用于無線能量傳輸系統的微帶天線設計

郭 爽,陶 珺

（武漢理工大學理學院，湖北武漢,430070）

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用于無線能量傳輸系統的微帶天線設計

郭 爽,陶 珺

（武漢理工大學理學院，湖北武漢,430070）

摘要：本文提出一種用于組成無線能量傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）系統的微帶天線結構，并采用基于有限元法的電磁仿真軟件(HFSS)對微帶天線進行3D建模。在二端口網絡分析法的基礎上，建立磁耦合共振無線能量傳輸等效電路模型，求解出系統發生頻率分叉現象產生的條件以及最大效率時的頻率表達式。基于以上方法，研究本文設計的微帶天線傳輸特性，包括：系統的最優傳輸效率與耦合距離的關系，工作頻率與耦合距離的關系，得出在能量傳輸距離在50cm左右時，天線的諧振頻率為12.5MHz，效率可達63%。微帶天線具有很大的結構優勢，如與集成電路兼容，成本低，體積相對較小，且工藝相當成熟，易大規模批量生產等優勢。因此該設計的平面微帶天線可用于無線能量傳輸系統。

關鍵詞：磁共振;無線能量傳輸;微帶天線;諧振頻率

0　引言

無線能量傳輸（wireless power transfer, WPT）是指電能從電源到負載的一種沒有經過電氣直接接觸的能量傳輸方式。近些年來，隨著移動電器設備（如手機、筆記本等）和電動汽車的快速發展，無線電能傳輸技術以其安全、方便的傳輸電能方式顯示出巨大的優越性。

圖1　無線能量傳輸系統微帶天線結構圖

1　磁耦合共振無線能量微帶傳輸系統

圖2　微帶天線俯視圖

WPT系統至少由兩組天線組成，一組與輸入電源端相連，另一組與輸出端負載相連。近場中距WPT系統的微帶天線和線圈天線原理結構圖分別如圖1所示。圖中，發射天線和接收天線的

二維平面外形尺寸均相同，兩個天線上下對應，在間距d=50.0cm時，微帶天線的諧振頻率為12.5MHz。微帶天線由內徑為r=9.2cm的內部的圓形饋電線圈和外部螺距為g=2.6cm的螺旋線圈組成，線圈寬度d=1.6cm。相對于內部的饋電回路線圈，外部的無源螺旋線圈是寄生結構，它是逆時針方向由內向外旋轉的，匝數N=5。微帶天線基板為厚0.5cm的聚四氟乙烯（FR4），微帶天線由電導率為5.8×107S/m的純銅制成。

圖3　微帶天線傳輸效率仿真結果

微帶天線傳輸效率:

圖3中橫坐標為電源激勵的頻率，縱坐標為傳輸效率。圖3表明了磁共振系統發生高效傳輸的基本特征：如果發送線圈和接收線圈的本征頻率與系統共振頻率趨于一致，則兩線圈會發生近場強耦合即磁共振，能量會以較高的效率傳輸給距離較遠的接收線圈，當發射線圈和接收線圈的本征頻率與系統共振頻率相差較遠時，該系統的傳輸效率將會迅速下降，接收線圈只能接收到很少的能量。

2　結論

本文提出了一種基于磁耦合共振方法的用于無線能量傳輸系統的微帶天線，并用hfss仿真軟件對微帶天線進行仿真設計。本文采用了基于二端口網絡分析的方法，分析了微帶天線系統的電路模型及仿真分析模型，求解出共振系統發生頻率分叉現象產生的條件，并討論了系統最優傳輸效率與傳輸距離、共振頻率之間的相互關系。在通過與線圈模型對比中發現當能量傳輸距離在50cm左右時，天線的共振頻率為12.5MHz，效率可達63%。微帶天線具有很大的結構優勢，如：與集成電路兼容，成本低，體積相對較小，且工藝相當成熟，易大規模批量生產等。因此該設計的平面微帶天線可用于無線能量傳輸系統。

中圖分類號：TM724.1

Design of Microstrip Antenna Applied to Wireless Power Transmission System

Guo Shuang, Tao Jun
(College of science, Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei,430070)

Abstract：A configuration of microstrip antenna is proposed for design of wireless power transmission(WPT) system.Via electromagnetic simulation software HFSS which is based on Finite Element Method(FEM),we establish 3D modeling microstrip antenna.The equivalent circuit model of wireless power transmission system via magnetic resonance coupling is analyzed contactless based on the two-port network analysis method. The condition of the resonant frequency splitting phenomenon is produced,a wireless power transmission system is deduced,and the frequency expression of maximum efficiency is derived.Based on the method above,by researching characteristics of transmission of this system including：the relationship between optimal efficiency of transmission system and the coupling distance and the relationship between the working frequency and the coupling distance. we concluded that when the energy transmission distance is in 50cm, microstrip antenna the resonant frequency of which is 12.5MHz still has a high efficiency (63%).The microstrip antenna has advantages on its great structure,such as compatible with integrated circuit,lower cost，relatively small volume, technical maturity,and easy to mass production and so on. So the design of planar microstrip antenna can be used for wireless power transmission system.

Keywords：Magnetically coupled resonance;Wireless power transmission;Microstrip Antenna;Resonance frequency