磁耦合無(wú)線能量傳輸天線研究

李瓊+羅春花

摘要：本文介紹了一種用于強(qiáng)磁耦合無(wú)線能量傳輸?shù)氖瞻l(fā)螺旋天線，該天線的諧振頻率為19.4MHz，在傳輸距離為3.6倍天線半徑時(shí)，具有70%以上的傳輸效率，證明了該天線用于強(qiáng)磁耦合無(wú)線能量傳輸時(shí)具有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較高的傳輸效率。

Abstract： The paper describes a set of antennas for wireless power transfer using strongly coupled magnetic resonances. The antennas works at the resonant frequency of 19.4MHz. At resonant frequency's the efficiency of power transfer is very high and more than 70% power can be transferred from a transmitting antenna to a receiving antenna at the air gaps of 3.6 times the radius of the antenna. And that proves the strongly coupled magnetic resonances has a further transmission distance and higher transmission efficiency.

關(guān)鍵詞：磁耦合；無(wú)線能量傳輸；螺旋天線

Key words： magnetic coupled；wireless power transfer；spiral antenna

中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）07-0139-02

0 引言

磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)是近來(lái)一種新興的無(wú)線能量傳輸技術(shù)，自2006年被首次提出以來(lái)，得到了迅速發(fā)展，并在無(wú)線能量傳輸領(lǐng)域引起了巨大反響，預(yù)計(jì)2019年全球無(wú)線充電模塊銷量將達(dá)到9.23億元[1]。

目前傳輸距離和傳輸效率一直是制約其商用發(fā)展的主要問(wèn)題[2]。本文介紹了一種用于無(wú)線能量傳輸?shù)氖瞻l(fā)天線，在3.6倍于天線半徑的距離時(shí)，傳輸效率可達(dá)70%以上。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

1.1 天線設(shè)計(jì)

磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)，是利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定的距離時(shí)，由于磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生共振，進(jìn)行能量傳遞[3][4]。一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)具有一定距離的LC諧振線圈，相互之間是弱耦合，但若兩者具有相同的諧振頻率，則會(huì)產(chǎn)生電磁共振，構(gòu)成一個(gè)電磁共振系統(tǒng)，如果某一端連接電源不斷為該共振系統(tǒng)提供能量，而另一方消耗能量，即實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸。

磁耦合共振系統(tǒng)等效電路如圖1所示[5]，C為電容，L為自感，由系統(tǒng)的分布參數(shù)決定，互感Lm代表了耦合系數(shù)，傳輸系數(shù)S21如式（1）所示，Z0為特性阻抗，w為系統(tǒng)工作的角頻率。由方程（2）解得兩個(gè)諧振頻點(diǎn)，如式（3）、式（4）所示，km為系統(tǒng)的耦合系數(shù)，如式（5）。

磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸不同于微波輻射能量傳輸，主要通過(guò)收發(fā)天線間的磁場(chǎng)耦合傳輸能量[6][7]，因此，天線是無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，決定傳輸?shù)木嚯x和能量傳輸?shù)男蔥8][9]。本文所述磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸收發(fā)天線如圖2所示，發(fā)射天線由一個(gè)源線圈A與一個(gè)螺旋線圈B組成，接收天線由一個(gè)負(fù)載線圈D和一個(gè)螺旋線圈C組成，其中螺旋線圈B、C串聯(lián)一電容，使其工作于所需諧振頻點(diǎn)。工作時(shí)，能量由發(fā)射源線圈A耦合到發(fā)射螺旋線圈B，通過(guò)線圈B與接收螺旋線圈C之間的強(qiáng)耦合，將能量傳輸?shù)浇邮站€圈C，再由C耦合至負(fù)載線圈D，最終供給負(fù)載工作。

1.2 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)選用半徑為1.5mm的銅線，線圈A與負(fù)載線圈D半徑為15mm，螺旋線圈B和C半徑為25mm，螺旋間距為1mm，螺旋諧振線圈串聯(lián)一個(gè)150pF的電容。

通過(guò)使用Ansoft HFSS13對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真[10]，仿真結(jié)果如圖3-圖8所示。由圖3-圖4知，當(dāng)收發(fā)天線相距60mm和70mm，天線諧振于兩個(gè)頻率，即驗(yàn)證了公式（3）、（4）。如圖5-圖8所示，收發(fā)天線相距85mm時(shí)，系統(tǒng)諧振于19.4MHz，S21約為-1.395dB，計(jì)算其傳輸效率為72.5%；相距90mm時(shí)，系統(tǒng)諧振于19.4MHz，S21約為-1.52dB，計(jì)算其傳輸效率為70.5%；相距100mm時(shí)，系統(tǒng)諧振于19.4MHz，S21約為-2.25dB計(jì)算其傳輸效率為59.6%；相距110mm時(shí)，系統(tǒng)諧振于19.4MHz，S21約為-3.38dB，計(jì)算其傳輸效率為45.9%。仿真結(jié)果表明，隨著距離的增大，兩個(gè)諧振頻率合為單個(gè)工作頻率，且傳輸效率先增大后減小。

2 結(jié)論

本文介紹了一種用于強(qiáng)磁耦合的無(wú)線能量傳輸天線，通過(guò)對(duì)收發(fā)天線系統(tǒng)仿真可知，該收發(fā)天線在3.6倍于天線半徑的距離（90mm）時(shí)，具有70%以上的傳輸效率，在4倍于天線半徑的距離（100mm）時(shí)，具有約60%的傳輸效率，證明了磁耦合共振式無(wú)線能量傳輸具有較遠(yuǎn)的傳輸距離及較高的傳輸效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳騫.國(guó)外無(wú)線電力傳輸技術(shù)進(jìn)展[J].上海信息化，2014（1）.

[2]張寶群，李香龍.電動(dòng)汽車非接觸式充電研究概況及實(shí)用化分析[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012（03）.

[3]黃學(xué)良，吉青晶，譚林林.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)串并式模型研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013（03）.

[4]羅斌，生茂棠，吳仕闖.磁諧振耦合式單中繼線圈無(wú)線功率接力傳輸系統(tǒng)的建模與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（21）.

[5]TAKEHIRO IMURA， et al."Basic Experimental Study on Helical Antennas of Wireless Power Transfer for Electric Vehicles by using Magnetic Resonant Couplings”[J].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference， 2009 Sept. 7.

[6]于春來(lái)，朱春波，毛銀花.諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)源[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011（S1）.

[7]黃輝，黃學(xué)良，譚林林.基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究.電工電能新技術(shù)，2011（1）.

[8]李陽(yáng)，楊慶新，陳海燕.無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中影響傳輸功率和效率的因素分析[J].電工電能新技術(shù)，2012（03）.

[9]李陽(yáng)，楊慶新，閆卓.無(wú)線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013（01）.

[10]張宗明，孫躍，蘇玉剛.非接觸電能傳輸系統(tǒng)互感耦合的仿真研究[J].磁性材料及器件，2007（10）：42-45.