松耦合线圈的修正.PDF

鬆耦合線圈的 修正 Brian W. Flynn ，Kyriaki Fotopoulou 感應式近場無線功率傳輸（WPT ）正被廣 泛地用於諸如射頻識別（RFID ）和為醫療 植入體供電這樣的應用之中。它在任何一 個不希望有電池存在，隻需要少量功率的 應用中都是非常有用的。到目前為止，用 於鏈接的發射端（TX ）和接收端（RX ） 的線圈設計大都是根據經驗來進行的。為 了改進這種狀況，人們針對線圈不同的幾 何形狀研究了線圈錯位究竟是如何影響功 率傳輸效率的。這個研究既考慮了橫向錯 位，也考慮了角度錯位。結果得出了對於 兩個鬆耦合（lossly coupled ）線圈之間功 率傳輸的一套新型的解析表達式。這些表 達式是很容易進行計算的，並且可以用於 感應式耦合鏈接的設計來確定線圈在不同 錯位下的耦合度。這種方法將載流回路的 電磁理論與鬆耦合變壓器的電路原理相結 合。人們已經在2-10MHz 頻域中對大尺度 標准線圈進行了大量的實驗工作來驗証這 些表達式的准確性。 背景信息 在過去20 年間，隨著無源RFID 器件的出 現以及包含有電子器件的醫療植入體的使 用，人們對電能無線傳輸的興趣日益增高。 盡管這個興趣是最近才產生的，但這個論 題的起源可以追溯到由 Hertz[1] 和 Tesla[2]-[4]在無線電和電氣技術方面最早 所進行的開發工作。 Hertz 對以電磁波的 ___________________________________________________________ Brian W. Flynn (Brian.Flynn@ed.ac.uk) and Kyriaki Fotopoulou (korinna.fotopoulou@) are with the School of Engineering, University of Edinburgh, Edinburgh, U.K. 48 IEEE microwave magazine March/April 2013 形式來傳輸能量很感興趣，而 Tesla 則對用諧振 間的推移而移動。眼睛裡的植入體尤其如此。大 來傳輸能量情有獨鐘。對於 Tesla 這種情況，他 多數發表的對 WPT 進行分析的文章是基於線圈 感興趣的是，用無線方式來進行大規模的電能傳 的軸向對准的，這是達到最大功率傳輸的最佳位 輸以取代電力傳輸線。 置。一旦線圈偏離了軸向對准和角度對准，功率 電能的無線傳輸可以通過採用電磁波的定向 傳輸效率便會下降。這對於 WPT 系統的設計是 波束，通常採用波長在厘米范圍的微波能量的形 很有意義的，因為，實際線圈一般都是會偏離對 式，或者是在無線電頻譜的低頻（LF ）到高頻 准狀態的。本文的目的是要概述當線圈產生軸向 （HF ）區內通過磁場的感應耦合來完成的。這兩 移位並且彼此發生傾斜時，能夠准確地預測 WPT 者在不同的應用中都是很有用的。一般來說， 系統性能的一個相對簡單的方法。我們所採取的 WPT 不採用通過電場產生的容性耦合。當能量必 方法是，開發出能描述所遇問題的解析表達式， 須在幾十米、100 米或更長的距離上進行耦合時， 而無需借助於那些伴隨著繁重的運算成本的數字 定向能量器件便會非常有用。一般來說，這樣的 建模技術。 器件都涉及到相對較高的功率並且需要很笨重的 天線來獲得所要求的定向性。當傳輸距離與工作 WPT 的基礎知識 波長相比很短的時候，感應式