引信無線裝定中負載阻抗角對能量傳輸性能影響

曹 娟，張 合，王曉鋒

(南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094)

0 引言

引信無線裝定技術因裝定過程不需要裝定器與引信間發(fā)生直接物理接觸，可顯著提高裝定速度，縮短發(fā)射準備時間，得到廣泛應用，根據(jù)裝定原理不同，又可分為電磁感應裝定、光學裝定、射頻裝定、磁共振耦合裝定等[1-3]。其中，磁共振耦合無線裝定，是近幾年提出的一種新型裝定技術[4-5]，其技術基礎是依據(jù)2007年麻省理工學院Marin Soljacic科研小組發(fā)表在《Science》上的磁共振耦合無線電能傳輸原理[6]，通過信息加載技術，實現(xiàn)單一通道的能量和信息同步傳輸。

對于磁共振耦合無線電能傳輸技術的研究，國內(nèi)外學者已在傳輸機理、共振狀態(tài)跟蹤保持、多負載特性等方面取得了卓有成效的成果，但是早期研究主要集中在負載為純電阻條件下的傳輸理論。隨著研究的深入，該技術已逐漸進入工程實用階段，相應的負載阻抗特性影響也引起研究人員的重視，現(xiàn)有研究結論已確認：負載阻抗對磁共振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)性能有重要影響，負載阻抗變動、非純阻性負載等均會引起傳輸功率下降，通過頻率控制或動態(tài)調諧方法可起到優(yōu)化控制作用[7-9]。但是，負載阻抗角對傳輸系統(tǒng)的影響規(guī)律，如阻抗角對傳輸功率、效率的影響，尚無較深入的研究。引信磁共振耦合無線裝定系統(tǒng)作為磁共振技術的典型應用，其接收端負載為引信裝定接收電路，與電動汽車無線充電、無線膠囊內(nèi)窺鏡等應用場合類似[10-11]，傳輸系統(tǒng)的接收端是由不同電路功能模塊構成的復雜負載，因線圈回路間的互感耦合作用，共振系統(tǒng)傳輸性能對負載中的電抗部分反應比較敏感，采用負載阻抗角來定量衡量傳輸性能影響規(guī)律。

在當今制造業(yè)中，微電子技術、傳感器技術等飛速發(fā)展，在提高生產(chǎn)效率的同時也需保障產(chǎn)品的質量，自動化越來越受到企業(yè)的重視。工業(yè)機械臂作為自動化生產(chǎn)線上的重要部分，將機械化和自動化有機的結合在一起，大大提高了生產(chǎn)自動化、精準化[1]。機械臂拾取裝置在電子制造領域較為普遍，為了實現(xiàn)加快生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質量的目標，機械臂拾取裝置在工作過程中需具備快速準確定位的性能。模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能算法，在工業(yè)生產(chǎn)領域的控制上有著廣泛的應用[2]。針對機械臂拾取裝置的控制性能，應用模糊控制方法對其進行仿真研究，實現(xiàn)快速拾取和準確定位。

針對引信無線裝定中負載阻抗角對系統(tǒng)傳輸性能具有重要影響的問題，采用理論分析、軟件仿真結合實驗測試的方法，分析不同負載阻抗角下的系統(tǒng)功率、效率傳輸性能，對比負載阻抗中阻性部分和阻抗角相同，而電抗部分構成不同情況下的傳輸特性，并研究了收發(fā)端耦合磁場空間分布特征隨負載阻抗角的變化規(guī)律。

文中闡述了折臂式鐵鉆工底座回轉機構工作原理為：電動機通過驅動輪帶動行星輪將扭轉力傳遞到回轉軸承上進而實現(xiàn)了鐵鉆工整體的旋轉運動，完成鉆井上卸鉆柱絲扣的工藝要求，并得出了以下結論：

1 非純阻性負載下傳輸特性理論分析

為使研究結論更具一般性，對裝定系統(tǒng)分析時，不對引信裝定電路模塊具體系統(tǒng)組成或電路結構做分析，不論其由多少器件構成，結構上串并聯(lián)如何復雜，將其看作二端網(wǎng)絡，阻抗均可寫為Z=RL+jXL的形式，而XL可進一步拆分成XL=ωLL-1/(ωCL)。采用阻抗角φ=arctan(XL/RL)來定量分析負載阻抗中阻性部分RL和電抗部分XL對系統(tǒng)傳輸性能的影響。

圖1 裝定系統(tǒng)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of the setting system

負載阻抗Z通過線圈回路耦合，在中繼線圈D中產(chǎn)生映射阻抗，可表示為[4]：

(1)

由磁場分布云圖可知：對于負載中電阻部分相同，阻抗角也相同的系統(tǒng)，其共振條件下的磁場空間分布特征也基本相同，如圖5(a)與(b)；隨著阻抗角絕對值的增大，收發(fā)端磁場耦合效果逐漸減弱，如圖5(b)至(c)中接收端磁場分布云圖依次減弱；不同負載阻抗角下的磁場分布特征與能量傳輸性能相對應，即磁場分布相似，其傳輸性能也相似，收發(fā)端磁場耦合減弱，其傳輸性能也相應下降。

采用ANSYS Maxwell電磁仿真軟件，分析不同負載阻抗下傳輸系統(tǒng)磁場分布情況。參數(shù)設置如下：導線直徑0.69 mm，線圈直徑76 mm，A、B為2匝，S、D為4匝，其中A與S，B與D分別緊靠(間距為0)，收發(fā)端間距60 mm。因文中分析的螺線圈耦合系統(tǒng)為關于軸線的旋轉對稱結構，因此可用二維模型對其仿真。傳輸系統(tǒng)線圈結構參數(shù)相同，取四組不同負載阻抗條件，其中電阻和電感部分分別固定為50 Ω、9.01 μH，電容部分見圖題標注，結果如圖5所示，各云圖中上半部分為發(fā)送端，下半部分為接收端。

(2)

(3)

因此中繼線圈D工作時的等效參數(shù)較設計參數(shù)產(chǎn)生偏移。引信磁共振裝定系統(tǒng)能量高效從裝定器至引信無線傳輸?shù)幕A是收發(fā)端固有頻率一致，以形成磁共振強耦合。因負載阻抗中含容性或感性成份，在映射阻抗影響下，中繼線圈等效阻抗發(fā)生了變化，收發(fā)端固有頻率不再一致，可以預見：傳輸性能較負載為純電阻情況將下降，共振頻率也將產(chǎn)生偏移。

2 影響規(guī)律分析

由圖3可知：阻抗角對系統(tǒng)傳輸性能有重要影響，雖然非零阻抗角下功率、效率頻響曲線形狀與負載為純電阻下相似，也存在功率、效率峰值，但這種工作狀態(tài)是一種亞共振狀態(tài)，主要原因是負載阻抗通過線圈間耦合映射，使得中繼線圈等效參數(shù)發(fā)生了變化，收發(fā)端固有頻率不再一致，從而引起傳輸性能的下降，且隨著阻抗角絕對值的增大，傳輸功率和效率下降越明顯。

圖2 阻抗角隨頻率的變化Fig.2 Impedance angle changes with frequency

為研究阻抗角變化對系統(tǒng)傳輸性能的影響，仿真分析了相同線圈參數(shù)，不同負載阻抗角下的系統(tǒng)功率傳輸特性，線圈參數(shù)見表1。本文分析中負載阻抗的阻性部分固定為50 Ω，通過調整電容與電感間組合，實現(xiàn)阻抗角的變化。圖3負載阻抗中電感部分LL=50 μH，電容部分見圖中標注。

表1 計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters

圖3 阻抗角變化下的傳輸曲線Fig.3 Transmission curves under different impedance angles

阻抗角是與工作頻率的相關量，隨頻率變化而變化，如圖2。為獲得好的傳輸性能，裝定系統(tǒng)是在共振頻率下工作的，因此，采用阻抗角衡量負載阻抗中阻性和電抗部分對系統(tǒng)傳輸性能的影響時，阻抗角是指共振頻率下的阻抗角，圖中共振頻率1 MHz下的阻抗角為-70°。

為驗證上述分析結論的正誤，設計了一套傳輸系統(tǒng)，如圖6所示。線圈參數(shù)設置與圖5仿真參數(shù)相同。傳輸系統(tǒng)輸入端由峰-峰值1 V的正弦激勵信號驅動。為便于負載參數(shù)調整，定量分析負載阻抗角影響規(guī)律，實驗中負載阻抗角調整由電阻、電容、電感分立元件的不同組合實現(xiàn)，與理論分析部分相同，電阻部分取50 Ω固定值。

圖4 相同阻抗角下傳輸性能對比Fig.4 Comparison of transmission performance under the same impedance angle

自然條件的技術措施不是對自然條件的制衡，而是通過科學合理地掌握紅松的生長發(fā)育條件，進行適宜的林分選擇和自然條件的有效改善。首先，紅松造林前應選擇適宜的造林地。在充分考慮土壤水分、肥力、排水、日照和溫度等因素后，應選擇適宜的區(qū)域種植紅松。在選擇紅松種植面積后，必須對造林地進行春、秋耕細作，并計劃具體的播種期。紅松林造林的適宜時間是人工林一年前的雨季。以保持土壤適合造林。紅松的播種期最好是春季。苗床濕潤，隨著土壤的融化，形成了上漿造林的土壤優(yōu)勢。保障苗木的生長發(fā)育，促進苗木良好的木質化。

圖5 不同負載阻抗下的磁場分布云圖Fig.5 Magnetic field distribution under different load impedances

3 實驗驗證

負載阻抗的具體構成不同也可能存在阻抗角相同的情況，圖4為不同負載阻抗構成，相同阻抗角下的系統(tǒng)功率與效率傳輸性能。由該圖可知：對于負載中電阻部分相同的傳輸系統(tǒng)，若阻抗角相等，則共振下的傳輸性能也相同，原因在于負載阻抗通過線圈回路耦合映射在中繼線圈中引起的映射阻抗相同，因而，引起的傳輸性能下降程度、共振頻率偏移情況也相同；隨著工作頻率偏離共振點，相同阻抗角下的不同負載阻抗傳輸系統(tǒng)傳輸性能會出現(xiàn)差別，這主要因為本文所述阻抗角是定義在共振頻率下的阻抗角，偏離共振頻率點后，阻抗角不再相同，線圈耦合映射引起的映射阻抗也有差別。

圖6 實驗測試圖Fig.6 Experimental test figure

圖7為不同情況下的實驗數(shù)據(jù)，表2列出了實驗值，其中“fr”為共振頻率，“功率”為共振頻率下的功率，“效率”一欄為共振頻率下的系統(tǒng)傳輸效率。由該圖可知：非純阻性負載下的傳輸性能與純阻性負載系統(tǒng)相似，即對工作頻率較為敏感，存在共振頻率點；負載阻抗角對系統(tǒng)傳輸性能有重要影響，隨著阻抗角絕對值的增大，傳輸功率逐漸下降；對于負載中阻性部分相同的系統(tǒng)，若阻抗角相同，不論其電抗部分構成如何，傳輸功率和效率也基本相同。相同阻抗角下傳輸性能實驗值間存在微小差別主要因為試驗測試過程中線圈間距離誤差、測量誤差等原因引起。實驗結果與理論分析結論一致。

圖7 傳輸性能實驗圖Fig.7 Experimental result

阻抗角負載參數(shù)fr/MHz功率/mW效率/%α=-64°CL=1.00 nFLL=9.01 μF1.0035.9636.81CL=1.55 nF1.0066.0437.06CL=0.84 nFCL=13.81 μF1.0045.9637.13α=0°CL=2.82 nFCL=9.01 nF1.0139.1554.52純電阻1.0209.2055.67CL=1.84 nFCL=13.81 μF1.0199.0655.39α=45°CL=30.73 nFCL=9.01 μF1.0327.2746.36CL=7.86 μF1.0337.2445.87CL=4.47 nFCL=13.81 μF1.0317.1345.73

4 結論

本文分析了引信磁共振耦合無線裝定中負載阻抗角對能量傳輸性能的影響規(guī)律。首先基于互感耦合理論，指出負載阻抗中電抗部分通過耦合映射，會引起中繼線圈等效阻抗變化，從而導致系統(tǒng)傳輸性

在獨立學院設立商務英語專業(yè)是可行的，并且有非常美好的前景，但是，專業(yè)的建設任重而道遠，必須做好長遠規(guī)劃。首先，必須重視師資隊伍建設，提高教師待遇，鼓勵教師從事商務英語教學等相關領域的研究。其次，要在實踐中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，通過優(yōu)化課程設置和教學方法等手段不斷提高教學水平和人才培養(yǎng)質量，逐步創(chuàng)建一套適合自己的理論體系來指導和推動商務英語專業(yè)的建設。最后，作為近幾年剛剛誕生的新專業(yè)，還需要政府部門政策和財力的支持，各高校之間也應該增進交流，總結和推廣成功的辦學經(jīng)驗，不斷提高商務英語專業(yè)的建設水平，為商務英語專業(yè)取得更大發(fā)展打下堅實基礎。

這既是一種對語言的不信任，也是一種對他人的不信任，薩特“他人即地獄”的論斷似乎在此得到了強有力的確證。體現(xiàn)在混亂對話背后的是人與人之間關系的極度緊張和無處不在的誤讀和誤解——無效的對話，無處不在的猜疑與窺視，似乎所有的這些都告訴我們，人與他人或者說他者之間是以一種極端對立的姿態(tài)相互作用著的，而這種巨大的鴻溝是通過簡單的言語交流所極難彌合的，這種孤獨和對立是不可消解的。其實，進一步而言，這又何嘗不是一種“自我即地獄”的孤獨？與其說我們難以同他人進行對話，不如說我們其實同樣難以理解自身的存在，因此摒除了精神探尋后，我們想要以一種自以為是的日常對話模式來用同靈魂做有效的言語溝通是徒勞的。

能下降，然后進行數(shù)值仿真、磁場仿真分析，最后結合實驗驗證，得出了負載阻抗角的影響規(guī)律。仿真與實驗結果表明：負載阻抗中電抗部分會引起裝定系統(tǒng)傳輸性能下降及共振頻率偏移；隨著負載阻抗角絕對值的增大，系統(tǒng)傳輸性能下降越明顯；對于負載阻抗中電阻部分相同的傳輸系統(tǒng)，只要負載阻抗角相同，不論電抗部分具體構成如何，其傳輸特性也相同；裝定系統(tǒng)收發(fā)端線圈耦合磁場空間分布特性與能量傳輸特性變化規(guī)律相對應。文中所得結論對認清負載阻抗角在裝定系統(tǒng)中的影響規(guī)律有重要意義，通過阻抗匹配設計，減小負載阻抗角，提高系統(tǒng)傳輸性能，是接下來重點研究方向。