席浩焱，趙 越，董麗娟*，劉艷紅，石云龍

（1.山西大同大學(xué)固體物理研究所，山西大同 037009；2.微結(jié)構(gòu)電磁功能材料省市共建山西省重點實驗室，山西大同 037009）

無線能量傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）是一種將能量從激勵端傳輸?shù)截撦d端的過程中不需要電纜或電線連接的一種技術(shù)，因其基于交變磁場原理工作，不會造成漏電和觸電的風險，所以在工業(yè)（電動汽車、便攜式電子設(shè)備）[1?3]和醫(yī)學(xué)（醫(yī)療傳感器、植入式設(shè)備）[4?5]等領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，WPT 技術(shù)通常分為微波式WPT、感應(yīng)式WPT 和磁諧振耦合式WPT[6?7]三種，其中磁諧振耦合式WPT 技術(shù)利用非輻射電磁場近場區(qū)域完成電能傳輸，一方面較之感應(yīng)式，有傳輸距離上的擴展，另一方面相比于微波式，具有非輻射的安全性，是當前的研究熱點[8?10]。磁耦合諧振式WPT 系統(tǒng)處于臨界耦合狀態(tài)時，系統(tǒng)的傳輸效率較高，當傳輸距離過近時，系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^耦合狀態(tài)，此時系統(tǒng)將會發(fā)生頻率劈裂的現(xiàn)象，從而使得系統(tǒng)在原諧振處的傳輸效率變低[11?12]。

為了抑制頻率劈裂，Ahn 等人[13]提出一種非對稱的諧振線圈結(jié)構(gòu)，避免系統(tǒng)工作在過耦合狀態(tài)，從而抑制頻率劈裂現(xiàn)象；Duong[14]和Sample[15]通過調(diào)節(jié)雙線圈之間的耦合系數(shù)用于抑制頻率劈裂；Zhang 等人[16]通過增大接收線圈和發(fā)射線圈之間的互感來抑制頻率劈裂，從而提高傳輸效率。然而，上述方法均需通過機械式調(diào)節(jié)兩線圈之間的距離，在實際應(yīng)用中較難實施。

人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductors，AMC）是一種人工設(shè)計的特異表面結(jié)構(gòu)[17?20]，同時也是一種高阻抗表面結(jié)構(gòu)，由上下金屬層和中間介質(zhì)構(gòu)成，通過表面刻蝕技術(shù)制成。2013 年，Wu 等[21]將加載了電容的AMC 結(jié)構(gòu)應(yīng)用于磁感應(yīng)WPT 系統(tǒng)中，通過仿真得到了傳輸效率增強的結(jié)果。本文將加載有貼片電容的方形AMC 結(jié)構(gòu)引入到強耦合雙線圈WPT 系統(tǒng)中，對有無AMC 結(jié)構(gòu)的WPT 系統(tǒng)進行了對比分析研究，發(fā)現(xiàn)AMC 結(jié)構(gòu)對頻率劈裂具有抑制的作用，相比于文獻[14?16]改變兩線圈之間距離的方式來達到抑制作用，AMC結(jié)構(gòu)的引入更適合實際應(yīng)用。

1 WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

文中所研究的WPT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。接收線圈、發(fā)射線圈和人工磁導(dǎo)體從上而下依次放置，接收線圈和發(fā)射線圈為諧振線圈，AMC 與兩線圈平行放置且位于發(fā)射線圈一側(cè)。諧振線圈使用8 匝方環(huán)狀螺旋線圈，相鄰兩線圈的連接處為半圓弧結(jié)構(gòu)且單線圈的拐角處為四分之一圓弧狀結(jié)構(gòu)，線圈的線直徑大小為2 mm，最內(nèi)圈的邊長為120 mm，相鄰兩線圈之間的環(huán)間距為2 mm，如圖1(b)所示。圖1(c)為AMC 單元結(jié)構(gòu)示意圖，使用正方形銅貼片，且中心處有一鍍銅孔與覆銅基底相連，中間電路板使用介電常數(shù)為4.4 的FR?4，正方形貼片的邊長為u，鍍銅孔直徑為d，相鄰貼片之間的間隙大小為g，F(xiàn)R?4介質(zhì)板的厚度為t。

仿真軟件使用基于時域有限差分法的CST MWS(Computer Simulation Technology Microwave Studio）三維電磁仿真軟件。發(fā)射線圈和接受線圈的開口處均采用阻抗為50 Ω的離散源端口。

參數(shù)選擇是經(jīng)過仿真優(yōu)化過的，優(yōu)化的參數(shù)主要有FR?4 介質(zhì)板的厚度、鍍銅孔直徑大小、相鄰貼片之間的間隙大小、結(jié)構(gòu)單元大小和貼片的尺寸等。從圖1 (a)還可以看出，AMC 結(jié)構(gòu)與發(fā)射線圈放置在同一側(cè)，而接收線圈則被放置在另一側(cè)，這樣放置便于將發(fā)射線圈和AMC 結(jié)構(gòu)集成在一起，且兩個線圈之間沒有其他遮擋物，在實際產(chǎn)品的設(shè)計中比較容易實現(xiàn)。

圖1 (a)WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)方環(huán)狀螺旋線圈結(jié)構(gòu)示意圖；(c)AMC單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 WPT系統(tǒng)優(yōu)化

AMC結(jié)構(gòu)縱橫均為3個單元，每個單元包括中間介質(zhì)、上銅片、鍍銅孔、底銅和貼片電容。如圖2 所示，貼片電容的大小為C，鍍銅孔可等效為電感L，這樣每個單元可以等效為一個LC 電路系統(tǒng)[21]。即每個單元相當于一個諧振子，而各個諧振子之間的相互耦合會產(chǎn)生不同的耦合模式，所以通過調(diào)節(jié)AMC 單元的介質(zhì)板厚度t、孔徑大小d、間隙寬度g、銅貼片單元大小u以及貼片電容大小C 從而達到抑制頻率劈裂的最優(yōu)效果。

圖2 AMC結(jié)構(gòu)的等效電路模型

2.1 介質(zhì)厚度優(yōu)化

分別選取FR?4 介質(zhì)板的厚度t為2.5、3.0 和3.5 mm。從圖3 可以看到，在厚度選取3.0 mm 處該WPT系統(tǒng)的透射系數(shù)S21 是最高的，因此在仿真計算中，選取FR?4介質(zhì)板的厚度為3.0 mm。

圖3 WPT系統(tǒng)S21隨介質(zhì)板厚度t 的變化

2.2 孔徑大小優(yōu)化

分別選取孔徑大小d為1 mm、1.5 mm 和2 mm 三種尺寸進行仿真計算。從圖4可以看到，在孔徑大小d為1.5 mm 時，該WPT系統(tǒng)的透射系數(shù)S21最高。因此在仿真計算中，選取d為1.5 mm。

圖4 WPT系統(tǒng)S21隨孔徑大小d的變化

2.3 間隙寬度優(yōu)化

分別選取間隙寬度g為0.5 mm，1 mm 和1.5 mm三種規(guī)格進行仿真計算。從圖5可以看到，在間隙寬度g為0.5 mm 時，該WPT 系統(tǒng)的透射系數(shù)最高。因此仿真計算中，選取間隙寬度g為0.5 mm。

圖5 WPT系統(tǒng)S21隨間隙寬度g的變化

2.4 結(jié)構(gòu)單元大小優(yōu)化

分別選取結(jié)構(gòu)單元大?。ㄕ叫钨N片的邊長）u為115 mm，120 mm 和125 mm 三種尺寸。從圖6可以看出，微調(diào)結(jié)構(gòu)單元大小對該WPT 系統(tǒng)的透射系數(shù)影響不大，但是在結(jié)構(gòu)單元大小u是120 mm，透射系數(shù)還是要比其他兩個尺寸要高。因此仿真計算中，選取u為120 mm。

圖6 WPT系統(tǒng)S21隨單元u的變化

2.5 貼片電容大小優(yōu)化

分別選取貼片電容大小C 為4.0 nF、5.0 nF、6.0 nF 和7.0 nF 四中規(guī)格。從圖7 可以看出，在貼片電容為6.0 nF 時，該WPT 系統(tǒng)的透射系數(shù)是最高的。因此在仿真計算中，選擇貼片電容的大小C 為6.0 nF。

圖7 WPT系統(tǒng)S21隨貼片電容大小C變化

3 仿真計算結(jié)果

在引入AMC 結(jié)構(gòu)的方環(huán)狀螺旋式雙線圈WPT系統(tǒng)中，通過各個參數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)，得到了最優(yōu)化的傳輸效率和傳輸距離。圖8(a)、(b)和(c)分別給出了有AMC 和無AMC 結(jié)構(gòu)的WPT 系統(tǒng)的傳輸系數(shù)S21 在發(fā)射線圈與接收線圈距離不同情況下隨頻率的對比變化曲線。發(fā)射線圈與接收線圈距離改變的范圍取20～300 mm。圖7 中，實線代表系統(tǒng)中有AMC 結(jié)構(gòu)的加入，虛線代表系統(tǒng)中無AMC結(jié)構(gòu)的加入。

對于只有發(fā)射線圈和接收線圈的WPT 系統(tǒng)，因為兩個線圈都是諧振結(jié)構(gòu)，因此在改變距離遠近時耦合系數(shù)將會改變。在兩個線圈很近時，耦合系數(shù)比較大，因此耦合比較強烈，導(dǎo)致頻率劈裂現(xiàn)象比較嚴重，兩個被劈裂的諧振頻率相間較遠；隨著兩個線圈距離的增大，耦合系數(shù)在減小，因此耦合強度也在減弱，導(dǎo)致頻率劈裂現(xiàn)象相對削弱，兩個被劈裂的諧振頻率距離由遠變近；兩個線圈的距離繼續(xù)增大，耦合系數(shù)繼續(xù)減小，耦合強度繼續(xù)減弱，導(dǎo)致在兩個線圈距離為240 mm 時頻率劈裂現(xiàn)象消失，諧振頻率約為28 MHz；繼續(xù)增大兩個線圈的距離，在諧振頻率處，該WPT 系統(tǒng)的透射系數(shù)反而增大，在距離為280 mm 時，透射系數(shù)增大到最大值而后開始下降，這是由于系統(tǒng)在該距離下，雙線圈組成的諧振結(jié)構(gòu)在信號輸入端阻抗匹配達到了最優(yōu)化的原因?qū)е?，因為系統(tǒng)在輸入端，阻抗越匹配導(dǎo)致進入系統(tǒng)的能量越多，結(jié)構(gòu)的損耗是一定的，因此會導(dǎo)致輸出的能量更多一些，如圖8(a)、(b)和(c)虛線所示。

圖8 有無AMC結(jié)構(gòu)WPT系統(tǒng)S21隨距離變化的對比圖

對于加入AMC結(jié)構(gòu)的方環(huán)狀螺旋式雙線圈WPT系統(tǒng)，由于在發(fā)射線圈的另一端加入了AMC結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)射線圈在產(chǎn)生磁場往外散射時，部分近磁場能量被AMC 結(jié)構(gòu)所接收到，激發(fā)了AMC 結(jié)構(gòu)的表面諧振現(xiàn)象，同時AMC結(jié)構(gòu)還起到了磁屏蔽的作用，因此最終導(dǎo)致空間近磁場的重新分布和調(diào)控，接收線圈接收到的能量由此跟原來發(fā)生的巨大的變化，如圖8(a)、(b)和(c)實線所示。

從圖8(a)、(b)和(c)實線和虛線對比來看，在無AMC 結(jié)構(gòu)中，諧振頻率被劈裂的右峰被嚴重抑制，只剩左峰，而且隨著發(fā)射線圈和接收線圈距離的增大，左峰對應(yīng)的諧振頻率大小幾乎不變，即出現(xiàn)了頻率比較穩(wěn)定的現(xiàn)象。

根據(jù)以上仿真計算結(jié)果可以推斷，如果加入的AMC 結(jié)構(gòu)選取合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將會出現(xiàn)抑制頻率劈裂的左峰，即該WPT 系統(tǒng)可以任意調(diào)節(jié)和選取適中的諧振峰，且頻率穩(wěn)定。這種結(jié)果對無線能量傳輸?shù)膶嶋H應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文通過仿真計算研究了AMC 結(jié)構(gòu)對強耦合雙線圈WPT 系統(tǒng)頻率劈裂的抑制作用。研究結(jié)果表明，加入AMC 結(jié)構(gòu)的方環(huán)狀螺旋式雙線圈WPT 系統(tǒng)，可以起到抑制頻率劈裂的作用，且隨著發(fā)射線圈和接收線圈距離的變化，諧振頻率相對穩(wěn)定。同時，由于AMC 結(jié)構(gòu)位于發(fā)射端的一側(cè)，具有成本低廉和易于集成的優(yōu)點。該研究成果為無線能量傳輸技術(shù)中頻率劈裂的抑制問題提供了一種新的方法。