基于ADS的无线电能传输系统研究

2019-02-21周海东王波波胡嘉昕

通信电源技术 2019年1期

周海东，王波波，胡嘉昕

（广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006）

0 引言

随着智能设备的快速发展，传统的有线供电方式将无法满足人们的需求。19世纪尾叶，美国科学家Nikola Tesla提出无线输电技术，虽然试验没能成功，但无线电能传输却引起了人们的关注。2007年，美国麻省理工大学的无线电能研究带来了对其的研究高潮[1-2]。目前，无线电能传输系统主要有三种方式，分别是电磁感应式、磁耦合谐振式和微波电能传输。结合几种无线传输方式的优缺点[3]，磁耦合谐振式无线电能传输成为最受人们青睐的传输方式，可以在较大范围内实现无线电能传输。

目前，磁耦合谐振式无线电能传输方式还处于初始阶段[4]。于是，在谐振失谐、传输效率和传输距离的问题上，提出了分析和改进的研究方案[5]。一般磁耦合谐振式无线电能传输的频率以兆赫兹为优，研究无线传输效率需站在高频设计的角度考虑。为了减少系统的反射波反射，阻抗匹配在无线传输能量效率中具有巨大作用[6-10]。本文通过ADS软件的负载牵引工具对功放进行仿真，得出功放输出最大功率对应的阻抗，根据线圈之间等效回来的阻抗，采用史密斯圆图设计了阻抗匹配网络。

1 无线电能传输系统结构

本文无线电能传输系统如图1所示。系统由直流稳压源、功放、阻抗匹配网络、发射和接收线圈以及整流滤波电路组成。

图1 无线电能传输系统框图

图1 中，直流稳压源用于提供稳定的工作电压；功放用于产生高频功率源；用于无线传输能量的两个空心线圈，分别为TX和RX（TX是发射线圈，RX是接收线圈）；全桥整流滤波电路将接收到交流能量整流成稳定的直流电压；阻抗匹配网络用于调整系统中的阻抗，从而实现最大功率的能量传输。

2 系统的功率匹配分析

为了系统高效率地无线传输能量，需对系统进行建模分析，采用互感理论建模方式，如图2所示。

图2 无线电能传输系统线圈等效电路模型

图2 中，Vs为功放等效的电压源；Ls、Lr分别是发射线圈和接收线圈的电感；Cs、Cr分别是谐振电容；Zs和ZL分别是功放的等效内阻和接收端负载；R1和R2分别为发射线圈和接收线圈的内阻；M为线圈之间的互感。

根据基尔霍夫定律，可得到两组方程：

ω为工作频率；Is和Ir分别为发射回路和接收回路的电流。

在不同距离下，线圈之间的反射阻抗不同，且考虑到系统互感物理模型分析复杂性和在高频下电压电流不一致的原因，需采用二端口网络模型（如图3所示）S参数（散射参数）来分析不同距离对系统的传输效率影响。

图3 二端口网络等效图

图3 中，ΓS、Γout、ΓL和Γin分别是源阻抗的反射系数、负载阻抗反射系数、输出反射系数和输入反射系数。

Z0为特性阻抗（50 Ω），推算出二端口网络中源阻抗和负载阻抗的反射系数分别为：

可以得到功放输出功率为[11]：

当输入阻抗与源阻抗共轭匹配时，系统发射端输出功率才能实现最大功率：

同理，当输出阻抗与负载阻抗共轭匹配时，负载吸收功率才能实现最大，负载上得到的最大功率为[11]：

S21为正向传输系数，S22为输出反射系数，即输出回波损耗。由式（7）、式（8）可以得出系统的传输效率关系为：

由式（9）可知，当输入反射系数等于源阻抗反射系数时，系统发射端输出功率最大Pin|max。当输出反射系数等于负载反射系数时，负载的接收功率PL最大。所以，整个系统的效率最大，即需要发射端和接收端同时满足功率匹配的条件，整个系统的效率就会达到最优。

3 ADS仿真分析

3.1 功放输出阻抗仿真

基于上述分析，功放的输出功率取决于负载阻抗，而本文系统功放采用AB类功放。为了实现AB类功放的最大效率输出，需要获取功放的最佳负载阻抗[12]。本文借助ADS软件的功放负载牵引工具（LoadPull）获得功放输出阻抗。功放的电路参数为：f=6.78 MHz，Lf=0.23μH、Ls=0.52μH、Cs=1nF、Lp=0.83μH、Cp=470 pF。根据系统要求，电路中的开关管选用ADS官网型号为MW6S010N的MOS管模型。将AB类功放的电路图连接好，按照AB类功放参数进行修改，ADS软件设计的AB功放原理图和牵引仿真图分别如图4、图5所示。

图4中右上部分是指定所需的基本负载调谐器覆盖范围，s11_rho是生成反射系数圆的半径，s11_center是生成反射系数圆的中心。通过调整反射系数圆的圆心和半径，扫描出功放的最大输出功率。从图5可以得知，功率圆中最大功率为38.56 dBm。最后，得知最大的输出功率对应的功放输出阻抗是15.622+j33.212 Ω。

3.2 不同距离下的匹配设计

随着线圈之间的距离增大，系统的传输效率随之下降。为了实现系统能在一定范围内保持高效率传输能量，需要根据线圈反射回来的阻抗设计阻抗匹配。在6.78 MHz频率下，本文通过网络分析仪实测出几组数据，是关于线圈在不同距离下的各个输入阻抗和输出阻抗，如表1所示。

图4 功放的原理图

图5 负载牵引仿真图

表1 不同距离线圈之间的阻抗

功放的输出阻抗为15.845+j30.626 Ω，系统的接收线圈的负载为50 Ω。采用ADS软件的史密斯圆图“Smith Chart Utility”进行阻抗匹配网络设计，发射端接收端阻抗匹配网络分别采用L型匹配网络如图6所示，则输出阻抗的仿真结果如表2所示。

图6 系统的阻抗匹配网络

表2 阻抗匹配网络器件参数

将设计好的匹配网络参数进行S参数仿真，起始频率设置为1 MHz，停止频率设置为10 MHz，步长频率设置为100 kHz，仿真结果如图7所示。

从图7可以看出，加入阻抗匹配网络后，在频率达到6.78 MHz时，S11参数的值最小，即反射回来的能量最小，提高了无线电能传输效率。

4 实验结果与分析

为了验证上述无线电能传输系统理论分析结论的正确性，搭建一个无线电能传输系统进行实验验证。系统中AB类功放的具体参数按照上述仿真参数进行设计，发射线圈是匝数为4、线径为0.1 mm×150股利兹线、内径为5 cm围绕而成的螺旋线圈，接收线圈是由匝数为4、线径为0.1 mm×150股利兹线、内径为2 cm围绕而成的螺旋线圈。

图7 S11参数的数据波形

其中，发射线圈和接收线圈的电感量可以通过公式计算[13]：

式中N为线圈匝数，μo为真空传导率，a为线圈的线径，R为线圈的内径。

匹配网络采用电感和可调电容的搭配，接收线圈接入采用全桥整流电路。无线电能传输系统，如图8所示。通过实验验证系统加入阻抗匹配网络和不加入阻抗匹配的传输效率比较。

图8 无线电能传输系统

在输入功率为12 W条件下，分别验证不同距离下无阻抗匹配网络和有匹配网络的系统传输效率，对比结果如图9所示。

图9 两种方式的效率比较图

从图9可以看出，当系统加上阻抗匹配网络时，在10 cm以内传输效率没有明显下降趋势。图上传输效率最高的点不是两个线圈紧贴的情况，是因为线圈靠得很近时，两个线圈不一定同时处于谐振状态，且互感比较大，导致反射的阻抗增加，增大了能量损耗。在距离5 cm时，两个线圈同时处于谐振状态，系统的传输效率才是最大。