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(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的效率，本文提出了一種新型的雙頻無(wú)線(xiàn)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(gè)饋電線(xiàn)圈對(duì)兩個(gè)諧振線(xiàn)圈饋電；兩個(gè)諧振線(xiàn)圈工作在不同的頻率并通過(guò)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(gè)諧振線(xiàn)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(jì)在PCB板材上并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該雙頻磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)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(shí)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(wú)線(xiàn)能量傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)TN01

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

收稿日期20161121

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

作者簡(jiǎn)介鄭艷華，男，博士，講師，研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)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(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，教育部長(zhǎng)江青年學(xué)者，中組部萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才，研究方向?yàn)槲⒉娐放c天線(xiàn)、LTCC、無(wú)線(xiàn)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(duì)利用磁耦合諧振進(jìn)行中距離無(wú)線(xiàn)能量傳輸取得新進(jìn)展以來(lái)[1]，許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)其產(chǎn)生興趣并進(jìn)行了大量研究[28]，其中包括電動(dòng)汽車(chē)[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(lái)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(wú)線(xiàn)能量傳輸已不符合發(fā)展的需求，所以現(xiàn)在越來(lái)越多的學(xué)者投入到多頻化和高效率無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)难芯恐衃911]。相比單頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，多頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)可以提供更多的通道來(lái)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(gè)很大的挑戰(zhàn)。

目前，已經(jīng)出現(xiàn)了一些產(chǎn)生雙頻無(wú)線(xiàn)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(lái)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(gè)諧振通帶而實(shí)際中并沒(méi)有增加一個(gè)直接參與能量傳輸?shù)拿浇椋栽摕o(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈及與之共面的饋電線(xiàn)圈組成的雙頻線(xiàn)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(jiàn)改善。文獻(xiàn)[11]中，通過(guò)在發(fā)射端和接收端引入匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高雙頻無(wú)線(xiàn)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(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸距離較遠(yuǎn)且效率高的雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

為了克服雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中傳輸距離近和效率低的問(wèn)題，本文提出了一種高效率的雙頻平面無(wú)線(xiàn)能量傳輸發(fā)射和接收裝置。通過(guò)理論模型對(duì)該裝置的工作原理進(jìn)行分析。在該理論模型中，雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)利用2個(gè)不同工作頻率的諧振線(xiàn)圈以磁耦合諧振的形式來(lái)傳輸能量。其中，發(fā)射端和接收端中的2個(gè)不同頻率的諧振器分別采用同一饋電線(xiàn)圈饋電。為了驗(yàn)證該理論模型的特性，本文將其設(shè)計(jì)在PCB板材上并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)與分析

負(fù)載線(xiàn)圈和4個(gè)諧振器組成。饋電線(xiàn)圈包含電感LS、內(nèi)阻RS和2個(gè)不同頻率的能量發(fā)射源。負(fù)載線(xiàn)圈包括電感LL和負(fù)載RL。4個(gè)諧振器分別由對(duì)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(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的2個(gè)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(guò)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(guò)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(duì)2個(gè)子系統(tǒng)的工作頻率有輕微的影響，但可以通過(guò)微調(diào)諧振器中的電容消除它們對(duì)系統(tǒng)的影響，故在此不做仔細(xì)研究。

為了讓無(wú)線(xiàn)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(jì)了一對(duì)高效率的雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)陌l(fā)射器和接收器。其對(duì)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(jì)了對(duì)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(gè)部分，由外到內(nèi)分別為第一諧振器、饋電線(xiàn)圈和第二諧振器。其中，第一諧振器和第二諧振器采用了類(lèi)似的結(jié)構(gòu)[12]。其電感包括一圈順時(shí)針?lè)较蚶@行的方形環(huán)和一圈逆時(shí)針?lè)较蚶@行的方形環(huán)，調(diào)諧電容跨接在這2個(gè)方形環(huán)之間?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)其電感的邊長(zhǎng)和電容值的大小來(lái)獲得所要的諧振頻率。饋電線(xiàn)圈為一圈方形環(huán)，其一端連接著一個(gè)金屬化過(guò)孔，另一端連接著一個(gè)通孔，分別用于連接SMA的地和它的芯，這可以使饋電線(xiàn)圈形成一個(gè)回路。饋電線(xiàn)圈通過(guò)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(guò)耦合系數(shù)kS1和kS2來(lái)調(diào)節(jié)，具體方法是通過(guò)調(diào)節(jié)饋電線(xiàn)圈和諧振器之間的距離和饋電線(xiàn)圈的邊長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(dòng)時(shí)均能實(shí)現(xiàn)比較好的匹配。

3 仿真和測(cè)試結(jié)果

本文所提出的雙頻高效率無(wú)線(xiàn)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(zhǎng)的60%。圖3為該實(shí)驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的2個(gè)端口分別連接發(fā)射和接收裝置來(lái)測(cè)量傳輸系數(shù)曲線(xiàn)和效率曲線(xiàn)。傳輸曲線(xiàn)和效率曲線(xiàn)的等效關(guān)系式表示為

仿真和測(cè)試得到的效率曲線(xiàn)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(shí)候，在6.78 MHz測(cè)試得到的傳輸效率為88.5%，在13.56 MHz測(cè)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(wú)線(xiàn)能量傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中傳輸效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PCB板的高效率雙頻無(wú)線(xiàn)能量傳輸裝置。該傳輸裝置用一個(gè)饋電線(xiàn)圈通過(guò)不同的耦合強(qiáng)度對(duì)2個(gè)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(shí)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(cè)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)

References

[1] Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317（5834）：8386

[2] Jolani F，Yu Y，Chen Z.A planar magnetically coupled resonant wireless power transfer system using printed spiral coils[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2014，13（1）：16481651

[3] Wang J，Ho S L，F(xiàn)u W N，et al.A comparative study between witricity and traditional inductive coupling in wireless energy transmission[J].IEEE Transactions on Magnetics，2011，47（5）：15221525

[4] Huang R H，Zhang B.Frequency，impedance characteristics and HF converters of twocoil and fourcoil wireless power transfer[J].IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics，2015，3（1）：177183

[5] Ean K K，Chuan B T，Imura T，et al.Novel bandpass filter model for multireceiver wireless power transfer via magnetic resonance coupling and power division[C]∥IEEE Wireless and Microwave Technology Conference，2012：16

[6] Zhou S J，Mi C C.Multiparalleled LCC reactive power compensation networks and its tuning method for electric vehicle dynamic wireless charging[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63（10）：65466556

[7] Shin J，Shin S，Kim Y，et al.Design and implementation of shaped magneticresonancebased wireless power transfer system for roadwaypowered moving electric vehicles[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61（3）：11791192

[8] Yan L，Wang T Y，Liu D L，et al.Capsule robot for obesity treatment with wireless powering and communication[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（2）：11251133

[9] Kung ML，Lin KH.Investigation of dualband coil module for nearfield wireless power transfer systems[C]∥IEEE Wireless Power Transfer Conference，2014：265268

[10] Dionigi M，Mongiardo M.A novel resonator for simultaneous wireless power transfer and near field magnetic communications[C]∥IEEE Microwave Symposium Digest，2012：13

[11] Beh T C，Kato M，Imura T，et al.Automated impedance matching system for robust wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（9）：36893698

[12] Lee W S，Oh K S，Yu J W.Distanceinsensitive wireless power transfer and nearfield communication using a currentcontrolled loop with a loaded capacitance[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（2）：936940