李琼+罗春花

摘要：本文介绍了一种用于强磁耦合无线能量传输的收发螺旋天线，该天线的谐振频率为19.4MHz，在传输距离为3.6倍天线半径时，具有70%以上的传输效率，证明了该天线用于强磁耦合无线能量传输时具有较远的传输距离和较高的传输效率。

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.

關键词：磁耦合；无线能量传输；螺旋天线

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

中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0139-02

0 引言

磁耦合共振式无线能量传输技术是近来一种新兴的无线能量传输技术，自2006年被首次提出以来，得到了迅速发展，并在无线能量传输领域引起了巨大反响，预计2019年全球无线充电模块销量将达到9.23亿元[1]。

目前传输距离和传输效率一直是制约其商用发展的主要问题[2]。本文介绍了一种用于无线能量传输的收发天线，在3.6倍于天线半径的距离时，传输效率可达70%以上。

1 天线设计与仿真结果

1.1 天线设计

磁耦合共振式无线能量传输技术，是利用两个具有相同谐振频率的线圈，在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生共振，进行能量传递[3][4]。一般来说，两个具有一定距离的LC谐振线圈，相互之间是弱耦合，但若两者具有相同的谐振频率，则会产生电磁共振，构成一个电磁共振系统，如果某一端连接电源不断为该共振系统提供能量，而另一方消耗能量，即实现了能量的传输。

磁耦合共振系统等效电路如图1所示[5]，C为电容，L为自感，由系统的分布参数决定，互感Lm代表了耦合系数，传输系数S21如式（1）所示，Z0为特性阻抗，w为系统工作的角频率。由方程（2）解得两个谐振频点，如式（3）、式（4）所示，km为系统的耦合系数，如式（5）。

磁耦合共振式无线能量传输不同于微波辐射能量传输，主要通过收发天线间的磁场耦合传输能量[6][7]，因此，天线是无线能量传输系统中的关键部件，决定传输的距离和能量传输的效率[8][9]。本文所述磁耦合共振式无线能量传输收发天线如图2所示，发射天线由一个源线圈A与一个螺旋线圈B组成，接收天线由一个负载线圈D和一个螺旋线圈C组成，其中螺旋线圈B、C串联一电容，使其工作于所需谐振频点。工作时，能量由发射源线圈A耦合到发射螺旋线圈B，通过线圈B与接收螺旋线圈C之间的强耦合，将能量传输到接收线圈C，再由C耦合至负载线圈D，最终供给负载工作。

1.2 仿真结果

本设计选用半径为1.5mm的铜线，线圈A与负载线圈D半径为15mm，螺旋线圈B和C半径为25mm，螺旋间距为1mm，螺旋谐振线圈串联一个150pF的电容。

通过使用Ansoft HFSS13对系统进行了仿真[10]，仿真结果如图3-图8所示。由图3-图4知，当收发天线相距60mm和70mm，天线谐振于两个频率，即验证了公式（3）、（4）。如图5-图8所示，收发天线相距85mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-1.395dB，计算其传输效率为72.5%；相距90mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-1.52dB，计算其传输效率为70.5%；相距100mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-2.25dB计算其传输效率为59.6%；相距110mm时，系统谐振于19.4MHz，S21约为-3.38dB，计算其传输效率为45.9%。仿真结果表明，随着距离的增大，两个谐振频率合为单个工作频率，且传输效率先增大后减小。

2 结论

本文介绍了一种用于强磁耦合的无线能量传输天线，通过对收发天线系统仿真可知，该收发天线在3.6倍于天线半径的距离（90mm）时，具有70%以上的传输效率，在4倍于天线半径的距离（100mm）时，具有约60%的传输效率，证明了磁耦合共振式无线能量传输具有较远的传输距离及较高的传输效率。

参考文献：

[1]陈骞.国外无线电力传输技术进展[J].上海信息化，2014（1）.

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[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]于春来，朱春波，毛银花.谐振式无线能量传输系统驱动源[J].电工技术学报，2011（S1）.

[7]黄辉，黄学良，谭林林.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究.电工电能新技术，2011（1）.

[8]李阳，杨庆新，陈海燕.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J].电工电能新技术，2012（03）.

[9]李阳，杨庆新，闫卓.无线电能有效传输距离及其影响因素分析[J].电工技术学报，2013（01）.

[10]张宗明，孙跃，苏玉刚.非接触电能传输系统互感耦合的仿真研究[J].磁性材料及器件，2007（10）：42-45.