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基于螺旋天线的无线能量传输系统的设计 冯燕仿，陈伟健，李国雄，黄国钿，曾华清 （广东工业大学华立学院，广东 广州 511325）

【摘 要】无线能量传输系统由稳压电源、高频信号发生器、功率放大器、螺旋式发射天线和螺旋式接收天线五部分构成。功率放大器将高频信号发生器产生的5.68MHz信号放大后，通过螺旋式发射天线，以磁耦合共振的方式向螺旋式接收天线传送能量。螺旋天线属定向天线，发射的能量集中，有利于提高系统传输效率。系统工作于远区场，实现了能量的远距离传输。已成功实现在11m以外驱动红色发光二极管正常发光，系统功耗为1w。

【关键词】磁耦合共振；螺旋天线；无线传输 【中图分类号】TN823+.31 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2009)08-0024-02

其中UP为加在发射天线的等效交流电源，其频率为ω，传统的接触式能量传输系统主要通过导线进行能量传

RP和RS分别为发射天线和接收天线的等效内阻，LP和Ls分别输。在传输能量的过程中，由于插头与插座的接触摩擦而产

表示两个天线的电感量，M为互感系数，RL为红色发光二极生火花，这样在有些场所（如石油、化工企业）就很容易产

管的等效电阻。 生危险，甚至引起爆炸，对企业和人身造成重大伤害。有时， 对电路列KVL方程 需要对封闭容器内的传感器等电路供电，一般采用电池。然 而，电池的使用寿命毕竟有限，当电量耗尽时，将封闭容器

IPRP+IPjωLP+IP/(jωCP)?jωMIP=UP

（1） 打开更换电池是非常麻烦的事情，有时也是不允许的。在医 学方面，人体机器人因为体积小，其面临的最大的难题就是

ISRS+ISjωLS+IS/(jωCS)+ISRL=jωMIP能量供给问题。尤其是在太空研究方面，能量是一个大难题。 （2）

随着电力电子技术、电磁学理论、磁性材料的巨大发展，

该系统的工作频率应该是副边的谐振频率 利用电磁感应原理而发展起来的新型无接触供电技术已经在

ω=ω0=医学生物装置、小型电气充电设备、特殊环境工作下的移动 （3）

设备供电等等方面崭露头角。但这些装置都只能实现近距离的无线能量传输。鉴于这些情况，我们设计制作一个基于螺旋天线的无线能量传输系统，利用磁耦合共振原理实现了能量远距离、高效率的传输。

（一）无线能量系统传输的原理 当线圈处于变化的磁场中时，线圈中就会有感应电动势

产生，感应电动势的大小和线圈磁场变化的速率成正比。变压器就是基于这一原理工作的，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。一般的变压器的原边和副边由闭合铁心（或其他磁性材料）连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，不可分离。如图1所示。 图2 无线能量传输系统等效图

将其代入（1）式和（2）式中，经整理可得 IP= (RS+RL)UP

RS+RLRP+ω2M2 jωMUP

RS+RLRP+ω2M2 （4） （5）

IS=

由于存在着反射阻抗，即原边的电路电流会受副边的电路负载的影响，其反射阻抗的表示式为

图1 变压器结构图

本文提出的无线供电原理与变压器类似，但与一般变压器不同的是，它的原边和副边是分离的，没有任何物理上的连接接触，通过电磁场感应的基本原理，以辐射性谐振磁耦合的方式，将电能通过无线传送的方式传输给负载。

Zf= ?jωMIS =Rf+jXf IP （6）

它是副边回路反射到原边电路中的等效阻抗，其大小直接体现了系统传输有功功率的大小。由式（4）和（5）可计算出，当ω=ω0时，

Rf= ω2M2

RS+RL，Xf=0。

（二）无线能量传输系统效率分析

初步构想无线能量传输系统，可以等效为如图2的模型。

该系统的能量传输效率为副边负载上得到的功率和原边电源提供的功率之比，即为

【收稿日期】2009-05-13

【作者简介】冯燕仿（1981－），女，广东工业大学华立学院公共基础部助教，硕士，研究方向为无线能量传输系统的设计。 - 24 -

η= Rf×

RL Rf+RP RL+RS （7）

经计算可得 ω2M2R(2πf2 2η= L

0)MRLR22 =PRL+RS+ω0