一种用于无线电力传输的高辐射效率螺旋电小磁天线外文翻译资料

 2022-05-29 10:05

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一种用于无线电力传输的高辐射效率螺旋电小磁天线

摘要—高辐射效率的螺旋电小磁天线（ESMA）的创新设计是为了实现无线电力传输而提出的来。在完全相同的尺寸下，已经完成的螺旋电小磁天线ESMA的电力传输效率（PTE）远远超过传统螺旋型天线。其工作频率为13.56 MHz，且ka=0.4，其中k和a分别为自由空间中的波数和能够完全包裹整个天线的最小球体的半径。这个ESMA（电小磁天线）由一个嵌入式的多回路馈电和一个全新的螺旋谐振器组成。为了提高辐射效率，用导体带代替导线可以使损耗降低。内部导体带和外部导体带在螺旋谐振器的轴向上错开，以便将电流限制在被占用了的体积的最外层。通过嵌入式多回路的馈电使得输入阻抗接近50欧姆。电小磁天线ESMA的单边天线的辐射效率为93.5%，两只对称的ESMA（电小磁天线）系统之间的辐射效率在距离为60 cm（3倍于最大边长距离）、70 cm（3.5倍于最大边长距离）、80 cm（4倍于最大边长距离）的辐射效率分别为92.4%、77.4%和56.3%。

关键词—电小磁天线（ESMA），无线电力传输（WPT），无线电力传输效率（PTE），螺旋谐振器

1. 简介

近些年来，工作于30 KHz - 300 KHz的低频（LF）和3 MHz - 30 Mhz的高频（HF）频段的近场无线电力传输和近场数据传输系统已经被广泛应用于既安全又智能的通过检查或控制接收设备的识别来为电池充电的系统中。早在2007年，Soljacic和他的团队在MIT（麻省理工大学）用实验证明，一个高效的中档范围（距离半径比d/r ＞3）使用两个自谐振回路天线的WPT（无线能量传输）系统，在距离为2米（线圈直径的4倍），在功率为60瓦时，传输效率为40%。自从那之后，电磁学术界对磁耦合共振现象的实际应用越来越感兴趣，耦合模理论（CMT）和电路理论（CT）也被用来解释磁耦合共振的现象。然而，虽然在实际应用中耦合模区域足够短，但当天线的工作距离大于天线最大尺寸的两倍时，无线电力传输效率就会低于50%。

为了尽量提高无线能量传输的距离，已经有很多相关技术发展起来了。自适应的阻抗匹配法在单一频率下，使用多回路馈电，在能量传输距离为10 cm – 50 cm时，其能量传输效率可以达到72.6%以上。其天线的尺寸为20 cm times; 20 cm times; 9.5 cm。一个装有为了使阻抗匹配距离不敏感的负载电容的电流控制回路在工作距离为0 cm – 7 cm时，可以使能量传输效率达到60%。这种天线的尺寸为40 cm times; 40 cm。

就目前来说，耦合谐振的条件是基于CMT（耦合模理论）和CT（电路理论）的。耦合模理论是复杂电磁耦合系统的理想化模型，电路理论是复杂电磁耦合系统的理想化模型在一定条件下的近似解。PTE（能量传输效率）是单边天线工作频率 f ，工作距离 d 和辐射效率 eta; 的函数，且PTE（能量传输效率）与eta;成比例，此PTE（能量传输效率）模型是从球面模理论推导出来的。在本文的研究中，20 cm times; 20 cm times; 9.5 cm的电小磁偶极子天线（ESMDA）是针对于中距离WPT（无线能量传输）系统而提出的，其谐振频率为13.5 MHz，ka = 0.04，其中k = 2pi; / lambda;，为真空中的波数，a为能够完全包裹整个天线的最小球体的半径。此ESMDA（电小磁偶极子天线）包含一个多回路馈电系统和一个带有负载电容的高辐射螺旋谐振器，其中单边的ESMDA（电小磁偶极子天线）的辐射阻抗和辐射效率分别为50欧姆和93.5%。两个天线之间的能量传输效率（PTE）在距离为60 cm时为92.4%，在70 cm时为77.4%，在80 cm时为56.3%。这个ESMDA（电小磁偶极子天线）使用了带有负载电容的多回路馈电电流控制以便使输入阻抗能够匹配。

2.理论基础

A. PTE（无线电力传输效率）的理论极限

功率传输效率（PTE）的理论局限性及辐射效率对其的影响参见参考文献[13].

其中，是发射天线单独工作时的辐射效率，是接收天线单独工作时的辐射效率。alpha;是接收天线法线方向相对于发射天线法线方向的角度（如图1），在平行和共线的方向上，alpha;分别等于pi;/2和0。而能量传输效率（PTE）与和成正比。

B.品质因数Q的理论极限

文献[14]提出了 电小磁偶极子Q值极限的理论极限，此时电流被限制在ka球体的外表面。其极限为

为了使天线的Q值接近理论上的极限，ESMA（电小磁天线）必须是谐振的，而且必须利用ka球体的全部体积。在大多数无线设备中，使用球形的天线是不切实际的，并且一般都会使用各种各样任意形状的天线。由于这些形状没有利用到由ka值定义的球体体积的全部范围，所以它们的Q值不会像具有相同的ka值的球形天线的Q值那样接近理论极限。

3.天线设计与测量结果

A.天线描述

图1展示的是我们所提出的20 cm times; 20 cm times; 9.5 cm的高辐射效率的电小磁天线（ESMA），它包含了一个精心设计的螺旋谐振器和一个嵌入式的多回路馈源系统。图1（a, b, c-1）分别是是ESMA（电小磁天线）的天线整体图、多回路馈电系统图和螺旋谐振器图，图1（a, b, c-2）分别是其对应原型的照片。多回路馈电系统被设置在介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.57 mm的RT / Duroid 5880基板的一边，而螺旋谐振器设置在基板的另一边。螺旋谐振器采用了导体带代替导线以减少传导损耗。与传统的在轴向上内部和外部交叠结构的磁螺旋偶极子天线不同，为了使天线能够达到如同第2节所描述的天线的最小Q值，我们所提出的电小磁天线（ESMA）在内部和外部是错开的，这样就可以使电流被限制在螺旋谐振器的外表面。而图1（c）中带有箭头的线（从内部到外部旋转）表示了所提出的螺旋谐振器中电流的绕行方式。内部导体带和外部导体带之间的间隙为2 cm。所有的几何参数在图1中都已经标注出来。

B.1螺旋谐振器设计

图2（a, b）分别展示了传统的螺旋谐振器[11]和改进型的螺旋谐振器。图2（a, b）的馈电回路展示在图1（b）中。对于图2（a）中传统的螺旋谐振器，内部和外部的部分在轴向方向上是重叠的，其模拟电流的分布如图三（a）所示。如[14]所证明的，一个磁偶极子（TE10模式）的电流是Phi;分量，并对远场电场的Phi;分量和远场磁场的theta;分量有一定的贡献。对于我们所研究的螺旋谐振器来说，内部和外部的螺旋部分在轴向上错开是为了提高传输效率，如图2（b）所示。图3（b）显示了螺旋谐振器中的电流分布。电流是Phi;分量，并且工作时就像一个磁偶极子一样的方式工作（TE10模式），表1对比了两种结构天线的辐射效率（对比传统的和我们所研究的单边电小磁天线（ESMA））和电力传输效率PTE（对比传统型的天线和我们提出的对称的ESMA（电小磁天线）系统）。在天线尺寸完全相同的情况下，表1总结了单边ESMA（电小磁天线）的辐射效率以及传统天线（轴向上未错开）和我们所提出的螺旋谐振器的电力传输效率。在相同的尺寸下，相比于文献[11]，我们所研究的天线辐射效率和电力传输效率PTE要高很多。

B.2 为阻抗匹配而设计的多回路馈电

多回路馈电的作用是实现阻抗变换，输入阻抗的作用是作为互感M1（馈电回路和发射谐振器之间）和M2（在发射谐振器和接收谐振器两个谐振器之间），并且它与M1成正比。图4展示了多回路馈电的构造过程，从（a）到（b）再到（c），图2（b）中的螺旋谐振器分别由图4（a, b, c）中的馈电回路馈送电流。表2则比较了三种馈电方式的负载电容、输入阻抗（对于两个对称的电小磁天线ESMA系统）和电力传输效率PTE（在距离为60cm时），从表2中的负载电容来看，我们所提出的馈电回路大大的增加了电感，M1也有一定增加，所以使得电能传输效率也提高了。

C. 测量结果

图5是我们所研究的对称的两个电小磁天线ESMA无线电力传输WPT测量系统。其谐振频率为13.56 MHz。在工作距离为60 cm、70 cm、80 cm时，我们通过实际测量得到的能量传输效率PTE分别为91%、73%、53%，和仿真结果大致相同。导致实际测量的结果和仿真结果有偏差的主要原因是手持螺旋谐振器会对其造成一定的损耗。

4. 结论

本文提出了一个ka = 0.04的用于无线电力传输WPT的高辐射效率的螺旋电小磁天线。此ESMA（电小磁天线）包含一个嵌入式的多回路馈电系统和一个创新的螺旋谐振器。这个新型的螺旋谐振器使用了导体带代替导线使得损耗得以减小，并且在内部的导体带和外部的导体带在轴向上相互错开以提高辐射效率。同时，嵌入式的多回路馈电系统提高了天线的电感，并且使得输入阻抗接近50欧姆。单边ESMA（电小磁天线）的辐射效率为93.5%，我们所设计的ESMAs的电力传输效率PTE远比相同尺寸传统形状的螺旋线圈的电力传输效率高出许多，在60 cm （3倍最大边长距离）的传输效率为91，、70 cm（3.5倍最大边长距离）的传输效率为73%，80 cm（4倍最大边长距离）的传输效率为53%。

一种用于无线电力传输的带绕耦合谐振天线的传输效率探究

摘要—本文提出了一种用于WPT（无线电力传输）的耦合谐振式带状绕行介质加载的螺旋天线，并实现了在低工作频率下的高效电能传输。这副天线使用了一组铜制导体绕线带和一个介质导带来制作。因为导体带的结构和介质加载的效应，使得天线的自谐振频率下降了30.8%，这使得我们能够减小RF（射频）的电源损耗。另外地，由于使用了导体带的结构减小了能量的传导损失，这使得天线在能量传输效率为80%的情况下，传输距离增加了40%。

关键词—无线能量传输（WPT），耦合谐振，螺旋天线，kQ参数

1. 简介

耦合谐振式无线能量传输（WPT）是被期望用于诸如电动汽车和便携式可移动设备等中距离、无线式的能量传输方式。在实际使用的时候，提高天线的传输效率是非常有必要的。为了提高RF（射频）电源的供给效率和整流器的效率，降低传输频率是非常有效果的。此外，增加天线之间的传输效率同样也是非常重要的。为了实现这些目标，低频率、高效率的天线备受瞩目。在WPT无线能量传输系统中，有两种天线经常被使用。一种是被耦合线圈和谐振电容谐振的LC谐振天线。另一种是天线自身的电感和自身的电容谐振的自谐振天线。因为其低损耗的特性，我们已经研究了自谐振天线。我们已经在之前提出过一种导体带绕行式的螺旋天线。通过使用导体带代替导线增加了自身电容，使得自谐振频率降低了。此外，由于传导损失下降了，所以能量传输效率也提高了。在之前的研究中，我们提出了一种导体带绕行式的螺旋天线。而在本文中，我们在kQ参数的基础上改进了一些传输的特性参数。

2. 考虑模型

考虑模型如图1所示。传统导线绕行式螺旋天线如图1（a）所示。通过使用这种导体带结构（如图1（b）），使得天线自身的电容增加，从而降低了自谐振频率。另外，传导损耗也有望降低。介质加载的导体带绕行螺旋天线是由一个铜导体带和一个介质带构建而成的。通过使用这种结构，自谐振频率比之前提到的结构远远下降。此外，通过这种方式，它也有望提升机械强度。

对于所有的模型来说，其内径、外径和线圈的匝数都是相同的。铜（电导率sigma; = 58.13 times; 106 S/m）被用来作为天线导体的材料。聚四氟乙烯（其相对介电常数Er = 2.08 ，tan delta;= 0.0004）被用以作为介质材料。这些模型都是反向排列的模型。

3. 结论

（1）自谐振频率和Q参数

自谐振频率是从输入阻抗中计算出来的。表1显示了考虑模型的自谐振频率。相比于导线绕行式的螺旋天线，导体带和介质加载天线的谐振频率分别下降了14.7%和30.8%

此外，自谐振天线的Q参数是从输入阻抗的3dB带宽中算出来的。表1同时显示了考虑模型的Q参数，通过将螺旋导线天线改进为螺旋导体带天线，其Q参数从1321增加到了5083。然而，经过介质加载之后，由于介质损耗的原因Q参数下降到了2474。

（2）传输特性参数

首先，通过入射功率归一化的导体损耗和辐射损耗显示在图2中。通过使用带状天线，导体损耗降低了10dB。另一方面，介质加载天线的导体损耗仅仅下降了3dB。这是由于介电损耗。带状天线和介质加载天线的辐射损耗是相同的。接下来，最大有用效率的距离特性就可以被算出来了。eta;max可以从Z参数中算出来。

其中R是Z参数矩阵的实部，的计算结果显示在图3中。

通过使用带状天线，相比于螺旋天线，在80%的传输效率下传输距离提升了100%。另一方面，相比于螺旋天线，在80%的传输效率下，介质加载天线的传输效率仅仅提升了40%。这是因为介质有所损失，使得Q参数降低而导致的。

4. kQ参数

图4显示了通过不同的计算方法而得到的kQ参数。其中的实线表示了从Z参数中得到的kQ参数：

图4中的虚线表示了通过将从等效电路中计算出来的耦合系数与表1中所显示的Q参数相乘而得到的kQ参数。

在所有的模型中通过Eq.2获得的kQ参数和通过等效电路获得的kQ参数有着相近的价值。相比于介质加载模型和螺旋模型，导体带模型拥有大的kQ参数。从而，在这些模型中，导体带模型有着最大的有效传输效率。

5. 结论

我们研究了导体带绕行式的螺旋天线和有介质加载的导体带绕行式螺旋天线。介质加载的天线比导线绕行式的螺旋天线的谐振频率低了30.8%

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