磁耦合無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磁耦合無線能量傳輸的收發螺旋天線，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，具有70%以上的傳輸效率，證明了該天線用于強磁耦合無線能量傳輸時具有較遠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.

關鍵詞：磁耦合；無線能量傳輸；螺旋天線

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

中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0139-02

0 引言

磁耦合共振式無線能量傳輸技術是近來一種新興的無線能量傳輸技術，自2006年被首次提出以來，得到了迅速發展，并在無線能量傳輸領域引起了巨大反響，預計2019年全球無線充電模塊銷量將達到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展的主要問題[2]。本文介紹了一種用于無線能量傳輸的收發天線，在3.6倍于天線半徑的距離時，傳輸效率可達70%以上。

1 天線設計與仿真結果

1.1 天線設計

磁耦合共振式無線能量傳輸技術，是利用兩個具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定的距離時，由于磁場耦合產生共振，進行能量傳遞[3][4]。一般來說，兩個具有一定距離的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，則會產生電磁共振，構成一個電磁共振系統，如果某一端連接電源不斷為該共振系統提供能量，而另一方消耗能量，即實現了能量的傳輸。

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

磁耦合共振式無線能量傳輸不同于微波輻射能量傳輸，主要通過收發天線間的磁場耦合傳輸能量[6][7]，因此，天線是無線能量傳輸系統中的關鍵部件，決定傳輸的距離和能量傳輸的效率[8][9]。本文所述磁耦合共振式無線能量傳輸收發天線如圖2所示，發射天線由一個源線圈A與一個螺旋線圈B組成，接收天線由一個負載線圈D和一個螺旋線圈C組成，其中螺旋線圈B、C串聯一電容，使其工作于所需諧振頻點。工作時，能量由發射源線圈A耦合到發射螺旋線圈B，通過線圈B與接收螺旋線圈C之間的強耦合，將能量傳輸到接收線圈C，再由C耦合至負載線圈D，最終供給負載工作。

1.2 仿真結果

本設計選用半徑為1.5mm的銅線，線圈A與負載線圈D半徑為15mm，螺旋線圈B和C半徑為25mm，螺旋間距為1mm，螺旋諧振線圈串聯一個150pF的電容。

通過使用Ansoft HFSS13對系統進行了仿真[10]，仿真結果如圖3-圖8所示。由圖3-圖4知，當收發天線相距60mm和70mm，天線諧振于兩個頻率，即驗證了公式（3）、（4）。如圖5-圖8所示，收發天線相距85mm時，系統諧振于19.4MHz，S21約為-1.395dB，計算其傳輸效率為72.5%；相距90mm時，系統諧振于19.4MHz，S21約為-1.52dB，計算其傳輸效率為70.5%；相距100mm時，系統諧振于19.4MHz，S21約為-2.25dB計算其傳輸效率為59.6%；相距110mm時，系統諧振于19.4MHz，S21約為-3.38dB，計算其傳輸效率為45.9%。仿真結果表明，隨著距離的增大，兩個諧振頻率合為單個工作頻率，且傳輸效率先增大后減小。

2 結論

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

參考文獻：

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

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[4]羅斌，生茂棠，吳仕闖.磁諧振耦合式單中繼線圈無線功率接力傳輸系統的建模與分析[J].中國電機工程學報，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，朱春波，毛銀花.諧振式無線能量傳輸系統驅動源[J].電工技術學報，2011（S1）.

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

[9]李陽，楊慶新，閆卓.無線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術學報，2013（01）.

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