基于ADS的無線電能傳輸系統研究

周海東，王波波，胡嘉昕

（廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

隨著智能設備的快速發展，傳統的有線供電方式將無法滿足人們的需求。19世紀尾葉，美國科學家Nikola Tesla提出無線輸電技術，雖然試驗沒能成功，但無線電能傳輸卻引起了人們的關注。2007年，美國麻省理工大學的無線電能研究帶來了對其的研究高潮[1-2]。目前，無線電能傳輸系統主要有三種方式，分別是電磁感應式、磁耦合諧振式和微波電能傳輸。結合幾種無線傳輸方式的優缺點[3]，磁耦合諧振式無線電能傳輸成為最受人們青睞的傳輸方式，可以在較大范圍內實現無線電能傳輸。

目前，磁耦合諧振式無線電能傳輸方式還處于初始階段[4]。于是，在諧振失諧、傳輸效率和傳輸距離的問題上，提出了分析和改進的研究方案[5]。一般磁耦合諧振式無線電能傳輸的頻率以兆赫茲為優，研究無線傳輸效率需站在高頻設計的角度考慮。為了減少系統的反射波反射，阻抗匹配在無線傳輸能量效率中具有巨大作用[6-10]。本文通過ADS軟件的負載牽引工具對功放進行仿真，得出功放輸出最大功率對應的阻抗，根據線圈之間等效回來的阻抗，采用史密斯圓圖設計了阻抗匹配網絡。

1 無線電能傳輸系統結構

本文無線電能傳輸系統如圖1所示。系統由直流穩壓源、功放、阻抗匹配網絡、發射和接收線圈以及整流濾波電路組成。

圖1 無線電能傳輸系統框圖

圖1 中，直流穩壓源用于提供穩定的工作電壓；功放用于產生高頻功率源；用于無線傳輸能量的兩個空心線圈，分別為TX和RX（TX是發射線圈，RX是接收線圈）；全橋整流濾波電路將接收到交流能量整流成穩定的直流電壓；阻抗匹配網絡用于調整系統中的阻抗，從而實現最大功率的能量傳輸。

2 系統的功率匹配分析

為了系統高效率地無線傳輸能量，需對系統進行建模分析，采用互感理論建模方式，如圖2所示。

圖2 無線電能傳輸系統線圈等效電路模型

圖2 中，Vs為功放等效的電壓源；Ls、Lr分別是發射線圈和接收線圈的電感；Cs、Cr分別是諧振電容；Zs和ZL分別是功放的等效內阻和接收端負載；R1和R2分別為發射線圈和接收線圈的內阻；M為線圈之間的互感。

根據基爾霍夫定律，可得到兩組方程：

ω為工作頻率；Is和Ir分別為發射回路和接收回路的電流。

在不同距離下，線圈之間的反射阻抗不同，且考慮到系統互感物理模型分析復雜性和在高頻下電壓電流不一致的原因，需采用二端口網絡模型（如圖3所示）S參數（散射參數）來分析不同距離對系統的傳輸效率影響。

圖3 二端口網絡等效圖

圖3 中，ΓS、Γout、ΓL和Γin分別是源阻抗的反射系數、負載阻抗反射系數、輸出反射系數和輸入反射系數。

Z0為特性阻抗（50 Ω），推算出二端口網絡中源阻抗和負載阻抗的反射系數分別為：

可以得到功放輸出功率為[11]：

當輸入阻抗與源阻抗共軛匹配時，系統發射端輸出功率才能實現最大功率：

同理，當輸出阻抗與負載阻抗共軛匹配時，負載吸收功率才能實現最大，負載上得到的最大功率為[11]：

S21為正向傳輸系數，S22為輸出反射系數，即輸出回波損耗。由式（7）、式（8）可以得出系統的傳輸效率關系為：

由式（9）可知，當輸入反射系數等于源阻抗反射系數時，系統發射端輸出功率最大Pin|max。當輸出反射系數等于負載反射系數時，負載的接收功率PL最大。所以，整個系統的效率最大，即需要發射端和接收端同時滿足功率匹配的條件，整個系統的效率就會達到最優。

3 ADS仿真分析

3.1 功放輸出阻抗仿真

基于上述分析，功放的輸出功率取決于負載阻抗，而本文系統功放采用AB類功放。為了實現AB類功放的最大效率輸出，需要獲取功放的最佳負載阻抗[12]。本文借助ADS軟件的功放負載牽引工具（LoadPull）獲得功放輸出阻抗。功放的電路參數為：f=6.78 MHz，Lf=0.23μH、Ls=0.52μH、Cs=1nF、Lp=0.83μH、Cp=470 pF。根據系統要求，電路中的開關管選用ADS官網型號為MW6S010N的MOS管模型。將AB類功放的電路圖連接好，按照AB類功放參數進行修改，ADS軟件設計的AB功放原理圖和牽引仿真圖分別如圖4、圖5所示。

圖4中右上部分是指定所需的基本負載調諧器覆蓋范圍，s11_rho是生成反射系數圓的半徑，s11_center是生成反射系數圓的中心。通過調整反射系數圓的圓心和半徑，掃描出功放的最大輸出功率。從圖5可以得知，功率圓中最大功率為38.56 dBm。最后，得知最大的輸出功率對應的功放輸出阻抗是15.622+j33.212 Ω。

3.2 不同距離下的匹配設計

隨著線圈之間的距離增大，系統的傳輸效率隨之下降。為了實現系統能在一定范圍內保持高效率傳輸能量，需要根據線圈反射回來的阻抗設計阻抗匹配。在6.78 MHz頻率下，本文通過網絡分析儀實測出幾組數據，是關于線圈在不同距離下的各個輸入阻抗和輸出阻抗，如表1所示。

圖4 功放的原理圖

圖5 負載牽引仿真圖

表1 不同距離線圈之間的阻抗

功放的輸出阻抗為15.845+j30.626 Ω，系統的接收線圈的負載為50 Ω。采用ADS軟件的史密斯圓圖“Smith Chart Utility”進行阻抗匹配網絡設計，發射端接收端阻抗匹配網絡分別采用L型匹配網絡如圖6所示，則輸出阻抗的仿真結果如表2所示。

圖6 系統的阻抗匹配網絡

表2 阻抗匹配網絡器件參數

將設計好的匹配網絡參數進行S參數仿真，起始頻率設置為1 MHz，停止頻率設置為10 MHz，步長頻率設置為100 kHz，仿真結果如圖7所示。

從圖7可以看出，加入阻抗匹配網絡后，在頻率達到6.78 MHz時，S11參數的值最小，即反射回來的能量最小，提高了無線電能傳輸效率。

4 實驗結果與分析

為了驗證上述無線電能傳輸系統理論分析結論的正確性，搭建一個無線電能傳輸系統進行實驗驗證。系統中AB類功放的具體參數按照上述仿真參數進行設計，發射線圈是匝數為4、線徑為0.1 mm×150股利茲線、內徑為5 cm圍繞而成的螺旋線圈，接收線圈是由匝數為4、線徑為0.1 mm×150股利茲線、內徑為2 cm圍繞而成的螺旋線圈。

圖7 S11參數的數據波形

其中，發射線圈和接收線圈的電感量可以通過公式計算[13]：

式中N為線圈匝數，μo為真空傳導率，a為線圈的線徑，R為線圈的內徑。

匹配網絡采用電感和可調電容的搭配，接收線圈接入采用全橋整流電路。無線電能傳輸系統，如圖8所示。通過實驗驗證系統加入阻抗匹配網絡和不加入阻抗匹配的傳輸效率比較。

圖8 無線電能傳輸系統

在輸入功率為12 W條件下，分別驗證不同距離下無阻抗匹配網絡和有匹配網絡的系統傳輸效率，對比結果如圖9所示。

圖9 兩種方式的效率比較圖

從圖9可以看出，當系統加上阻抗匹配網絡時，在10 cm以內傳輸效率沒有明顯下降趨勢。圖上傳輸效率最高的點不是兩個線圈緊貼的情況，是因為線圈靠得很近時，兩個線圈不一定同時處于諧振狀態，且互感比較大，導致反射的阻抗增加，增大了能量損耗。在距離5 cm時，兩個線圈同時處于諧振狀態，系統的傳輸效率才是最大。

5 結 論

本文通過對線圈之間進行建模分析和數學推導，發現線圈之間的阻抗對系統的效率傳輸效率影響很大。在不同距離下，對線圈之間耦合回來的反射阻抗進行分析，結合AB類功放的輸出阻抗，設計出工作在6.78 MHz頻率下的無線電能傳輸系統。結果表明，本文的設計理論和方式在實際設計中具有較好的指導意義。