諧振耦合式無線電能傳輸在微型傳感器上的應用

董 燕，余 亮，李 琳，梁 齊

（合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學，安徽 合肥 230009）

19世紀末著名物理學家赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波后不久，尼古拉·特斯拉便提出利用電磁波攜帶能量實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)臉?gòu)想[1]。相對傳統(tǒng)有線電能傳輸技術，無線電能傳輸實現(xiàn)了電源和用電負載間完全的電氣隔離，不僅可克服輸電導線帶來的空間限制、不易維護等問題，更可避免接觸放電等安全隱患，具有安全、可靠、靈活等無可比擬的優(yōu)點[2]。無線供電經(jīng)過多年的研究發(fā)展延伸出幾種不同的傳輸方式，如圖1所示。

圖1 無線電能傳輸模式分類

以上幾種無線電能傳輸模式各有優(yōu)勢和不足[3]，無線電波式傳輸距離可達千米級，但由于磁通向全方位空間輻射，其接收功率只有毫瓦級，實用性不高；超聲波式方向性強，能量易于集中且不受電磁干擾，但在空氣中傳播效率低；微波式可穿透云層等障礙物，傳輸距離遠，且可攜帶能量高，但定向性差，傳輸效率低且易干擾通信；激光方式定向性很好，可攜帶能量高，傳輸距離遠，不存在干擾通信的問題，缺點是易受障礙物影響，能量損失大[4]。

微型傳感器是一種尺寸從微米級到毫米級，有的甚至達到納米級的微型器件。它是一種把微型敏感元件、信號收集器件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成在一塊芯片上的綜合系統(tǒng)[5]。這種綜合系統(tǒng)可以獨立工作，也可以協(xié)同工作，還可以異地聯(lián)網(wǎng)（傳感器網(wǎng)絡）[6]。隨著微電子加工技術的發(fā)展，這些體積小功耗低具有很多功能的微型器件的應用范圍將更加廣泛。但隨之而來的器件的能量供應問題也更加有待解決。目前傳感器網(wǎng)絡和微型植入式醫(yī)療設備多采用電池供電[7]。就傳感器網(wǎng)絡而言，因所處環(huán)境一般為危險地帶或人類不易涉足之處，這給傳感器更換電池帶來了很大的麻煩，直接廢棄則造成資源浪費和環(huán)境的污染。而對于微型植入式醫(yī)療設備來說，通過外科手術的方式來給患者更換電池顯然不是一個好辦法。由于無線電能傳輸?shù)谋憬菪裕@使得它在給微型傳感器供電方面顯示出不同以往的價值，從而成為近幾年的一個研究熱點。

目前進行商品化實用性階段應用的無線電能技術主要為電磁感應式和諧振耦合式。電磁感應式是過去二十幾年來無線電能傳輸?shù)闹髁鱗8]，但因傳輸距離較短一直沒有很好的發(fā)展；諧振耦合式是2007年由美國MIT的研究小組提出并驗證的一種不同以往的電能傳輸方式[9]，它在傳輸距離上較傳統(tǒng)的電磁感應式有了大幅度的提升。

1 無線電能傳輸原理與應用

1.1 諧振耦合式無線電能傳輸理論基礎

傳統(tǒng)的感應耦合式無線電能傳輸是利用分離變壓器原理，在原副邊之間進行能量傳輸，缺點是傳輸距離一般都比較小。諧振耦合式無線電能傳輸方式是在利用兩個具有相同諧振頻率的線圈共振進行能量傳輸，這種方式于2006年11月由MIT的Marin Soljacic教授提出并在2007年進行了基本的實驗驗證[9]。相較傳統(tǒng)的電磁感應模式，該模式的有效能量傳輸距離明顯提高，近年來受到了十分廣泛的關注，圖2為諧振耦合式無線電能傳輸?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 諧振耦合模式基本結(jié)構(gòu)圖

圖中發(fā)射端包括電源、交流轉(zhuǎn)直流變換器、高頻逆變電路、發(fā)射線圈；接收端包括接收線圈、整流濾波電路、直流交流變換器、負載。這種無線電能傳輸方式的工作過程為：由發(fā)射端的發(fā)射電路產(chǎn)生高頻信號供給發(fā)射線圈，線圈中的交變電流在諧振體（線圈與線圈相連的電容）周圍產(chǎn)生高頻交變磁場；當接收線圈與發(fā)射線圈的固有振動頻率一致時，接收線圈與發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，此時線圈之間開始能量傳遞；接收線圈后面的負載電路把接收線圈中的能量轉(zhuǎn)換為適合負載工作的電壓。圖3為諧振耦合式無線電能傳輸?shù)牡刃щ娐穲D。

圖3 等效電路圖

其中 R1、R2、C1、C2都為線圈在高頻下的寄生參數(shù) ，L1、L2為線圈的電感量，Rs為電源內(nèi)阻，RL為負載的電阻值，Vs為激勵電源。諧振系統(tǒng)可分為串聯(lián)諧振方式與并聯(lián)諧振方式，與電磁感應耦合一樣，諧振耦合按電容的接入方式可分為 SS、SP、PS、PP 4種[10]。 因為 SS即串聯(lián)-串聯(lián)諧振系統(tǒng)具有普遍的適用性，本文以SS型為例分析。根據(jù)圖3中的電流方向可列KVL方程[11]：

由式（1）可算得接收端和發(fā)射端的電流分別為：

發(fā)射端與接收端的功率分別為：

能量的傳輸功率為：

當 k=km時，系統(tǒng)達到耦合臨界點，將（7）式帶入（5）式和（6）式得到系統(tǒng)的最大輸出功率和此時的效率：

其中M為兩線圈之間的互感[12]：

μ0為真空磁導率，N1、N2為收發(fā)線圈的匝數(shù)，r1、r2為收發(fā)線圈的半徑，D為兩線圈之間的距離。從耦合系數(shù)k與互感M的關系可以看出k與D3成反比，即通過降低系統(tǒng)耦合系數(shù)便可實現(xiàn)遠距離能量傳輸；從km式可看出提高兩線圈的品質(zhì)因數(shù)可以減小在最大功率點的耦合系數(shù)，從而在較遠的距離下仍可以獲得較高的傳輸功率。諧振角頻率的公式與感應耦合相同，參考文獻[9]上C用的是線圈自身的分布電容，而參考文獻[13]則把電容串聯(lián)在線圈外部。電容串聯(lián)在線圈外部比較有優(yōu)勢。原因是：（1）要改變外接電容的大小即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率；（2）線圈形狀改變導致分布電容改變不會對系統(tǒng)諧振頻率造成影響；（3）通過電容匹配使線圈固有諧振頻率與系統(tǒng)諧振頻率相同，不需發(fā)射線圈與接收線圈尺寸完全一致。

1.2 諧振耦合式無線電能傳輸?shù)膬?yōu)點

能量傳輸距離、輸出功率、傳輸效率是評價無線電能傳輸能力的關鍵指標。與傳統(tǒng)的電磁感應式無線電能傳輸相比，諧振耦合的一個很顯著的優(yōu)點是在傳輸距離上有了很大的提高；繼2007年MIT“隔空”點亮2 m外60 W燈泡后，在日本的Nillei Electronics Conference中，Witriciy公司的首席執(zhí)行官Eric Giler隔空點亮了一個1 000 W的強弧光燈，其距離相當一個房間的大小，遠大于傳輸60 W的實驗距離，目前該技術的最大功率記錄為3 300 W，足以為一輛電動汽車充電[14]；另外諧振耦合式的能量傳輸主要基于收發(fā)線圈的共振，因此收發(fā)線圈并不需要同軸，華盛頓大學Joshua R.Smith等人提出用自調(diào)諧技術來應對當傳輸距離和方位改變時對系統(tǒng)共振頻率和接收效率的影響；他們的實驗表明采用該技術后接收線圈可以任意方位移動并仍能在0～70 cm范圍內(nèi)維持70%以上的效率[15]；再次諧振耦合式是中等距離的能量傳輸，經(jīng)過適當開發(fā)，可以實現(xiàn)在室內(nèi)電器的無線供電，這將給人們的生活帶來極大的便捷；諧振耦合式能量傳輸是不受非磁性障礙物的影響，這使得這種無線能量傳輸?shù)膽梅秶訌V闊。

1.3 諧振耦合式無線能量傳輸在微型傳感器上的應用

微型傳感器按照被測量物的性質(zhì)可分為化學微傳感器、生物微傳感器、物理微傳感器等。由于微傳感器體積小、功耗小、便于集成化，多功能化、成本低、便于批量生產(chǎn)等特點，使它成為目前最具實用性的機電器件[16]。

傳統(tǒng)的微型傳感器大多采用電池供電，受傳感器體積小的限制，自帶電池的能量十分有限，無法滿足傳感器長期工作的需求，導致其無法工作而報廢，這不僅降低了傳感器工作壽命，隨著微型傳感器的大量應用，更換電池也會浪費人力和污染環(huán)境。特別是在一些特殊場合，如動物和人體內(nèi)的微傳感器、建筑中的傳感器、無人地帶的傳感器網(wǎng)絡等，通過更換電池的方法來實現(xiàn)能量供給是不現(xiàn)實的。因此微傳感器的能量供應問題極大地限制了傳感器的應用特別是在傳感器網(wǎng)絡中的微傳感器，能量供應問題已經(jīng)成為微傳感器的發(fā)展瓶頸。為解決這一問題，可以從兩個方面入手：降低能耗和能量供應。在現(xiàn)有的技術條件下降低傳感器能耗以達到延長傳感器壽命的目的，但這樣做所節(jié)省下來的能量畢竟有限，不是長久之計；從能量供應方面入手，無線電能傳輸?shù)奶攸c使微傳感器的應用更加廣泛。

圖4[17]是布置在山區(qū)無人地帶用來執(zhí)行監(jiān)測任務的無線傳感器網(wǎng)絡。而圖5[17]中則用對比的方法來使人們一目了然地了解無線供電的好處。

圖4 布置在山區(qū)的傳感器網(wǎng)絡

圖5 植入式醫(yī)用傳感器

用無線的方式給微型傳感器供電這將使傳感器擺脫電池的束縛，而且更加經(jīng)濟環(huán)保。因為無線電能傳輸與電池相比，即使是只有1%的效率也比較劃算，因為電池的成本是電網(wǎng)電能的350倍[6]。諧振耦合式無線電能傳輸是近幾年新興的一種電能傳輸方式，與傳統(tǒng)的電磁感應相比，傳輸距離比較遠；與電磁波相比，在它的有效磁場范圍內(nèi)，傳輸功率比較大，且對人體產(chǎn)生的輻射小，所以諧振耦合式是一種在中短距離范圍內(nèi)比較好的無線電能傳輸方式。

雖然諧振耦合式無線電能傳輸在給微型傳感器供電方面有獨特的優(yōu)勢，但大多還處于實驗階段：MIT做了一個大線圈同時為兩個小線圈供電的裝置，研究了多接收裝置對系統(tǒng)調(diào)諧和接收效率的影響[18]。參考文獻[19]采用MIT的磁共振技術，構(gòu)建了一個頻率可調(diào)的無線能量傳輸系統(tǒng)為生物傳感器和植入式醫(yī)用傳感器進行無線供電。MIT為小型線圈供電，如圖6所示。

圖6 MIT為小型線圈供電示意圖

[20]以生物醫(yī)學傳感器為應用背景，采用四諧振系統(tǒng)，從電路理論角度出發(fā)，研究了諧振耦合式無線電能傳輸在小功率方面的應用與優(yōu)化。此外，國內(nèi)中山大學研制了一個小功率無線能量傳輸系統(tǒng)，并論證了線圈采用多股線圈的優(yōu)勢，實驗系統(tǒng)輸入功率為1 W時，能點亮4 m外的一個發(fā)光二極管，傳輸效率在10%左右[21]?？傮w來說，對于給微傳感器進行無線供電還處于理論研究和實驗階段，如果能取得突破性進展，將使微型傳感器擺脫電池的束縛，使用更加便捷，應用更加廣泛。

2 尚待解決的問題

諧振耦合式無線電能的傳輸距離還有待提高；無線電能不論是在給便捷電子產(chǎn)品充電還是給微型傳感器供電時還沒有一個統(tǒng)一的標準，比如不同廠家不同產(chǎn)品的收發(fā)線圈標準等；對人體的影響，發(fā)射功率發(fā)射距離的不同，電磁場的強度也不同，還沒有相關的數(shù)據(jù)表明無線電能傳輸對人體完全無害。雖然東京理科大學的研究小組進行了為人工心臟提供無線電源對人體影響的研究[22]，但在空間內(nèi)實現(xiàn)家庭用電的無線供應，或在人類居住區(qū)給傳感器網(wǎng)絡供電等還沒有相關的研究結(jié)果表明這種使人長期處于一定功率電磁場范圍內(nèi)的方式一定安全。

本文介紹了微型傳感器傳統(tǒng)的供電方式以及這種方式所帶來的弊端。提出更好的電能供給方式，即無線供電。比較了幾種無線供電方式的利弊，著重介紹了諧振耦合式這種新興無線供電方式的原理和現(xiàn)在的研究進展，闡述了這種無線電能傳輸方式在微型傳感器上的應用范圍與優(yōu)勢，最后提出了尚待解決的問題。

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