曹志強(qiáng)，李光平，汪 洋

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

磁共振耦合(magnetic resonant coupling,MRC)無線能量傳輸系統(tǒng)由于能夠突破一定距離的限制及其可接受的功率效率,近年來引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究興趣。麻省理工學(xué)院的Soljacic團(tuán)隊于2007年提出了通過兩個諧振線圈傳輸電能的方案[1]。對于單發(fā)射線圈和接收線圈的無線能量傳輸系統(tǒng)，隨距離的改變或者角度的變化，接收線圈在發(fā)射線圈上等效的反射阻抗會急劇變化造成阻抗失配，大部分的能量被反射。只有在二者具有較合適的尺寸比例且接收線圈的位置固定，并與發(fā)射線圈保持合適的距離和角度，系統(tǒng)才能達(dá)到較高的傳輸效率[2]，針對此問題一般有效的解決方案是頻率追蹤和阻抗匹配[3]。實(shí)際應(yīng)用中，接收設(shè)備如消費(fèi)電子類產(chǎn)品并非固定在某個位置，且不能完全對齊發(fā)射設(shè)備。增加發(fā)射線圈的數(shù)量可以有效解決此類問題，但是接收線圈往往只能與其中某一個或者兩個線圈具有較好的耦合度，因此，系統(tǒng)的整體效率普遍不高。

在多線圈無線能量傳輸系統(tǒng)研究中，Jadidian J和Katabi D提出了借鑒多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)無線通信系統(tǒng)中的波束成形(beamforming)技術(shù)對發(fā)射線圈的磁場進(jìn)行賦形，可以使電子設(shè)備在一定距離內(nèi)獲得充電[4]，但系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度較高且對開關(guān)功放的要求比較苛刻[5]。Shi X Y和Smith J R提出了一種平面線圈陣列選擇中繼的方法提高系統(tǒng)的靈活度和傳輸距離[6],但其提出的模型只可以在某些特定的場景下高效運(yùn)行，局限性相對較高。Waters B H和Mahoney B J提出了相位陣列技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效傳輸，但并未在高功率條件下進(jìn)行測試[7]。Lee S B和Jang I G在接收線圈的印刷電路板(printed circuit board,PCB)布線上提出了一種優(yōu)化的方案提高多發(fā)射線圈系統(tǒng)的傳輸效率，但PCB布線的方案難以在實(shí)際應(yīng)用的情況下廣泛使用[8]。

本文系統(tǒng)主要借鑒了無線通信系統(tǒng)的相位陣列技術(shù)對多個發(fā)射線圈的相位進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的系統(tǒng)可以將更多的能量聚集在與接收線圈耦合程度較高的發(fā)射線圈上，同時抑制了其他耦合程度不高的線圈上的能量大小。設(shè)計的兩組自動切換阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)保證了系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行。搭建的雙發(fā)射線圈系統(tǒng)在高功率條件下成功運(yùn)行并驗(yàn)證了通過相位控制算法提高了系統(tǒng)的傳輸效率。

1 雙線圈系統(tǒng)理論分析

在無線通信系統(tǒng)中對發(fā)射天線陣列做相位調(diào)整會使得電磁波信號在遠(yuǎn)場上有效疊加。磁共振耦合系統(tǒng)中的多發(fā)射線圈則利用了線圈在近場上的磁耦合互感，改變兩個線圈電流的相位可以將能量更多的聚集到某個線圈上。同時由于相位的改變也使得回路的反射阻抗大小發(fā)生變化，改變相位可以更好的匹配阻抗使得功放的效率最大化。

1.1 模型分析

雙線圈無線能量傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示。發(fā)射端包括兩個獨(dú)立串聯(lián)的電感電容電阻(inductance,capacitance,resistance,LCR)諧振電路，接收端包括單個串聯(lián)的LCR諧振電路。電阻器R1和R2分別為發(fā)射線圈的內(nèi)阻，RL為接收端的負(fù)載電阻器，模型中的三個線圈兩兩互感。

圖1 模型示意

VS1=IS1R1+jωM12IS2-jωM1IL

(1)

VS2=IS2R2+jωM12IS1-jωM2IL

(2)

接收端的電路方程為

(3)

式(1)～式(3)聯(lián)合求解可以得到

(4)

發(fā)射線圈電流的增大可以增加流過接收線圈的磁通量，從而獲得更大的接收能量。通過式(4)可以看到，在幾個線圈的互相耦合系數(shù)M不變的情況下，流過線圈的電流不僅和本身源端電壓有關(guān)，也和另一個回路的電流有關(guān)，而電流包含了幅度及其相位。兩個激勵源的相對相位的改變會使得發(fā)射線圈的等效阻抗大小產(chǎn)生變化，電流大小的理論計算值在相對相位為90°和-90°時達(dá)到極值，不過在實(shí)際環(huán)境中，只有阻抗大小和激勵源匹配得越好，功放才能得到更好的輸出效率。因此，通過改變流過兩個線圈電流的相位差，可以將某個特定線圈更好地匹配到需要的阻抗上。從而提高整個系統(tǒng)的效率。隨著接收線圈的位置改變，式(4)中的耦合系數(shù)M會隨之改變，因此，需要相位也要相應(yīng)地調(diào)整。系統(tǒng)的相位自適應(yīng)算法可以根據(jù)耦合系數(shù)M的改變而實(shí)時改變相位值使得系統(tǒng)保持高效率運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 發(fā)射結(jié)構(gòu)

圖2為發(fā)射端的結(jié)構(gòu)，本文系統(tǒng)以磁共振的方式進(jìn)行無線能量傳輸，首先，信號源產(chǎn)生頻率6.78 MHz的正弦波信號，信號經(jīng)過功率放大器(power amplifier,PA)放大后，再通過定向耦合器接入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動電感電容(LC)諧振線圈。接收部分將LC串聯(lián)諧振接收到的交流信號經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓為負(fù)載進(jìn)行供電。另一方面，系統(tǒng)通過檢測定向耦合器的隔離端和耦合端兩路信號的增益和相位差，利用兩路信號的增益和相位差即可計算出負(fù)載線圈對功放的反射系數(shù)，由反射系數(shù)即可直接計算出負(fù)載線圈的阻抗值。通過阻抗值大小即可以判斷出接收線圈與哪個發(fā)射線圈有著更好的耦合，從而做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)信號高效的能量傳輸。

圖2 發(fā)射端結(jié)構(gòu)

2.2 檢測電路

輸入阻抗檢測電路包括定向耦合器、20 dB衰減器、AD8302幅相檢測芯片和單片機(jī)(micro controller unit,MCU)控制器，其電路模型如圖3所示。

圖3 阻抗檢測電路

定向耦合器有輸入端、直通端、耦合端和隔離端。輸入端接功率放大器，輸出端接LC諧振線圈，耦合端和隔離端分別經(jīng)20 dB衰減器接AD8302幅相檢測芯片兩個輸入端口。增益和相位差的輸出引腳分別連接于MCU，當(dāng)檢測芯片接收到定向耦合器的耦合端和隔離端的電信號后，將增益和相位差轉(zhuǎn)換為0～1.8 V之間的電壓值，MCU根據(jù)電壓值計算增益和相位差從而獲得輸入阻抗值[10]。

2.3 阻抗匹配電路

利用電磁層析成像技術(shù)可以分析發(fā)射線圈在不同匝數(shù)，直徑下的阻抗特性，調(diào)整設(shè)計使其更加匹配于前級的功率放大器[11]。但是當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈的距離改變時，發(fā)射端的反射阻抗變化的范圍可以從幾歐姆到幾百歐姆，這與商用功率放大器的輸出阻抗50 Ω是極其不匹配的，因此,需要額外的阻抗匹配電路來保證功率放大器安全穩(wěn)定的工作[12]。

L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)通過單個電感器和電容器可完成阻抗轉(zhuǎn)換的簡單網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要匹配的阻抗大小與特征阻抗Z0的大小關(guān)系可以分為L型和反L型網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)需要匹配的阻抗大于Z0時選擇L型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)需要匹配的阻抗小于Z0時選擇反L型網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)所用阻抗匹配電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動阻抗匹配電路結(jié)構(gòu)

其中,開關(guān)K1用來控制阻抗匹配兩種結(jié)構(gòu)，當(dāng)AD8302采集信息計算的反射阻抗小于50 Ω時，K1與A端口連接，此時的結(jié)構(gòu)為反L型結(jié)構(gòu)。當(dāng)反射阻抗大于50 Ω時，K1與B端口連接，此時結(jié)構(gòu)為L型結(jié)構(gòu)。

開關(guān)陣列A1～An控制串聯(lián)電容值的大小，可以通過繼電器的關(guān)斷選擇單個容值或多個電容器的并聯(lián)值。開關(guān)陣列D1～Dm用于控制并聯(lián)電容值。開關(guān)陣列H1～H3用于選擇電感值的大小，通過以上3組開關(guān)的組合即可完成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)切換，保證功放運(yùn)行在安全的駐波比條件下。

2.4 控制電路

控制電路中，當(dāng)檢測到阻抗值發(fā)生較大改變時，啟動控制流程。MCU通過串口通信的方式控制數(shù)字顯示示波器(digital display scope,DDS)信號源的兩路輸出信號的相位差進(jìn)行一個周期的掃描，AD8302檢測電路對定向耦合器的信號進(jìn)行采集和計算，將各個相位差下對應(yīng)的駐波比進(jìn)行排序，將駐波比最小時刻的相位差找出并調(diào)整兩路信號的相位差即可以使其達(dá)到最好的匹配效果，提高系統(tǒng)的效率。該相位自適應(yīng)調(diào)整流程如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)控制流程

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證理論的正確性，設(shè)計了一臺最大功率28W的相位自適應(yīng)無線能量傳輸裝置。主電路發(fā)射部分信號源為AD9959 DDS信號源，頻率設(shè)定為6.78 MHz，信號功率為0 dBm，相位可由0°～359°任意調(diào)整。MCU型號為開源硬件Arduino Uno[13]。功率放大器使用基于金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)管IRF530制作的線性放大器，工作電壓為12 V，輸出阻抗為50 Ω,增益為39 dB，最大額定輸出功率約為39 dBm(8W)?？刂齐娐分袡z測部分使用的定向耦合器采用了變壓器模式的耦合，其耦合度為25 dB，方向性為35 dB。幅相檢測器為ADI公司的AD8302芯片，其輸入信號的功率范圍為-60～0 dBm,因此，耦合器的輸出信號需要經(jīng)過2個20 dB的衰減器對信號的功率進(jìn)行衰減后才能與芯片進(jìn)行連接。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)部分使用了74HC573鎖存器確定繼電器開關(guān)的控制信號，ULN2003芯片用于驅(qū)動繼電器的開關(guān)，繼電器型號為JZC—32F。

系統(tǒng)使用的發(fā)射線圈為Nucurrent公司基于6.78 MHz所研發(fā)的PCB電感線圈，尺寸大小為22 cm×16.8 cm，其等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance,ESR)值為3.5 Ω，電感量大小8 μH，Q值為110，搭配的電容器使其準(zhǔn)確地在6.78 MHz頻率下達(dá)到諧振。接收線圈的尺寸為7 cm×5 cm，電感量為2.9 μH，ESR為2.5 Ω，搭配的諧振電容值為190 pF，接收的能量由肖特基二極管SS14整流可以最大程度減少損耗，后級的DC—DC模塊可以將輸出電壓穩(wěn)定在5 V為負(fù)載供電。接收電路以及裝置運(yùn)行如圖6所示。

圖6 接收電路和裝置運(yùn)行

圖7為固定垂直距離10 cm時在不同位置下接收能量對比。圖8為固定在位置1時不同垂直距離下系統(tǒng)的運(yùn)行效果對比。

圖7 不同位置下接收能量對比

圖8 位置1時不同距離下的效率對比

4 結(jié)束語

通過對無線能量傳輸系統(tǒng)中的多發(fā)射線圈單接收線圈模型進(jìn)行分析、討論,設(shè)計了相位自適應(yīng)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計方法和控制流程。實(shí)驗(yàn)證明：所設(shè)計的基于相位自適應(yīng)的雙線圈無線能量傳輸系統(tǒng)可以有效提高雙發(fā)射線圈系統(tǒng)的傳輸效率，具有一定的科研和應(yīng)用價值。

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