基于電磁超材料的無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

唐以軻，盧亞飛，徐立松，章文俊

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

電子產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的有線充電存在攜帶不便、充電不便、設(shè)備不適配等問題。無線電能傳輸技術(shù)利用電、磁場的變化實現(xiàn)能量的傳輸，在保持一定距離的情況下實現(xiàn)了電源和待充電設(shè)備之間充電，有效解決了傳統(tǒng)充電方式的弊端。無線充電將成為一種趨勢，但在實際推廣應(yīng)用過程中還存在一些問題，如傳輸距離過短、發(fā)射接收裝置尺寸過大等，這些問題都將影響到無線電能傳輸?shù)男始肮β蔥1]。因此如何在縮小尺寸的情況下，使傳輸效率更高及傳輸距離更遠(yuǎn)，成為相關(guān)科研工作者們研究的一個重點。

1 相關(guān)理論介紹

1.1 電磁超材料

電磁超材料主要是運(yùn)用人工構(gòu)造出不存在于自然界的單元結(jié)構(gòu)體，使其具有超強(qiáng)的電磁特性，同時具備超高的可設(shè)計性，因此其在電磁和光學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮骩2]。電磁超材料的這些特性應(yīng)用到無線電能傳輸技術(shù)中，可有效提升系統(tǒng)傳輸?shù)男阅堋?/p>

1.2 無線電能傳輸定義

無線電能傳輸是指利用電磁場、電磁波，在一定距離內(nèi)實現(xiàn)供電電源到用電負(fù)載的無直接電氣接觸的能量傳輸。這一電能傳輸方式具有安全性、可靠性和便捷性等優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)電導(dǎo)體直接物理接觸電源所帶來的插電火花、不易維護(hù)、特殊環(huán)境下存在用電安全隱患等問題。

1.3 無線電能傳輸方式分類

無線電能傳輸方式可以分為以下4類。（1）電磁感應(yīng)式：根據(jù)法拉第電磁耦合定理，利用電磁互相耦合實現(xiàn)無線電能量傳遞。（2）磁場共振式：電流通過導(dǎo)線形成相同頻率的電磁共振，實現(xiàn)無線供電；（3）電場耦合式：將電能以微波的形式沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而進(jìn)行電能無線傳輸。（4）磁耦合諧振式：將高頻電源加載到發(fā)射線圈，使發(fā)射線圈在電源激勵下產(chǎn)生高頻磁場，接收線圈在此高頻磁場作用下耦合產(chǎn)生電流，實現(xiàn)無線電能傳輸。

2 基于超材料的無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

2.1 MNG材料設(shè)計

2.1.1 MNG材料單元設(shè)計

磁負(fù)（Magnetic Negative，MNG）超材料單元的正面結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。導(dǎo)體材質(zhì)選擇了電導(dǎo)率值為5.8×107S/m的金屬銅，銅膜厚度為0.017 mm，呈螺旋結(jié)構(gòu)分別貼合在正方形FR4基板的正、反面，中部為空白的正方形FR4基板。整片基板邊長L=125 mm，螺旋結(jié)構(gòu)的外邊長L0=105 mm，銅質(zhì)膜距FR4介質(zhì)板邊L1=10 mm。

圖1 MNG材料單元正面結(jié)構(gòu)

2.1.2 MNG材料單元結(jié)構(gòu)仿真

電磁仿真軟件（High Frequency Simulator Structure，HFSS）因其運(yùn)用場景靈活簡潔，且在仿真過程無需編寫過多復(fù)雜代碼，通過軟件進(jìn)行處理分析能夠?qū)υ骷妶鰧嶋H分配情況有清晰的了解。MNG電磁超材料單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MNG電磁超材料單元結(jié)構(gòu)模型

通過仿真得到MNG電磁超材料的反射系數(shù)S11和投射系數(shù)S21隨頻率的變化如圖3所示。可見，在頻率f=6.78 MHz情況下，其反射系數(shù)S11和投射系數(shù)S21各自達(dá)到峰值及谷值，這一現(xiàn)象說明，當(dāng)特定頻率交變磁場垂直進(jìn)入電磁超材料板時，超材料產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。

圖3 MNG電磁超材料S參數(shù)

2.2 MNG材料的磁負(fù)特性

研究表明，電磁波穿過磁單負(fù)材料，其傳播方向也會出現(xiàn)變化，如圖4所示。因此將此類材料置于接收與發(fā)射線圈裝置之間，可實現(xiàn)接收線圈對電磁波的收集，從而一定程度避免電磁波散射導(dǎo)致的能量損失，同時也有利于無線電能傳輸系統(tǒng)效率的提高[4]。

圖4 磁單負(fù)材料作用效果示意

3 收發(fā)線圈的分析與設(shè)計

3.1 收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)的選擇

收發(fā)線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸對傳輸效率存在較大影響，為獲得較高傳輸效率，需選擇磁場范圍及磁場強(qiáng)度大，且損耗低的收發(fā)線圈[5]。

無線電能傳輸系統(tǒng)收發(fā)線圈種類較多，為提高無線電能傳輸系統(tǒng)效率，選擇適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)線圈結(jié)構(gòu)非常重要。圖5所示為當(dāng)前研究人員經(jīng)常用到的3種收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)類型，主要包括圓柱形、平面矩形、平面螺旋形。從空間占比考慮，本文選擇平面螺旋形結(jié)構(gòu)。

圖5 常用的收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)

3.2 收發(fā)線圈設(shè)計

綜合考慮相關(guān)需求，可確定收發(fā)線圈尺寸規(guī)格。采用的平面螺旋線圈的線徑為1.5 mm，線圈半徑為30 mm，每匝間距為1 mm，匝數(shù)為7匝。平面螺旋形結(jié)構(gòu)線圈的電感計算公式為：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；r為線圈半徑；f為共振頻率；N為線圈匝數(shù)；D為線圈線徑。收發(fā)線圈的諧振頻率f=6.78 MHz，位于高頻范圍內(nèi)，此時螺旋線圈的輻射電阻遠(yuǎn)小于歐姆電阻，所以輻射電阻值可以忽略不計，只需計算歐姆電阻值。在高頻范圍內(nèi)，歐姆電阻值計算公式為：

式中：σ為諧振線圈導(dǎo)線的電導(dǎo)率。無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率和線圈的品質(zhì)成正相關(guān)，所以線圈品質(zhì)的提升意義重大，通常線圈品質(zhì)因數(shù)的計算公式為：

根據(jù)式（3）可知：線圈品質(zhì)因數(shù)、線圈電感、系統(tǒng)諧振頻率三者為正比關(guān)系；品質(zhì)因數(shù)與線圈電阻值為反比關(guān)系。可在適當(dāng)提升諧振頻率和線圈電感的基礎(chǔ)上，通過降低電阻值來提升線圈品質(zhì)因數(shù)，從而確保系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)到某個最大值。螺旋形線圈S參數(shù)的仿真計算結(jié)果如圖6所示，從圖6中反映的數(shù)據(jù)可見，在諧振頻率f=6.78 MHz時，其反射參數(shù)S11位于最大值位置，且投射參數(shù)S21位于最小值位置，由此可以判斷線圈在這一頻率內(nèi)產(chǎn)生了電磁諧振。此時由式（1）、式（2）和式（3）可得到螺旋線圈在諧振頻率為f=6.78 MHz時的品質(zhì)因數(shù)Q=2 300。

圖6 螺旋線圈的S參數(shù)

在系統(tǒng)的設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，收發(fā)線圈產(chǎn)生耦合時，會有部分散射的磁場無法被接收線圈接收，形成磁場損耗。若能調(diào)整散射在周圍空間的磁場的方向，使散射磁場能夠盡量多地被接收線圈接收，可進(jìn)一步提高傳輸效率。

4 結(jié) 論

本文通過在收發(fā)線圈之間加入電磁超材料，實現(xiàn)了無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率的提高和距離的增長。結(jié)合相關(guān)實驗數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步說明了收發(fā)線圈加載電磁超材料對無線電能傳輸系統(tǒng)的性能具有顯著的提升作用。

隨著研究的不斷深入，未來無線電能傳輸技術(shù)擁有更加廣闊的發(fā)展空間。本文所設(shè)計的基于電磁超材料的無線電能傳輸系統(tǒng)對相關(guān)研究人員開發(fā)同類型電能傳輸技術(shù)有一定的參考意義。