唐以軻，盧亞飛，徐立松，章文俊

（上海工程技術(shù)大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

0 引 言

電子產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的有線充電存在攜帶不便、充電不便、設(shè)備不適配等問題。無線電能傳輸技術(shù)利用電、磁場的變化實現(xiàn)能量的傳輸，在保持一定距離的情況下實現(xiàn)了電源和待充電設(shè)備之間充電，有效解決了傳統(tǒng)充電方式的弊端。無線充電將成為一種趨勢，但在實際推廣應(yīng)用過程中還存在一些問題，如傳輸距離過短、發(fā)射接收裝置尺寸過大等，這些問題都將影響到無線電能傳輸?shù)男始肮β蔥1]。因此如何在縮小尺寸的情況下，使傳輸效率更高及傳輸距離更遠，成為相關(guān)科研工作者們研究的一個重點。

1 相關(guān)理論介紹

1.1 電磁超材料

電磁超材料主要是運用人工構(gòu)造出不存在于自然界的單元結(jié)構(gòu)體，使其具有超強的電磁特性，同時具備超高的可設(shè)計性，因此其在電磁和光學等領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮骩2]。電磁超材料的這些特性應(yīng)用到無線電能傳輸技術(shù)中，可有效提升系統(tǒng)傳輸?shù)男阅堋?/p>

1.2 無線電能傳輸定義

無線電能傳輸是指利用電磁場、電磁波，在一定距離內(nèi)實現(xiàn)供電電源到用電負載的無直接電氣接觸的能量傳輸。這一電能傳輸方式具有安全性、可靠性和便捷性等優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)電導體直接物理接觸電源所帶來的插電火花、不易維護、特殊環(huán)境下存在用電安全隱患等問題。

1.3 無線電能傳輸方式分類

無線電能傳輸方式可以分為以下4類。（1）電磁感應(yīng)式：根據(jù)法拉第電磁耦合定理，利用電磁互相耦合實現(xiàn)無線電能量傳遞。（2）磁場共振式：電流通過導線形成相同頻率的電磁共振，實現(xiàn)無線供電；（3）電場耦合式：將電能以微波的形式沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而進行電能無線傳輸。（4）磁耦合諧振式：將高頻電源加載到發(fā)射線圈，使發(fā)射線圈在電源激勵下產(chǎn)生高頻磁場，接收線圈在此高頻磁場作用下耦合產(chǎn)生電流，實現(xiàn)無線電能傳輸。

2 基于超材料的無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

2.1 MNG材料設(shè)計

2.1.1 MNG材料單元設(shè)計

磁負（Magnetic Negative，MNG）超材料單元的正面結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。導體材質(zhì)選擇了電導率值為5.8×107S/m的金屬銅，銅膜厚度為0.017 mm，呈螺旋結(jié)構(gòu)分別貼合在正方形FR4基板的正、反面，中部為空白的正方形FR4基板。整片基板邊長L=125 mm，螺旋結(jié)構(gòu)的外邊長L0=105 mm，銅質(zhì)膜距FR4介質(zhì)板邊L1=10 mm。

圖1 MNG材料單元正面結(jié)構(gòu)

2.1.2 MNG材料單元結(jié)構(gòu)仿真

電磁仿真軟件（High Frequency Simulator Structure，HFSS）因其運用場景靈活簡潔，且在仿真過程無需編寫過多復(fù)雜代碼，通過軟件進行處理分析能夠?qū)υ骷妶鰧嶋H分配情況有清晰的了解。MNG電磁超材料單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MNG電磁超材料單元結(jié)構(gòu)模型

通過仿真得到MNG電磁超材料的反射系數(shù)S11和投射系數(shù)S21隨頻率的變化如圖3所示?？梢?，在頻率f=6.78 MHz情況下，其反射系數(shù)S11和投射系數(shù)S21各自達到峰值及谷值，這一現(xiàn)象說明，當特定頻率交變磁場垂直進入電磁超材料板時，超材料產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。

圖3 MNG電磁超材料S參數(shù)

2.2 MNG材料的磁負特性

研究表明，電磁波穿過磁單負材料，其傳播方向也會出現(xiàn)變化，如圖4所示。因此將此類材料置于接收與發(fā)射線圈裝置之間，可實現(xiàn)接收線圈對電磁波的收集，從而一定程度避免電磁波散射導致的能量損失，同時也有利于無線電能傳輸系統(tǒng)效率的提高[4]。

圖4 磁單負材料作用效果示意

3 收發(fā)線圈的分析與設(shè)計

3.1 收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)的選擇

收發(fā)線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸對傳輸效率存在較大影響，為獲得較高傳輸效率，需選擇磁場范圍及磁場強度大，且損耗低的收發(fā)線圈[5]。

無線電能傳輸系統(tǒng)收發(fā)線圈種類較多，為提高無線電能傳輸系統(tǒng)效率，選擇適當?shù)氖瞻l(fā)線圈結(jié)構(gòu)非常重要。圖5所示為當前研究人員經(jīng)常用到的3種收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)類型，主要包括圓柱形、平面矩形、平面螺旋形。從空間占比考慮，本文選擇平面螺旋形結(jié)構(gòu)。

圖5 常用的收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)

3.2 收發(fā)線圈設(shè)計

綜合考慮相關(guān)需求，可確定收發(fā)線圈尺寸規(guī)格。采用的平面螺旋線圈的線徑為1.5 mm，線圈半徑為30 mm，每匝間距為1 mm，匝數(shù)為7匝。平面螺旋形結(jié)構(gòu)線圈的電感計算公式為：

式中：μ0為真空磁導率；r為線圈半徑；f為共振頻率；N為線圈匝數(shù)；D為線圈線徑。收發(fā)線圈的諧振頻率f=6.78 MHz，位于高頻范圍內(nèi)，此時螺旋線圈的輻射電阻遠小于歐姆電阻，所以輻射電阻值可以忽略不計，只需計算歐姆電阻值。在高頻范圍內(nèi)，歐姆電阻值計算公式為：

式中：σ為諧振線圈導線的電導率。無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率和線圈的品質(zhì)成正相關(guān)，所以線圈品質(zhì)的提升意義重大，通常線圈品質(zhì)因數(shù)的計算公式為：

根據(jù)式（3）可知：線圈品質(zhì)因數(shù)、線圈電感、系統(tǒng)諧振頻率三者為正比關(guān)系；品質(zhì)因數(shù)與線圈電阻值為反比關(guān)系。可在適當提升諧振頻率和線圈電感的基礎(chǔ)上，通過降低電阻值來提升線圈品質(zhì)因數(shù)，從而確保系統(tǒng)的傳輸效率達到某個最大值。螺旋形線圈S參數(shù)的仿真計算結(jié)果如圖6所示，從圖6中反映的數(shù)據(jù)可見，在諧振頻率f=6.78 MHz時，其反射參數(shù)S11位于最大值位置，且投射參數(shù)S21位于最小值位置，由此可以判斷線圈在這一頻率內(nèi)產(chǎn)生了電磁諧振。此時由式（1）、式（2）和式（3）可得到螺旋線圈在諧振頻率為f=6.78 MHz時的品質(zhì)因數(shù)Q=2 300。

圖6 螺旋線圈的S參數(shù)

在系統(tǒng)的設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，收發(fā)線圈產(chǎn)生耦合時，會有部分散射的磁場無法被接收線圈接收，形成磁場損耗。若能調(diào)整散射在周圍空間的磁場的方向，使散射磁場能夠盡量多地被接收線圈接收，可進一步提高傳輸效率。

4 結(jié) 論

本文通過在收發(fā)線圈之間加入電磁超材料，實現(xiàn)了無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率的提高和距離的增長。結(jié)合相關(guān)實驗數(shù)據(jù)分析，進一步說明了收發(fā)線圈加載電磁超材料對無線電能傳輸系統(tǒng)的性能具有顯著的提升作用。

隨著研究的不斷深入，未來無線電能傳輸技術(shù)擁有更加廣闊的發(fā)展空間。本文所設(shè)計的基于電磁超材料的無線電能傳輸系統(tǒng)對相關(guān)研究人員開發(fā)同類型電能傳輸技術(shù)有一定的參考意義。