英语原文共 11 页
基于磁耦合谐振的无线能量传输实验的结果和变量分析
Alanson P. Sample, Student Member, IEEE, David A. Meyer, Student Member, IEEE, and Joshua R. Smith, Member, IEEE
摘要：无线供电技术提供了在供电中消除电线的可能性，允许用户通过空气轻松地对移动设备进行无缝充电。关于利用磁耦合谐振器实现这一目的初步工作显示出了有希望的结果。我们提出了一种新的分析方法，对实际系统的设计进行深入的调查。包括引进关键数字，可以用来比较系统的巨大不同的几何形状和操作条件。我们给出了电路模型，并推导了系统的关键概念，如频率分裂、最大工作距离(临界耦合状态下)以及系统在欠耦合状态下的表现。该理论模型对实际测得的数据进行了验证，平均决定系数为0.9875。本文介绍了一种自适应频率调谐技术。 当发射端到接收端的距离和方向发生变化时所遇到的效率变化的传感器。本文所演示的方法允许将固定负载接收器移动到发射端范围内的几乎任何位置和方向，并且在0-70厘米范围内仍能达到接近恒定的效率，超过70%。
关键词：自适应调谐，频率分裂，磁耦合谐振，无线能量
介绍
无线通信和半导体技术的进步使各种便携式消费电子、医疗和工业设备成为可能。然而，用户仍然需要手动插入这些移动设备进行充电，从而限制了最终的移动性，并在耗尽电荷时中断了使用功能。此外，随着便携式设备的缩小，连接器成为系统大小的更大的一部分，无线电源提供了电子设备不需要连接线的可能性，这可以改善两者的大小和可靠性。因此，人们希望使用无线电源技术来消除剩余的有线电源连接。
目前，人们正在研究几种无线电力传输技术，根据能量传输机制对其分类十分重要，以理解其传输范围和效率及受变化的影响。
远场技术利用传播电磁波的方式传递能量，就像无线电传输信号一样。该方法已成功应用于无电池、工作范围为10米内的超高频射频标签识别。远场方法的缺点之一是方向性和传输效率之间的内在平衡。有许多射频和微波系统的例子，它们使用高增益天线以超过90%的效率在公里级的距离上传输。这些系统需要精密的跟踪和对准设备，以便在非结构化和动态环境中保持视线(点对点)连接。
或者，射频广播方法以全方位的方式传输功率，允许在覆盖区域的任何地方进行功率传输。。在这种情况下，移动性得到了保持，但由于功率密度随1/r2的依赖而降低，导致端到端效率下降，导致接收到的功率电平比实际传输的功率低许多数量级。
感应耦合(或近场)技术不依赖于传播电磁波.相反，它们的工作距离小于正在传输的信号的波长。应用包括可充电牙刷和最近扩散的“动力”表面。这些技术可以是非常有效的，但仅限于大约一厘米的传输距离。或者，近场射频识别(RFID)通过牺牲效率提高传输距离的限制.近场标签有几十厘米的范围，但只能在微波范围内接收功率，传输效率为1%-2%。
先前证明的用于无线功率传输的磁耦合谐振器已经显示出了比远场法更有效地提供能量的潜力，而且在很长的时间内也是如此。与传统的电感耦合格式相比，ER的范围更大。然而，这种先前的工作仅限于固定的距离和方向，当接收器离开其最佳操作点时，效率会迅速下降。
本文扩展了耦合磁共振的先验分析，阐明了系统的几个关键概念，包括频率分裂、临界耦合和阻抗匹配。提出了一种基于无源电路元件的磁耦合谐振器模型，并进行了系统优化。
此外，本文还演示了一种自动调谐无线电源系统的方法，只要接收器在发射器的工作范围内，就可以在几乎任何距离和/或方向上获得最大可能的传输效率。从实际角度来看，这一点很重要，因为在许多应用中，例如笔记本电脑充电，接收设备相对于传输设备的范围和方向随用户行为的变化而变化。
图1.由左边的射频放大器组成的磁耦合谐振无线电源系统的草图，能够测量前向功率和反射功率。双元素发射器， 由一个单圈驱动环和高Q值线圈组成，无线驱动右边的接收器。
系统综述
图1显示了使用磁耦合谐振器的无线电源系统的示意图。发射天线由单圈驱动回路和多圈螺旋线圈组成。当射频放大器为驱动回路供电时，产生的振荡磁场激励Tx线圈，该线圈以与离散LC罐相同的方式存储能量。另一种考虑这种双元件发射机的方法是作为一个调谐的升压变压器，电源连接到一次（Tx回路）上，二次（Tx线圈）保持开路。接收端以类似的方式工作，尽管从接收线圈的角度来看，负载代替了电源，系统作为降压变压器工作。
关键的相互作用发生在两个线圈之间，每个线圈都是一个高Q 的LCR槽谐振器。正如线圈和线圈是磁耦合的一样，发送和接收线圈共用一个互感器，这是线圈几何结构和它们之间距离的函数。为了直观地了解磁耦合谐振器如何有效地来回传递能量，回顾耦合振荡系统的特性是很有用的。
考虑由弹簧连接的两个摆的情况，这类似于磁耦合的LCR罐。在这个经典的物理例子中，两个钟摆将形成一个单一的系统，它可以以两种模式振荡，一种模式比单摆的基频高，一种模式比单摆的基频低。此外，两种模式的频率分离取决于弹簧的刚度（或耦合）。随着刚度的降低，频率分离度（称为分频）也会降低，直到两个模式收敛到单摆的基频。这表明，当驱动耦合谐振器时，可以有多个模式或调谐频率。这也意味着系统的共振频率将随着耦合的作用而改变，而在无线电力系统中，耦合取决于发射线圈和接收线圈之间的距离。
耦合振荡器的另一个重要特性是耦合量定义了能量传递速率，而不是其效率。对于耦合摆，弹簧常数定义了每个周期从一个质量传递到另一个质量的能量。弹簧越硬，每个循环传递的能量就越多；另一方面，效率完全取决于能量损失，这是由于摆锤中的摩擦或线圈中的寄生电阻。在这些损失可以忽略的范围内，没有传递到接收线圈的能量仍保留在发送线圈中。因此，即使耦合很小（限制能量传输速率），对于Q值较高的线圈，效率仍然很高。这对无线电力系统来说是一个有点违反直觉的结果，特别是与全向远场天线相比，后者对效率的依赖性为1/r2，并且与1/r3相关的导电耦合。
最后，驱动和提取耦合谐振系统工作的机制增加了额外的限制。为了突出这一点，可以通过附加一个缓冲器来修改摆锤示例，以从其中一个质量中提取功，同时以系统共振频率之一正弦驱动另一个摆锤。如果每个周期通过弹簧传递的功率不足以向缓冲器的负载提供功率，则摆锤振荡的幅度将开始衰减。为了避免这种情况，可以增加弹簧的刚度，使其在每个循环中传递更多的能量，从而使系统恢复平衡。这意味着，对于每种负载，有一个维持系统平衡所需的最小耦合量。同样，当使用射频源驱动无线电源系统，并使用接收器上的负载电阻从系统中提取功时，耦合量定义了每个周期传输的能量。这意味着存在一个距离（称为临界耦合点），超过该距离，系统将无法以最大效率驱动给定负载。
以下章节将建立在分频、临界耦合和阻尼/阻抗匹配的概念基础上。首先，第三节提出了磁耦合谐振器系统的分析模型，然后推导了第四节中的关键系统参数和优点。第五节将我们的模型和系统性能的理论预测与测量结果进行了比较。最后，第六节描述了自适应调谐技术，用于在接收机在发射机范围内时实现接近恒定的效率和距离。
电路模型与传递函数
磁耦合谐振器系统可以用集总电路元件（L、C和R）来表示。图2显示了一个简单的电路图，可用于手分析或SPICE模拟。
图2.无线电力系统的等效电路模型。四个天线单元都被建模为串联谐振器，它们通过耦合系数由互感连接起来。
原理图由四个共振电路组成，它们通过耦合系数k12、k23和k34进行磁连接。从左边开始，驱动回路由输出阻抗有限的源激励。一个简单的单圈驱动回路可以模拟为一个寄生电阻为rp1的电感（L1）。增加电容器（C1）使驱动回路在感兴趣的频率下共振。发射线圈由一个具有寄生电阻（RP2）的多匝空心螺旋电感（L2）组成。Tx线圈的几何结构决定了它的自电容，用C2表示。电感器L1和L2与耦合系数k12相连，接收端的定义类似。最后，利用耦合系数k23将收发线圈连接起来。该系统的典型实现是将驱动回路和Tx线圈内置到单个设备中，从而固定K12。同样，K34也将被固定。因此，k23是剩余的未控制值，它随发送器和接收器之间距离的函数而变化。
该电路模型为分析磁耦合谐振系统的传输特性提供了方便的参考。为了简单起见，下面的分析忽略了交叉耦合项（k13、k24和k14）。第V-A节详细比较了简化模型（图2）和完整模型（包括交叉耦合）与测量系统性能之间的精度权衡。接下来，我们回到简化模型，其中基尔霍夫电压定律（kvl）可用于确定（1）中每个谐振电路中的电流，耦合系数在（2）中定义。
图3.给出表I中的值，S21幅度作为频率的函数和发送器到接收器耦合K23用于简化电路模型。突出显示的红色体积是过耦合状态，其中发生频率分裂并且传输效率可以保持独立 如果选择了正确的频率，则为距离。
这四个kvl方程同时求解负载电阻上的电压和产量（3），替换为（4），如下所示。
表1所示电路值的系统传递函数（3）如图3所示。该图显示了作为频率和耦合系数k23函数的S21量级。为了一致性，功率传递将以线性量级散射参数（S21）表示，这在实验上很重要，因为可以用矢量网络分析仪（VNA）测量功率传递，以便以后比较。整个无线电源传输装置可以看作是一个双端口网络（一个端口是输入端，由电源供电，另一个端口是输出端，为负载供电）。利用（3）可以计算出等效的S21散射参数，结果表明
在图3中，随着k23值的增加，分频清晰可见。SPICE模拟表明，两个线圈的低频模式实际上是同相的，而高频模式是180异相的。随着线圈间耦合度的降低，频率间隔也随之减小，直到两个模在fo处收敛。这一点被称为临界耦合点，表示仍然可以达到最大功率效率的最远距离（因为k23与1/距离3成比例）。当k23大于kCritical时，系统被称为过度耦合，并且在任一共振下运行将导致最大的功率传输效率。相反，当k23小于kCritical时，系统耦合不足，传递给负载的功率随着距离的增加而急剧下降。图3中所示的红色虚线框包含“神奇状态”，如果选择正确的频率，可以实现接近恒定的效率与距离。这与典型的远场或近场系统大不相同，因为远场或近场系统的效率随距离的增加而迅速下降。第VI-A节描述了一种自适应频率调谐方法，用于确保在“魔力范围”内的任何距离都能达到最大可能的传输效率。
临界耦合与系统参数的推导
进一步分析传递函数（3）可以深入了解哪些电路参数可用于优化无线电源系统的性能。首先，将串联品质因数和共振频率（如（6）所示）的项代入传递函数中，得到临界耦合方程。
这里，“ith”下标表示图2中的电路元件，例如，i=1表示驱动回路（L1、C1和rp1）中的元件。需要注意的是，omega;i的表达式表示每个回路和线圈的自由共振频率，其中不包括由于LCR箱中的电阻而产生的阻尼系数。这种近似对omega;i的影响可以忽略不计，并且只说明最终传递函数的偏差为plusmn;0.25%。为了简单起见，系统被定义为对称的，Tx和Rx线圈的质量因数等于Qcoil=Q2=Q3，T x和Rx线圈的质量因数等于Qloop=Q1=Q4。对称环-线圈耦合k12=k34表示为klc。我们还假设rsource=rload，rp1 rsource，rp4 ，rload，并且每个元素的未耦合共振频率定义为omega;0。为了保持一致性，对称情况下，线圈对线圈耦合（K23）的符号将更名为KCC。最后，为了简洁起见，在（7）中仅给出了中心频率omega;0处电压增益的推导。该函数表示图3沿10MHz中心频率的二维切片，其顶点是系统的临界耦合点。此外，（7）等于omega;=omega;0时（3）中的电压增益。
为了找到预测临界耦合点k-临界的函数，对KCC取(7)的导数。将结果设置为零并求解KCC产量(8)，其中 所有变量都定义为正。
这里，kcritical定义了“魔法制度”的范围，如图3所示。为了在临界耦合点找到大小，kcritical在（7）中被替换回kcc。 得到的等式表示在系统变为欠耦合之前在尽可能最远的操作点可实现的最大效率。 使用（5）并调用Rload = Rsource，可以将临界耦合点处的电压增益（VL
资料编号：[5527]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
