一种基于磁耦合谐振式的高效率双频无线能量传输系统

郑艳华 林杰凯　章秀银　麦晓冬

摘要为了提高磁耦合谐振式无线能量传输系统的效率，本文提出了一种新型的双频无线能量传输的发射和接收装置。在发射端和接收端中，该装置在发射端和接收端中均采用一个馈电线圈对两个谐振线圈馈电；两个谐振线圈工作在不同的频率并通过磁耦合的方式把能量从发射端向接收端同频传输。由于两个谐振线圈均参与了能量传输，所以该传输装置能在较远的距离实现效率較高的双频能量传输。为了验证该理论模型的特性，本文将其设计在PCB板材上并进行仿真和实验测试。仿真和实验结果表明：该双频磁谐振耦合无线能量传输装置的能量传输频率为6.78和13.56 MHz；在传输距离为装置尺寸60%时达到最高效率，其最高效率分别为88.5%和56.7%。关键词双频；磁耦合谐振；高效率；无线能量传输

中图分类号TN01

文献标志码A

收稿日期20161121

资助项目国家自然科学基金（61671210）；广东省自然科学基金（2015A030310249）

作者简介郑艳华，男，博士，讲师，研究方向为无线能量传输和智能信息处理。44864223@qq.com

章秀银（通信作者），男，博士，教授，2015年国家优秀青年科学基金获得者，教育部长江青年学者，中组部万人计划青年拔尖人才，研究方向为微波电路与天线、LTCC、无线能量传输。zhangxiuyin@hotmail.com

1广州大学物理与电子工程学院，广州，510006

2华南理工大学电子与信息学院，广州，510640

3广东轻工职业技术学院信息技术学院，广州，510300

0 引言

随着2007年MIT团队利用磁耦合谐振进行中距离无线能量传输取得新进展以来[1]，许多学者开始对其产生兴趣并进行了大量研究[28]，其中包括电动汽车[67]和生物医学[8]等诸多领域。但是随着电子技术的发展，越来越多的设备不仅仅需要传输能量，而且在发射端和接收端之间需要进行通信。而现有的单通带磁耦合谐振无线能量传输已不符合发展的需求，所以现在越来越多的学者投入到多频化和高效率无线传输的研究中[911]。相比单频无线能量传输系统，多频无线能量传输系统可以提供更多的通道来传输能量或信息。然而，如何产生多频传输通道和提高各通道的效率仍然是一个很大的挑战。

目前，已经出现了一些产生双频无线能量传输系统的方法。在文献[9]中，作者利用了并联的集总电容和电感来产生双频传输通道。但是由于集总元器件仅能用于多产生一个谐振通带而实际中并没有增加一个直接参与能量传输的媒介，所以该无线能量传输系统仅能在较短的传输距离下实现高效率的传输。文献[10]采用圆形谐振线圈及与之共面的馈电线圈组成的双频线圈模型进行能量传输。该方法虽然提高了传输的效率，但是其提升依旧仅限于较短传输距离的情况，远距离的传输效率并未见改善。文献[11]中，通过在发射端和接收端引入匹配网络来提高双频无线能量传输系统的传输效率。虽然效率可以获得提升，但是由于需要接入额外的电路，系统变得复杂。因此，设计一个结构简单、传输距离较远且效率高的双频无线能量传输系统对于进一步推动无线能量传输技术的发展具有重要意义。

为了克服双频无线能量传输系统中传输距离近和效率低的问题，本文提出了一种高效率的双频平面无线能量传输发射和接收装置。通过理论模型对该装置的工作原理进行分析。在该理论模型中，双频无线能量传输系统利用2个不同工作频率的谐振线圈以磁耦合谐振的形式来传输能量。其中，发射端和接收端中的2个不同频率的谐振器分别采用同一馈电线圈馈电。为了验证该理论模型的特性，本文将其设计在PCB板材上并进行仿真和实验测试，仿真结果和实验结果吻合度良好。

1 电路设计与分析

负载线圈和4个谐振器组成。馈电线圈包含电感LS、内阻RS和2个不同频率的能量发射源。负载线圈包括电感LL和负载RL。4个谐振器分别由对应的谐振电感Ln、谐振电容Cn和内阻Rn（n=1，2，3，4）组成。

该无线能量传输系统的2个子系统分别工作在不同的频率。第一子系统的工作频率为ω1，其通过耦合路径kS1、k13和kL3把能量从VS1传送RL；第二子系统的工作频率为ω2，其通过耦合路径kS2、k24和kL4把能量从VS2传送RL。kS1（kS2）和kL3（kL4）为电磁耦合，起到馈电的作用；k13（k24）为谐振式耦合，用于同频发射端和接收端之间的耦合。除了主要的耦合路径，第一谐振器和第二谐振器之间也存在耦合，其耦合系数为k12，第三谐振器和第四谐振器之间的耦合系数为k34。k12和k34的存在对2个子系统的工作频率有轻微的影响，但可以通过微调谐振器中的电容消除它们对系统的影响，故在此不做仔细研究。

为了让无线能量传输系统实现较高的效率，一般将谐振器的谐振频率调整为与源相同的工作频率[1]。第一谐振器和第三谐振器的谐振频率为ω1，第二谐振器和第四谐振器的谐振频率为ω2。

在该原理图的基础上，本文设计了一对高效率的双频无线能量传输的发射器和接收器。其对应的参数如表1所示。

2 PCB模型分析

基于图1所示的原理图，本文在PCB上设计了对应的发射和接收装置。由于发射端和接收端是相同的，所以下面的分析仅以发射端为例。发射端的结构如图2所示，尺寸如表2所示。

该发射装置分为3个部分，由外到内分别为第一谐振器、馈电线圈和第二谐振器。其中，第一谐振器和第二谐振器采用了类似的结构[12]。其电感包括一圈顺时针方向绕行的方形环和一圈逆时针方向绕行的方形环，调谐电容跨接在这2个方形环之间。可以通过调节其电感的边长和电容值的大小来获得所要的谐振频率。馈电线圈为一圈方形环，其一端连接着一个金属化过孔，另一端连接着一个通孔，分别用于连接SMA的地和它的芯，这可以使馈电线圈形成一个回路。馈电线圈通过耦合馈电的方式将功率源提供的能量分别传送到第一谐振器和第二谐振器。它与谐振器之间的耦合强度可以通过耦合系数kS1和kS2来调节，具体方法是通过调节馈电线圈和谐振器之间的距离和馈电线圈的边长来实现。通过kS1和kS2的调节可以实现发射装置和功率源之间的阻抗匹配。利用这种方式，可以让负载在一定的范围内变动时均能实现比较好的匹配。

3 仿真和測试结果

本文所提出的双频高效率无线能量传输装置采用FR4板材制作。其板材厚度为1.6 mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，金属铜的厚度为35 μm。本次实验中，发射端与接收端间隔90 mm，为其边长的60%。图3为该实验的测试平台，将矢量网络分析仪的2个端口分别连接发射和接收装置来测量传输系数曲线和效率曲线。传输曲线和效率曲线的等效关系式表示为

仿真和测试得到的效率曲线如图5所示。从图5可以看出，当发射和接收装置之间的间距为装置尺寸的60%，即90 mm的时候，在6.78 MHz测试得到的传输效率为88.5%，在13.56 MHz测试得到的传输效率为56.7%。因此，该发射和接收装置可以在较远的距离实现高效率的双频无线能量传输。

4 结束语

本文针对双频无线能量传输系统中传输效率低的问题，设计了一种基于PCB板的高效率双频无线能量传输装置。该传输装置用一个馈电线圈通过不同的耦合强度对2个不同工作频率的谐振器进行馈电，利用同频谐振器之间的谐振式耦合，在较远的距离下获得较高的传输效率，同时该传输装置在源端和负载端都获得了良好的匹配。仿真和测试结果均表明，该传输装置能够在较远的距离下获得较高的传输效率。

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