基于平面微帶線圈無線電力傳輸效率研究

余 威，徐曉英

(武漢理工大學，信息工程學院，湖北 武漢 430070)

基于平面微帶線圈無線電力傳輸效率研究

余 威，徐曉英

(武漢理工大學，信息工程學院，湖北 武漢 430070)

磁耦合諧振式無線能量傳輸技術主要是由諧振頻率相同的發射線圈和接收線圈構成，在近距離范圍內，當工作頻率等于發射和接收線圈的諧振頻率，線圈之間通過磁場耦合諧振的作用完成能量的傳輸，是電力傳輸領域的一個全新的技術方向。在本文中，磁耦合諧振無線能量傳輸系統由印制在兩塊FR-4基板上的微帶線圈組成，且諧振頻率為13.56 MHz的微帶線圈分別印制在每塊基板的兩面。根據FITD（Finite-Integral Time-Domain）算法對磁耦合諧振無線能量傳輸系統模型進行仿真與分析，在13.56 MHZ的頻率下，磁耦合諧振無線能量傳輸系統的傳輸效率最大可達到64%。在構建無線能量傳輸平臺后，通過實驗測得傳輸效率可以達到54%。

無線能量傳輸；磁耦合；微帶線圈；13.56 MHZ

0 引言

近年來科技發展的無線通信、無線終端、射頻識別等技術[1-3]，促使國內外的專家學者想通過無線的方式進行電能的傳遞，以達到無線代替有線的供電方式[4-6]。這種不需要導體互相接觸并且在空間直接進行能量傳輸的方式被定義為無線電力傳輸。無線電力傳輸主要利用電磁場耦合技術，以電場，磁場為載體進行能量傳輸，實現能量從發送端的傳輸到接收端的一種有效輸送方式。無線能量傳輸這一技術在家電設備，汽車，醫療以及軍事等方面有著巨大的應用前景，該技術不僅能夠提高設備用電的安全性和便攜性，還能夠讓使用者體驗新型的用電方式，隨著科技的不斷發展，無線能量傳輸技術在電子設備的應用會越來越高。而近年來磁耦合諧振式無線電力傳輸技術是電力傳輸領域的一個全新技術方向，相比傳統的輸電方式，無線電力傳輸在供電方面更加安全和便捷[7-8]。無線電力傳輸技術從能量傳輸原理可以分為電磁輻射式[9]、電磁感應耦合式[10]、磁耦合諧振式[11]三種方式。其中磁耦合諧振無線電力傳輸技術因為傳輸效率高，傳輸距離遠等特點被得到重點關注。

為了設計無線電力傳輸系統兼容電子移動設備的PCB結構，本文提出了工作頻率在13.56 MHz下，使用平面微帶線圈的無線電力傳輸系統。本文設計無線電力傳輸系統由兩塊結構相同得PCB構成，其中基板的兩面分別印制諧振頻率為13.56 MHz的諧振線圈。最后在13.56 MHZ的頻率下，在對微帶線圈進行有限元網格劃分[12]，并通過電磁軟件仿真分析得到本文設計的磁耦合諧振無電力傳輸系統傳輸效率為60%。在構建平面微帶線圈的無線電力傳輸系統平臺，通過實驗測量無線電力傳輸系統所得的傳輸效率為54%。

1 無線電力傳輸系統結構與仿真數據

1.1 系統結構參數

本文設計的無線能量傳輸結構由兩組諧振頻率相近的微帶線圈構成，其中源線圈和發射線圈為一組，接收線圈和負載線圈為一組。其中兩組線圈結構相同且印制在兩塊一樣的PCB板上，在系統進行傳輸時兩塊PCB板相對而立，線圈結構和系統結構如圖1所示。

圖1 線圈和系統結構Fig.1 Structure of coils and system

從圖1中我們可以得到線圈的基本結構，從圖中可以看出，源線圈（負載線圈）和發送線圈（接收線圈）分別印制在PCB的頂層和底層，同時PCB是由250 mm*250 mm，厚度為2 mm的FR-4基板組成。并且為了使源線圈和負載線圈的諧振頻率為13.56 MHz，我們在線圈上面都添加了425 pF的諧振電容通過電磁仿真軟件中本征模求解方式可以得出線圈的諧振參數，其中源線圈和負載線圈由線寬5 mm，內徑60 mm的正方形圓環。發射線圈和接收線圈由線寬5 mm，線距2.5 mm，內徑外徑分別為75 mm，125 mm的7圈螺旋微帶線構成。其中微帶線的厚度為0.035 mm，表1給出各個線圈的諧振參數。

表1 線圈的諧振參數Tab.1 resonance parameters of the coils and loops

1.2 仿真數據

通過上面的結構參數在CST軟件中建立無線電力傳輸模型，在源線圈和負載線圈的輸入端口和輸出端口阻抗設置為50 Ω，發射線圈和接收線圈的距離設置為d23，其中d23的距離范圍為100 mm至300 mm，設置好求解條件后，可以求解得到20組數據，進行處理得到無線電力傳輸系統的傳輸效率隨著距離d23的變化如下圖所示，

圖2中橫坐標為發射線圈和接收線圈的距離，縱坐標為系統傳輸效率，當系統工作頻率在13.56 MHz的時候，線圈之間處于諧振狀態，此時能量傳輸的效率達到最大。根據仿真結果可以得到線圈舉例210 mm時系統的最大傳輸效率為64%，其中能量傳輸效率達到50%以上的范圍在150 mm至270 mm內。

同時我們根據軟件仿真的結果查看端口1和端口2的功率和阻抗數據，進行處理得到端口1和端口2的功率隨距離變化的曲線和Z參數隨距離的變化曲線如下圖所示，其中圖（a）中紅色虛線代表的是信號輸入的功率0.5 W，圖（b）紅色虛線代表的是信號的輸入阻抗50 Ω。

圖3和圖4的橫坐標均為線圈之間的距離，縱坐標分別為功率和Z參數從圖中我們可以看到隨著距離的增加Z11和Z12的值隨著距離的增加逐漸增大，且隨著距離的變化，當Z11的值越接近50 Ω的時候，能量進入端口1的功率越接近0.5 W。當Z12的值越接近50 Ω的時候，端口2接收的功率達到最大值。根據數據分析我們可以得出結論，Z11的值是否匹配決定了能量進入端口1的功率大小，Z12的值是否匹配決定了能量從端口1傳輸到端口2的功率大小。綜上所述，我們可以知道系統端口的阻抗匹配是制約系統傳輸效率大小的重要因素。

2 實驗驗證

為了驗證上述線圈構成的無線電力傳輸系統仿真結果，我們制作了兩塊PCB板微帶線圈，包括驅動線圈、發送線圈、接收線圈、負載線圈，其中驅動線圈在頂層，發送線圈在底層，類似的負載線圈和接收線圈也分別印制在上下兩層。線寬為5 mm，其中發送線圈和接收線圈的內徑外徑分別為75 mm和125 mm，線距為2.5 mm。如圖5所示，在驅動線圈和負載線圈上面焊接諧振電容和SMA轉接頭，然后使用網絡分析儀搭建實驗平臺，所使用的網絡分析儀的型號是AV3656B。

圖3 功率隨距離變化Fig.3 The power varies with distance

圖4 Z參數隨距離變化Fig.4 The Z parameter varies with distance

圖5 實驗平臺Fig.5 Experiment platform

在測試之前對矢量網絡分析儀進行校準，首先進行反射校準，在端口1端口2處分別連接轉接電纜，在電纜處接陰頭開路校準件，在操作面板上點擊開路器校準，采用同樣的步驟在端口1的電纜處換接陰頭短路校準件和陰頭負載校準件分別完成校準，類似的，端口2也是完成以上操作對端口2進行校準。接下來進行傳輸校準，在端口1端口2線纜處接上雙陰轉接頭，進行傳輸校準。

再對網絡分析儀完成校對后，開始進行實驗測量，保持線圈的位置垂直于水平面，固定線圈之間的距離進行測量，線圈之間的距離固定范圍為100 mm至300 mm，步徑為10 mm。通過測量得到20組傳輸效率的數據結果，通過對數據的整理和與仿真曲線進行對比，我們可以得到無線電力傳輸系統傳輸效率曲線，比較仿真與實驗結果對比曲線如圖6所示。

圖6 仿真與實驗數據對比圖Fig.6 Comparison of simulation and experimental data

從圖中可以看出，由微帶線圈構成的無線電力傳輸系統的實驗平臺，進行效率測量得到的傳輸效率最大只有56%，略低于仿真得到的數據。考慮到實驗中的電磁環境對系統傳輸性能的影響，實驗測量的傳輸效率大小和仿真所得到的結果基本吻合。

3 結論

本文提出了由諧振頻率為13.56 MHz附近的微帶線圈構成無線電力傳輸系統，通過CST仿真軟件進行求解，得到無線電力傳輸系統在磁共振狀態下能量傳輸效率的結果。通過分析端口1的阻抗Z參數與信號輸入端口的阻抗匹配和端口1和端口2的功率變化，我們得到系統端口的阻抗匹配是制約系統傳輸效率大小的重要因素。最后通過構建無線電力傳輸實驗平臺，通過測量系統的傳輸效率的數據，進行分析得到實驗測量數據和仿真數據基本吻合。

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Research on Wireless Power Transmission Efficiency Composed by Planar Microstrip Coil

YU Wei, XU Xiao-ying
(School of Information Engineering, Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070, China)

Magnetic-coupling resonant wireless power transmission technology is mainly composed of the transmitter coil and receiver coil with the same resonant frequency, in the near range, when the operating frequency is equal to resonant frequency of the transmission and receiving coil, the coil make power transmission through the magnetic field coupling, what is a new technology direction in the power transmission field. In this paper, the magnetic-coupled resonant wireless power transmission system consists of microstrip coils printed in FR-4, and microstrip coil with 13.56 MHz is printed on the top and bottom layers of the substrate. According to the FITD (Finite-Integral Time-Domain) algorithm, the magnetic coupling resonant wireless power transmission system is simulated and analyzed. At the 13.56 MHZ, the transmission efficiency of the magnetic-coupled resonant wireless power transmission system can reach 64%. In the construction of wireless power transmission platform, experimental measurement of transmission efficiency can reach 54%.

Wireless power transmission; Magnetic-coupling resonant; Microstrip coil; 13.56 MHz

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.05.019

余威(1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為無線電力傳輸。

徐曉英，教授，博士，主要研究方向為靜電放電，電磁兼容。

本文著錄格式：余威，徐曉英. 基于平面微帶線圈無線電力傳輸效率研究[J]. 軟件，2017，38（5）：89-92