額外的電路，系統(tǒng)變得復(fù)雜。因此，設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離較遠(yuǎn)且效率高的雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)對于進(jìn)一步推動無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

為了克服雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)中傳輸距離近和效率低的問題，本文提出了一種高效率的雙頻平面無線能量傳輸發(fā)射和接收裝置。通過理論模型對該裝置的工作原理進(jìn)行分析。在該理論模型中，雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)利用2個不同工作頻率的諧振線圈以磁耦合諧振的形式來傳輸能量。其中，發(fā)射端和接收端中的2個不同頻率的諧振器分別采用同一饋電線圈饋電。為了驗(yàn)證該理論模型的特性，本文將其設(shè)計在PCB板材上并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)測試，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度良好。

1 電路設(shè)計與分析

負(fù)載線圈和4個諧振器組成。饋電線圈包含電感LS、內(nèi)阻RS和2個不同頻率的能量發(fā)射源。負(fù)載線圈包括電感LL和負(fù)載RL。4個諧振器分別由對應(yīng)的諧振電感Ln、諧振電容Cn和內(nèi)阻Rn（n=1，2，3，4）組成。

該無線能量傳輸系統(tǒng)的2個子系統(tǒng)分別工作在不同的頻率。第一子系統(tǒng)的工作頻率為ω1，其通過耦合路徑kS1、k13和kL3把能量從VS1傳送RL；第二子系統(tǒng)的工作頻率為ω2，其通過耦合路徑kS2、k24和kL4把能量從VS2傳送RL。kS1（kS2）和kL3（kL4）為電磁耦合，起到饋電的作用；k13（k24）為諧振式耦合，用于同頻發(fā)射端和接收端之間的耦合。除了主要的耦合路徑，第一諧振器和第二諧振器之間也存在耦合，其耦合系數(shù)為k12，第三諧振器和第四諧振器之間的耦合系數(shù)為k34。k12和k34的存在對2個子系統(tǒng)的工作頻率有輕微的影響，但可以通過微調(diào)諧振器中的電容消除它們對系統(tǒng)的影響，故在此不做仔細(xì)研究。

為了讓無線能量傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高的效率，一般將諧振器的諧振頻率調(diào)整為與源相同的工作頻率[1]。第一諧振器和第三諧振器的諧振頻率為ω1，第二諧振器和第四諧振器的諧振頻率為ω2。

在該原理圖的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一對高效率的雙頻無線能量傳輸?shù)陌l(fā)射器和接收器。其對應(yīng)的參數(shù)如表1所示。

2 PCB模型分析

基于圖1所示的原理圖，本文在PCB上設(shè)計了對應(yīng)的發(fā)射和接收裝置。由于發(fā)射端和接收端是相同的，所以下面的分析僅以發(fā)射端為例。發(fā)射端的結(jié)構(gòu)如圖2所示，尺寸如表2所示。

該發(fā)射裝置分為3個部分，由外到內(nèi)分別為第一諧振器、饋電線圈和第二諧振器。其中，第一諧振器和第二諧振器采用了類似的結(jié)構(gòu)[12]。其電感包括一圈順時針方向繞行的方形環(huán)和一圈逆時針方向繞行的方形環(huán)，調(diào)諧電容跨接在這2個方形環(huán)之間?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)其電感的邊長和電容值的大小來獲得所要的諧振頻率。饋電線圈為一圈方形環(huán)，其一端連接著一個金屬化過孔，另一端連接著一個通孔，分別用于連接SMA的地和它的芯，這可以使饋電線圈形成一個回路。饋電線圈通過耦合饋電的方式將功率源提供的能量分別傳送到第一諧振器和第二諧振器。它與諧振器之間的耦合強(qiáng)度可以通過耦合系數(shù)kS1和kS2來調(diào)節(jié)，具體方法是通過調(diào)節(jié)饋電線圈和諧振器之間的距離和饋電線圈的邊長來實(shí)現(xiàn)。通過kS1和kS2的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置和功率源之間的阻抗匹配。利用這種方式，可以讓負(fù)載在一定的范圍內(nèi)變動時均能實(shí)現(xiàn)比較好的匹配。

3 仿真和測試結(jié)果

本文所提出的雙頻高效率無線能量傳輸裝置采用FR4板材制作。其板材厚度為1.6 mm，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，金屬銅的厚度為35 μm。本次實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射端與接收端間隔90 mm，為其邊長的60%。圖3為該實(shí)驗(yàn)的測試平臺，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的2個端口分別連接發(fā)射和接收裝置來測量傳輸系數(shù)曲線和效率曲線。傳輸曲線和效率曲線的等效關(guān)系式表示為

仿真和測試得到的效率曲線如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)發(fā)射和接收裝置之間的間距為裝置尺寸的60%，即90 mm的時候，在6.78 MHz測試得到的傳輸效率為88.5%，在13.56 MHz測試得到的傳輸效率為56.7%。因此，該發(fā)射和接收裝置可以在較遠(yuǎn)的距離實(shí)現(xiàn)高效率的雙頻無線能量傳輸。

4 結(jié)束語

本文針對雙頻無線能量傳輸系統(tǒng)中傳輸效率低的問題，設(shè)計了一種基于PCB板的高效率雙頻無線能量傳輸裝置。該傳輸裝置用一個饋電線圈通過不同的耦合強(qiáng)度對2個不同工作頻率的諧振器進(jìn)行饋電，利用同頻諧振器之間的諧振式耦合，在較遠(yuǎn)的距離下獲得較高的傳輸效率，同時該傳輸裝置在源端和負(fù)載端都獲得了良好的匹配。仿真和測試結(jié)果均表明，該傳輸裝置能夠在較遠(yuǎn)的距離下獲得較高的傳輸效率。

參考文獻(xiàn)

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