基于平面微带线圈无线电力传输效率研究

余 威，徐晓英

(武汉理工大学，信息工程学院，湖北 武汉 430070)

基于平面微带线圈无线电力传输效率研究

余 威，徐晓英

(武汉理工大学，信息工程学院，湖北 武汉 430070)

磁耦合谐振式无线能量传输技术主要是由谐振频率相同的发射线圈和接收线圈构成，在近距离范围内，当工作频率等于发射和接收线圈的谐振频率，线圈之间通过磁场耦合谐振的作用完成能量的传输，是电力传输领域的一个全新的技术方向。在本文中，磁耦合谐振无线能量传输系统由印制在两块FR-4基板上的微带线圈组成，且谐振频率为13.56 MHz的微带线圈分别印制在每块基板的两面。根据FITD（Finite-Integral Time-Domain）算法对磁耦合谐振无线能量传输系统模型进行仿真与分析，在13.56 MHZ的频率下，磁耦合谐振无线能量传输系统的传输效率最大可达到64%。在构建无线能量传输平台后，通过实验测得传输效率可以达到54%。

无线能量传输；磁耦合；微带线圈；13.56 MHZ

0 引言

近年来科技发展的无线通信、无线终端、射频识别等技术[1-3]，促使国内外的专家学者想通过无线的方式进行电能的传递，以达到无线代替有线的供电方式[4-6]。这种不需要导体互相接触并且在空间直接进行能量传输的方式被定义为无线电力传输。无线电力传输主要利用电磁场耦合技术，以电场，磁场为载体进行能量传输，实现能量从发送端的传输到接收端的一种有效输送方式。无线能量传输这一技术在家电设备，汽车，医疗以及军事等方面有着巨大的应用前景，该技术不仅能够提高设备用电的安全性和便携性，还能够让使用者体验新型的用电方式，随着科技的不断发展，无线能量传输技术在电子设备的应用会越来越高。而近年来磁耦合谐振式无线电力传输技术是电力传输领域的一个全新技术方向，相比传统的输电方式，无线电力传输在供电方面更加安全和便捷[7-8]。无线电力传输技术从能量传输原理可以分为电磁辐射式[9]、电磁感应耦合式[10]、磁耦合谐振式[11]三种方式。其中磁耦合谐振无线电力传输技术因为传输效率高，传输距离远等特点被得到重点关注。

为了设计无线电力传输系统兼容电子移动设备的PCB结构，本文提出了工作频率在13.56 MHz下，使用平面微带线圈的无线电力传输系统。本文设计无线电力传输系统由两块结构相同得PCB构成，其中基板的两面分别印制谐振频率为13.56 MHz的谐振线圈。最后在13.56 MHZ的频率下，在对微带线圈进行有限元网格划分[12]，并通过电磁软件仿真分析得到本文设计的磁耦合谐振无电力传输系统传输效率为60%。在构建平面微带线圈的无线电力传输系统平台，通过实验测量无线电力传输系统所得的传输效率为54%。

1 无线电力传输系统结构与仿真数据

1.1 系统结构参数

本文设计的无线能量传输结构由两组谐振频率相近的微带线圈构成，其中源线圈和发射线圈为一组，接收线圈和负载线圈为一组。其中两组线圈结构相同且印制在两块一样的PCB板上，在系统进行传输时两块PCB板相对而立，线圈结构和系统结构如图1所示。

图1 线圈和系统结构Fig.1 Structure of coils and system

从图1中我们可以得到线圈的基本结构，从图中可以看出，源线圈（负载线圈）和发送线圈（接收线圈）分别印制在PCB的顶层和底层，同时PCB是由250 mm*250 mm，厚度为2 mm的FR-4基板组成。并且为了使源线圈和负载线圈的谐振频率为13.56 MHz，我们在线圈上面都添加了425 pF的谐振电容通过电磁仿真软件中本征模求解方式可以得出线圈的谐振参数，其中源线圈和负载线圈由线宽5 mm，内径60 mm的正方形圆环。发射线圈和接收线圈由线宽5 mm，线距2.5 mm，内径外径分别为75 mm，125 mm的7圈螺旋微带线构成。其中微带线的厚度为0.035 mm，表1给出各个线圈的谐振参数。

表1 线圈的谐振参数Tab.1 resonance parameters of the coils and loops

1.2 仿真数据

通过上面的结构参数在CST软件中建立无线电力传输模型，在源线圈和负载线圈的输入端口和输出端口阻抗设置为50 Ω，发射线圈和接收线圈的距离设置为d23，其中d23的距离范围为100 mm至300 mm，设置好求解条件后，可以求解得到20组数据，进行处理得到无线电力传输系统的传输效率随着距离d23的变化如下图所示，

图2中横坐标为发射线圈和接收线圈的距离，纵坐标为系统传输效率，当系统工作频率在13.56 MHz的时候，线圈之间处于谐振状态，此时能量传输的效率达到最大。根据仿真结果可以得到线圈举例210 mm时系统的最大传输效率为64%，其中能量传输效率达到50%以上的范围在150 mm至270 mm内。

同时我们根据软件仿真的结果查看端口1和端口2的功率和阻抗数据，进行处理得到端口1和端口2的功率随距离变化的曲线和Z参数随距离的变化曲线如下图所示，其中图（a）中红色虚线代表的是信号输入的功率0.5 W，图（b）红色虚线代表的是信号的输入阻抗50 Ω。

图3和图4的横坐标均为线圈之间的距离，纵坐标分别为功率和Z参数从图中我们可以看到随着距离的增加Z11和Z12的值随着距离的增加逐渐增大，且随着距离的变化，当Z11的值越接近50 Ω的时候，能量进入端口1的功率越接近0.5 W。当Z12的值越接近50 Ω的时候，端口2接收的功率达到最大值。根据数据分析我们可以得出结论，Z11的值是否匹配决定了能量进入端口1的功率大小，Z12的值是否匹配决定了能量从端口1传输到端口2的功率大小。综上所述，我们可以知道系统端口的阻抗匹配是制约系统传输效率大小的重要因素。

2 实验验证

为了验证上述线圈构成的无线电力传输系统仿真结果，我们制作了两块PCB板微带线圈，包括驱动线圈、发送线圈、接收线圈、负载线圈，其中驱动线圈在顶层，发送线圈在底层，类似的负载线圈和接收线圈也分别印制在上下两层。线宽为5 mm，其中发送线圈和接收线圈的内径外径分别为75 mm和125 mm，线距为2.5 mm。如图5所示，在驱动线圈和负载线圈上面焊接谐振电容和SMA转接头，然后使用网络分析仪搭建实验平台，所使用的网络分析仪的型号是AV3656B。

图3 功率随距离变化Fig.3 The power varies with distance

图4 Z参数随距离变化Fig.4 The Z parameter varies with distance

图5 实验平台Fig.5 Experiment platform

在测试之前对矢量网络分析仪进行校准，首先进行反射校准，在端口1端口2处分别连接转接电缆，在电缆处接阴头开路校准件，在操作面板上点击开路器校准，采用同样的步骤在端口1的电缆处换接阴头短路校准件和阴头负载校准件分别完成校准，类似的，端口2也是完成以上操作对端口2进行校准。接下来进行传输校准，在端口1端口2线缆处接上双阴转接头，进行传输校准。

再对网络分析仪完成校对后，开始进行实验测量，保持线圈的位置垂直于水平面，固定线圈之间的距离进行测量，线圈之间的距离固定范围为100 mm至300 mm，步径为10 mm。通过测量得到20组传输效率的数据结果，通过对数据的整理和与仿真曲线进行对比，我们可以得到无线电力传输系统传输效率曲线，比较仿真与实验结果对比曲线如图6所示。

图6 仿真与实验数据对比图Fig.6 Comparison of simulation and experimental data

从图中可以看出，由微带线圈构成的无线电力传输系统的实验平台，进行效率测量得到的传输效率最大只有56%，略低于仿真得到的数据。考虑到实验中的电磁环境对系统传输性能的影响，实验测量的传输效率大小和仿真所得到的结果基本吻合。

3 结论

本文提出了由谐振频率为13.56 MHz附近的微带线圈构成无线电力传输系统，通过CST仿真软件进行求解，得到无线电力传输系统在磁共振状态下能量传输效率的结果。通过分析端口1的阻抗Z参数与信号输入端口的阻抗匹配和端口1和端口2的功率变化，我们得到系统端口的阻抗匹配是制约系统传输效率大小的重要因素。最后通过构建无线电力传输实验平台，通过测量系统的传输效率的数据，进行分析得到实验测量数据和仿真数据基本吻合。

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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，硕士研究生，主要研究方向为无线电力传输。

徐晓英，教授，博士，主要研究方向为静电放电，电磁兼容。

本文著录格式：余威，徐晓英. 基于平面微带线圈无线电力传输效率研究[J]. 软件，2017，38（5）：89-92