用于无线能量传输系统的微带天线设计

郭 爽,陶 珺

（武汉理工大学理学院，湖北武汉,430070）



用于无线能量传输系统的微带天线设计

郭 爽,陶 珺

（武汉理工大学理学院，湖北武汉,430070）

摘要：本文提出一种用于组成无线能量传输（Wireless Power Transmission，WPT）系统的微带天线结构，并采用基于有限元法的电磁仿真软件(HFSS)对微带天线进行3D建模。在二端口网络分析法的基础上，建立磁耦合共振无线能量传输等效电路模型，求解出系统发生频率分叉现象产生的条件以及最大效率时的频率表达式。基于以上方法，研究本文设计的微带天线传输特性，包括：系统的最优传输效率与耦合距离的关系，工作频率与耦合距离的关系，得出在能量传输距离在50cm左右时，天线的谐振频率为12.5MHz，效率可达63%。微带天线具有很大的结构优势，如与集成电路兼容，成本低，体积相对较小，且工艺相当成熟，易大规模批量生产等优势。因此该设计的平面微带天线可用于无线能量传输系统。

关键词：磁共振;无线能量传输;微带天线;谐振频率

0　引言

无线能量传输（wireless power transfer, WPT）是指电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。近些年来，随着移动电器设备（如手机、笔记本等）和电动汽车的快速发展，无线电能传输技术以其安全、方便的传输电能方式显示出巨大的优越性。

图1　无线能量传输系统微带天线结构图

1　磁耦合共振无线能量微带传输系统

图2　微带天线俯视图

WPT系统至少由两组天线组成，一组与输入电源端相连，另一组与输出端负载相连。近场中距WPT系统的微带天线和线圈天线原理结构图分别如图1所示。图中，发射天线和接收天线的

二维平面外形尺寸均相同，两个天线上下对应，在间距d=50.0cm时，微带天线的谐振频率为12.5MHz。微带天线由内径为r=9.2cm的内部的圆形馈电线圈和外部螺距为g=2.6cm的螺旋线圈组成，线圈宽度d=1.6cm。相对于内部的馈电回路线圈，外部的无源螺旋线圈是寄生结构，它是逆时针方向由内向外旋转的，匝数N=5。微带天线基板为厚0.5cm的聚四氟乙烯（FR4），微带天线由电导率为5.8×107S/m的纯铜制成。

图3　微带天线传输效率仿真结果

微带天线传输效率:

图3中横坐标为电源激励的频率，纵坐标为传输效率。图3表明了磁共振系统发生高效传输的基本特征：如果发送线圈和接收线圈的本征频率与系统共振频率趋于一致，则两线圈会发生近场强耦合即磁共振，能量会以较高的效率传输给距离较远的接收线圈，当发射线圈和接收线圈的本征频率与系统共振频率相差较远时，该系统的传输效率将会迅速下降，接收线圈只能接收到很少的能量。

2　结论

本文提出了一种基于磁耦合共振方法的用于无线能量传输系统的微带天线，并用hfss仿真软件对微带天线进行仿真设计。本文采用了基于二端口网络分析的方法，分析了微带天线系统的电路模型及仿真分析模型，求解出共振系统发生频率分叉现象产生的条件，并讨论了系统最优传输效率与传输距离、共振频率之间的相互关系。在通过与线圈模型对比中发现当能量传输距离在50cm左右时，天线的共振频率为12.5MHz，效率可达63%。微带天线具有很大的结构优势，如：与集成电路兼容，成本低，体积相对较小，且工艺相当成熟，易大规模批量生产等。因此该设计的平面微带天线可用于无线能量传输系统。

中图分类号：TM724.1

Design of Microstrip Antenna Applied to Wireless Power Transmission System

Guo Shuang, Tao Jun
(College of science, Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei,430070)

Abstract：A configuration of microstrip antenna is proposed for design of wireless power transmission(WPT) system.Via electromagnetic simulation software HFSS which is based on Finite Element Method(FEM),we establish 3D modeling microstrip antenna.The equivalent circuit model of wireless power transmission system via magnetic resonance coupling is analyzed contactless based on the two-port network analysis method. The condition of the resonant frequency splitting phenomenon is produced,a wireless power transmission system is deduced,and the frequency expression of maximum efficiency is derived.Based on the method above,by researching characteristics of transmission of this system including：the relationship between optimal efficiency of transmission system and the coupling distance and the relationship between the working frequency and the coupling distance. we concluded that when the energy transmission distance is in 50cm, microstrip antenna the resonant frequency of which is 12.5MHz still has a high efficiency (63%).The microstrip antenna has advantages on its great structure,such as compatible with integrated circuit,lower cost，relatively small volume, technical maturity,and easy to mass production and so on. So the design of planar microstrip antenna can be used for wireless power transmission system.

Keywords：Magnetically coupled resonance;Wireless power transmission;Microstrip Antenna;Resonance frequency