謝 孟，向乾尹，魏清新，鄧紅梅，杜 娟，馬紅波

(1.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074；2.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

0 引言

磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)是一種利用磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)近距離非接觸電能傳遞技術(shù),具有安全、可靠、便捷、靈活、非接觸和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),有效避免了傳統(tǒng)供電連線因接插件磨損和老化帶來(lái)的電火花、漏電和接觸不良等問(wèn)題,同時(shí)避免了供電界面的物理破壞,近年來(lái)在電動(dòng)汽車充電、植入式醫(yī)療裝置供電、家用電器和3C產(chǎn)品等領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-3]。當(dāng)前,高功率磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)正在裝備制造領(lǐng)域得到應(yīng)用發(fā)展[4],為水下航行器、運(yùn)載裝備無(wú)線充電、飛行器臍帶電纜、衛(wèi)星太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)(Solar Array Drive Assembly,SADA)機(jī)構(gòu)等“水”“陸”“空”“天”裝備領(lǐng)域帶來(lái)顛覆傳統(tǒng)的非接觸式供電架構(gòu),極大地提升了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。同時(shí),這些應(yīng)用場(chǎng)景存在復(fù)雜的主次側(cè)反饋、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、保密信息和控制指令等數(shù)據(jù)傳輸,必須具備寬帶、可靠、保密的數(shù)據(jù)傳輸功能,迫切需要實(shí)現(xiàn)高功率磁耦合無(wú)線電能傳輸場(chǎng)景下的寬帶磁耦合通信技術(shù)[5-6]。傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)通信極易受到干擾,且保密性差[7-8],而基于電磁感應(yīng)進(jìn)行的短距離無(wú)輻射近場(chǎng)通信,具有很多不同于傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射通信的優(yōu)點(diǎn),例如可進(jìn)行空分復(fù)用、抗干擾性能強(qiáng)、功耗小、保密性高、成本低[9]?；谶@些優(yōu)點(diǎn),近場(chǎng)磁通信在許多方面都有著廣泛應(yīng)用[10-12]。

無(wú)線供電場(chǎng)景的磁通信可分為“電能信號(hào)直接調(diào)制方法”“高頻注入式通信”“獨(dú)立耦合通信”三種?！半娔苄盘?hào)直接調(diào)制方法”[13-14]直接對(duì)傳能信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,其通信頻譜與傳能頻譜重合。這種方法主要適用于低功率或是低速應(yīng)用場(chǎng)景,不適用于高功率無(wú)線傳能場(chǎng)景的寬帶磁耦合通信[15-17]?！案哳l注入式通信”將通信信號(hào)通過(guò)耦合方式注入到電能信號(hào)上,通信與傳能共用同一副天線,但通信信號(hào)載波頻率較高,其頻段與傳能信號(hào)頻率相互獨(dú)立,從而能對(duì)能量和信息進(jìn)行更有效的分別處理。通信與傳能共用一副天線會(huì)限制通信帶寬,所以“高頻注入式通信”方案難以調(diào)和高速通信和大功率傳能的矛盾[18]。“獨(dú)立耦合通信”則是采用獨(dú)立的磁耦合通道,傳能與通信頻段獨(dú)立,這樣不僅可以提升通信帶寬,還為通信鏈路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的自由度。此方式又可分為共口徑和非共口徑。非共口徑的缺點(diǎn)是應(yīng)用面積大[19],但是其隔離度好。共口徑則反之。同時(shí),耦合天線的距徑較大時(shí),其耦合系數(shù)低,也將限制通信帶寬[20],如何提升強(qiáng)低頻信號(hào)與弱高頻信號(hào)之間的隔離度,同時(shí)提升磁耦合通信的射頻帶寬是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。

為了滿足復(fù)雜場(chǎng)景下的電能數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸需求且降低天線尺寸,本文選擇在DD天線的基礎(chǔ)之上使用共口徑方式,將無(wú)線電能信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)協(xié)同傳輸。研究磁耦合射頻前端進(jìn)行天線、濾波一體化設(shè)計(jì)理論,給出了天線濾波一體化系統(tǒng)解耦鏈路的設(shè)計(jì)原理,解決了傳統(tǒng)磁通信窄帶和匹配問(wèn)題以及解耦問(wèn)題,為電能傳輸系統(tǒng)構(gòu)建了可靠的磁耦合通信射頻鏈路。

1 設(shè)計(jì)與仿真

1.1 磁耦合無(wú)線傳能與通信系統(tǒng)架構(gòu)

為解決數(shù)電同傳時(shí)傳能與通信對(duì)阻抗、頻段、自感以及功率需求不同的問(wèn)題,采用獨(dú)立、共口徑的傳能與通信線圈。電能和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸系統(tǒng)如圖1所示。其中TXP為傳能發(fā)射端,RXP為傳能接收端,TR1和TR2分別為通信的兩端口。由于通信線圈具有較強(qiáng)的自感,其互耦系統(tǒng)必須通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)形成濾波天線一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 電能和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸系統(tǒng)Fig.1 Power and data simultaneous transmission system

本文通過(guò)采用DD型通信線圈與傳能線圈實(shí)現(xiàn)空域解耦,并利用濾波天線一體化設(shè)計(jì),提升了通信鏈路通帶阻抗匹配特性和帶外抑制能力,增強(qiáng)了與傳能線圈的頻域解耦。接下來(lái)將從天線設(shè)計(jì)理論、解耦實(shí)現(xiàn)原理以及饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與仿真等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.2 天線的解耦設(shè)計(jì)

1.2.1 DD天線設(shè)計(jì)

數(shù)電同傳時(shí)影響信號(hào)傳輸速率最關(guān)鍵的因素之一是傳能鏈路對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的干擾,所以如何抗干擾是提升通信速率的關(guān)鍵。天線部分選用DD天線與普通商用圓形傳能天線進(jìn)行共口徑空域隔離,其繞線方式、磁力線分布及感應(yīng)電流方向如圖2(a)所示。本文采用矩形DD線圈與傳能線圈進(jìn)行隔離,如圖2(b)所示,其中DD線圈的長(zhǎng)(2l2)為200 mm、寬(l1)也為200 mm,導(dǎo)線半徑(rw)為0.5 mm,互耦系統(tǒng)間距(d0)為3 cm。DD線圈相當(dāng)于反串聯(lián)的2個(gè)線圈[20],當(dāng)傳能線圈在DD線圈中產(chǎn)生相同方向的感應(yīng)電流時(shí),由于DD線圈是反串聯(lián)的關(guān)系,所以產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互抵消,從而達(dá)到解耦的目的[21]。

(a)DD線圈的磁場(chǎng)分布和被激勵(lì)的感應(yīng)電流方向

(b)采用DD線圈的系統(tǒng)架構(gòu)

由諧振網(wǎng)絡(luò)理論可知,當(dāng)通信線圈耦合系數(shù)k越大時(shí),整個(gè)射頻帶寬越寬[22],但是首先需要確定如何選取線圈參數(shù)才能使得耦合系數(shù)在約束條件下達(dá)到最大。

DD線圈相當(dāng)于反串聯(lián)的2個(gè)子線圈,圖3給出了用于計(jì)算各參數(shù)的子矩形線圈耦合對(duì)。矩形線圈的自感(Lsc)[23]公式可由式(1)給出:

(1)

圖3 一般矩形線圈耦合對(duì)Fig.3 Coupling pair of general rectangular coil

式中:μ0為空氣磁導(dǎo)率,N為匝數(shù),l2、l1分別為DD子線圈的長(zhǎng)、寬,rw為導(dǎo)線半徑。

計(jì)算不同子線圈互感需分別計(jì)算其每對(duì)平行線互感的代數(shù)和[24],式(2)給出了計(jì)算兩平行導(dǎo)線之間的互感(Mp)[25-26]:

(2)

(3)

所以DD線圈的自感(LDD)可由式(4)得出:

LDD=2(Lsc+Msc)。

(4)

進(jìn)一步計(jì)算DD線圈的互感,可將DD耦合對(duì)分為面向子線圈和非面向子線圈,再分別計(jì)算它們的互感值Msc1和Msc2,假設(shè)線圈正對(duì)無(wú)水平方向移位,即x=l2,如式(5)和式(6)所示:

(5)

(6)

MDD=2(Msc1+Msc2)。

(7)

所以本文使用的DD線圈耦合系數(shù)(km)為:

(8)

利用上述理論計(jì)算公式可知,當(dāng)DD線圈的面積、導(dǎo)線半徑及耦合距離固定時(shí),線圈的自感和互感與N2均成正比關(guān)系,增加線圈的匝數(shù)不會(huì)使k明顯增大,但自感隨匝數(shù)平方而增大,而天線頻段在30 MHz內(nèi),若自感太大,自諧振頻率太低,不利于耦合諧振電路設(shè)計(jì),所以選擇N=1。圖4給出了耦合系數(shù)與面積及耦合距離的關(guān)系,當(dāng)耦合面積越大、耦合距離越小時(shí)耦合系數(shù)越大。本文的典型應(yīng)用場(chǎng)景天線外形尺寸l1=2l2=200 mm,匝數(shù)N=1,導(dǎo)線半徑rw=0.5 mm,天線間距d0=30 mm,可得LDD=1.13 μH,MDD=0.2 μH,km=0.176。

(a)耦合系數(shù)與面積的關(guān)系

(b)耦合系數(shù)與距離的關(guān)系

1.2.2 DD天線制作與測(cè)試

圖5(a)為實(shí)際使用利茲線繞制的DD天線,將其固定于亞克力板上,與傳能天線分置0.5 mm厚的亞克力板上下面,形成圖2(b)的耦合結(jié)構(gòu)。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試,通過(guò)其阻抗曲線計(jì)算得到其在30 MHz內(nèi)的自感為1.498 μH、互感為0.262 μH、耦合系數(shù)為0.147,如圖5(b)所示?？梢钥吹?測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算值接近,其誤差主要是由于天線饋電端口會(huì)留出一定距離用于焊接接頭以及手工繞制的偏差。

(a)DD線圈實(shí)物

(b)阻抗耦合特性

在50 Ω端口阻抗下30 mm間距的通信DD天線和傳能天線耦合機(jī)構(gòu)的空域隔離特性如圖6所示。在30 MHz內(nèi)隔離度都在30 dB以上,說(shuō)明DD線圈的空域解耦效果良好。

圖6 實(shí)測(cè)傳能天線與通信DD天線的空域隔離特性Fig.6 Measured spatial isolation characteristics of power antenna and communication DD antenna

1.3 濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1.3.1 設(shè)計(jì)理論

由于線圈天線之間為變壓器耦合,其自身電感量大,無(wú)法和50 Ω的射頻通信端口直接匹配,造成回波信號(hào)大,射頻信號(hào)無(wú)法有效發(fā)射。本文采用濾波網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)磁耦合通道進(jìn)行設(shè)計(jì),降低其帶內(nèi)反射和傳輸衰減。LC諧振網(wǎng)絡(luò)的耦合模型[22]如圖7所示,其偶模諧振頻率fe和奇模諧振頻率fo的計(jì)算如式(9)、式(10)所示,其耦合系數(shù)k12如式(11)所示?；谏衔膶?shí)測(cè)的參數(shù),設(shè)置L1=1.498 μH為發(fā)射和接受線圈自感、Lm=0.26 μH為互感。為了在15 MHz處實(shí)現(xiàn)諧振通帶,設(shè)置C1=100 pF。由式(11)可得二階諧振網(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)k12等于DD線圈耦合系數(shù)0.174。

圖7 LC耦合模型Fig.7 LC coupled model

(9)

(10)

(11)

圖8給出了所需要設(shè)計(jì)諧振網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),S為源端,L為負(fù)載端,1和2表示產(chǎn)生諧振的2個(gè)諧振器,諧振器1和2之間的耦合系數(shù)為上文測(cè)得的DD天線耦合系數(shù)。

圖8 諧振網(wǎng)絡(luò)濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Filter topology of resonant network

根據(jù)濾波網(wǎng)絡(luò)綜合理論,確定耦合系數(shù)后,由式(12)可知,為了得到較大的通帶帶寬(ABW),其耦合系數(shù)原型參數(shù)M12應(yīng)越小越好,本文采用式(14)的耦合矩陣來(lái)定義濾波器響應(yīng),其在15 MHz中心頻率處可獲得4.2 MHz的-3 dB帶寬,使用M矩陣計(jì)算得到的磁耦合通道散射參數(shù)如圖9所示。進(jìn)一步,網(wǎng)絡(luò)外部品質(zhì)因數(shù)Qe可由式(13)計(jì)算出其需求值為7.076,這是硬件電路饋電網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)[27]。

(12)

圖9 由M矩陣推導(dǎo)的S參數(shù)Fig.9 S parameters derived from M matrix

(13)

(14)

1.3.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及仿真

在圖7所示的LC耦合模型的基礎(chǔ)之上,本設(shè)計(jì)采用圖10所示的LC結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁耦合鏈路,其中傳能與通信線圈天線采用矢網(wǎng)測(cè)試得到的4端口散射參數(shù)約束仿真,電容C2=330 pF,電容C3=220 pF,電感L2=0.68 μH。

圖10 二階耦合諧振網(wǎng)絡(luò)的LC電路Fig.10 LC circuit of second-order coupled resonant network

為了能更好地抑制傳能裝置泄露的能量,本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了工作在傳能頻點(diǎn)的帶阻濾波器,增強(qiáng)磁耦合通道的頻域隔離,其中Ln1=Ln2=6.8 μH,Cn=68 nF,Cnf=2.2 nF為低頻隔離電容,提升與傳能線圈的頻域隔離度。圖11給出了基于回波群時(shí)延仿真得到的Qe曲線[22],在中心頻率15 MHz時(shí)Qe=7.67,所設(shè)計(jì)的參數(shù)符合設(shè)計(jì)需求。

圖11 仿真外部品質(zhì)因數(shù)Qe曲線Fig.11 Simulated Qe curve

仿真得到的帶內(nèi)響應(yīng)特性如圖12所示,本文設(shè)計(jì)的二階耦合諧振網(wǎng)絡(luò),仿真得到其通帶中心頻率為fc=15 MHz,ABW-3dB=4.2 MHz,帶內(nèi)回波損耗大于15 dB,帶內(nèi)平坦度、匹配性能及帶外抑制能力得到明顯提升。而圖7所示未進(jìn)行匹配的單電容網(wǎng)絡(luò)帶內(nèi)回波抑制僅為5 dB,通帶帶寬和匹配特性均較差,驗(yàn)證了本文所提設(shè)計(jì)方法的有效性。

圖12 二階耦合諧振網(wǎng)絡(luò)傳輸特性與單電容諧振網(wǎng)絡(luò)傳輸特性對(duì)比Fig.12 Comparison of the transmission characteristicsof the second-order coupled resonant networkand the single capacitor resonant network

圖13所示為仿真的圖10結(jié)構(gòu)中傳能線圈到通信鏈路的傳遞特性,帶阻濾波器在傳能工作頻點(diǎn)167 kHz產(chǎn)生了明顯的陷波能力。

圖13 傳能與通信的頻域隔離特性仿真結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of simulation results of frequencydomain isolation characteristics between power and communication

2 測(cè)量

2.1 濾波天線的通帶測(cè)量

采用FR4板(厚度h=1.2 mm,介電常數(shù)εr=4.6,損耗tanθ=0.019)對(duì)濾波饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了加工,如圖14(a)所示。將PCB板后接于DD天線端口,通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量并驗(yàn)證其傳輸特性,圖14(b)為磁耦合通信鏈路的傳遞特性測(cè)試結(jié)果。在中心頻率14.8 MHz實(shí)現(xiàn)了4 MHz的-3 dB通帶帶寬,符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

(a)電路板實(shí)物

(b)實(shí)測(cè)的S參數(shù)

2.2 磁耦合通信系統(tǒng)的信號(hào)測(cè)量

對(duì)于頻域的解耦測(cè)試,硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖15所示。傳能模塊輸入48 V,輸出12 V/1.2 A,傳能耦合距離為40 mm,通信耦合距離為30 mm。開(kāi)啟負(fù)載和電源后,采用頻譜儀在通信鏈路射頻端口檢測(cè)167 kHz附近的干擾譜。

圖15 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.15 Hardware experiment platform

DD線圈(藍(lán)線)和DD線圈加載濾波饋電網(wǎng)絡(luò)后(橙線)的傳能信號(hào)接收譜,如圖16所示。在DD線圈測(cè)試時(shí),為了保護(hù)儀器,接入了30 dB大功率衰減器。可見(jiàn)在167 kHz頻點(diǎn)處DD線圈接收到的實(shí)際干擾功率譜密度為5 dBm/Hz,當(dāng)加入濾波饋電網(wǎng)絡(luò)后在167 kHz頻點(diǎn)處通信線圈接收到的干擾為-80 dBm/Hz。測(cè)試表明,該解耦天線系統(tǒng)相比DD線圈天線對(duì)傳能信號(hào)提高了85 dB的抑制能力,進(jìn)一步說(shuō)明濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)對(duì)解耦需求的重要性,這對(duì)于提升通信鏈路傳輸性能也具有重要意義。

圖16 磁耦合通信鏈路接收到的傳能信號(hào)譜Fig.16 Power transmission signal spectrum received by magnetic coupling communication link

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于DD線圈和二階諧振網(wǎng)絡(luò)理論,完成了天線與濾波饋電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì);給出了耦合系數(shù)及其饋電網(wǎng)絡(luò)外部品質(zhì)因數(shù)對(duì)帶寬的影響,實(shí)現(xiàn)了磁耦合無(wú)線電能、數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸?shù)膹?qiáng)低頻傳能信號(hào)和弱高頻通信信號(hào)在空域和頻域的解耦,提升了通信鏈路的抗干擾能力。測(cè)試表明,在傳能頻點(diǎn)處提升了85 dB的抑制能力,在中心頻率14.8 MHz處不僅擴(kuò)展了通信帶寬、還增強(qiáng)了帶外抑制能力,說(shuō)明本文采用的設(shè)計(jì)方法是可行且有效的。