人工磁导体对无线能量传输空间场的调控*

石泰峡 董丽娟† 陈永强 刘艳红 刘丽想 石云龙

1) (山西大同大学固体物理研究所,大同 037009)

2) (微结构电磁功能材料省市共建山西省重点实验室,大同 037009)

3) (苏州科技大学数理学院,苏州 215009)

为了提高无线能量传输系统的传输效率,将正六边形人工磁导体结构引入非共振双线圈无线能量传输系统中,展开对空间场调控的研究.研究结果发现,在人工磁导体介入非共振双线圈无线能量传输系统后,在发射线圈和接收线圈之间的电磁场发生了变化,这是由于近磁场激发了人工磁导体的多个谐振模式,同时人工磁导体屏蔽了磁场也对空间场的变化有所贡献.空间场的变化实现了传输效率的提升,在工作频率为27 MHz、传输距离为3 cm时,实验验证传输效率提高了22%.另外,该系统中人工磁导体多个谐振模式的激发,可以为无线能量传输系统提供多模式和可便捷调频的工作频率.在实际应用中,人工磁导体成本较低,且易于实现.

1 引 言

家居、城市、交通和太空智能等物联网器件[1]的在线,需要灵活实时的能量供应,这类能量供应的需求迅速增加和扩大了对无线能量传输(wireless power transfer,WPT)技术的应用需求和范围.例如,无线充电技术[2]已经被应用在生物医学植入[3]、消费电子产品[4]、电动汽车[5]、无线传感器网络[6]等领域.

1914年,Tesla[7]提出WPT的最初设想;1963年,Brown[8]实现了微波远场的WPT;2007年,Kurs等[9]验证了磁谐振耦合感应式WPT,其可以适用于近距离和中距离的能量传输;随后有多种谐振子和传输路径设计方案被用来提高WPT的传输效率[10].2011年,Wang等[11]将人工微结构材料引入WPT系统中,利用超材料(metamaterials)构造的特异表面结构放置在发射线圈和接收线圈的中间,放大电磁场传输过程中的倏逝波,从而增强了WPT系统的传输效率.为了提高WPT的传输效率,有多种微结构材料被应用在WPT系统[12−17],进行近电磁场调控.

人工磁导体(artificial magnetic conductors,AMC)是由人工设计的特异表面结构[18−24],通过覆铜板刻蚀后实现,同时也是一种高阻抗表面结构.该结构被应用于天线,由于高阻抗表面有抑制表面波和零相位反射的性质,很大程度地提高了天线的方向增益性,同时有利于天线体积微型化[22−24].2013年,Wu等[25]提出将理想磁导体作为反射面用在WPT系统中,仿真计算得到了传输效率增强的结果.2015年,Lawson等[26]将加载了电容的AMC应用于磁感应式WPT系统中,证实AMC结构具有电磁屏蔽的效果.

本文将加载贴片电容的正六边形AMC结构引入到WPT系统中,通过仿真和实验相结合的方式,研究了WPT的传输效率,得到了效率增强的结果,并从物理上解释其原因.相较于文献[25,26],我们不仅在实验上验证了效率的提升,同时分析了引入AMC结构后空间电磁场的变化,找到了WPT效率增强的物理原因.

2 结构设计

文中采用的WPT系统结构设计如图1(a)所示,从上而下依次是接收线圈、发射线圈和AMC,两个线圈的直径相同,且AMC的表面与线圈平行放置.线圈的线直径是2 mm,环直径是150 mm.AMC结构属于蘑菇型结构,是由介质基板上周期排列的正六边形小贴片组成,每个小贴片在其中心均通过镀铜过孔接地,并在相邻单元的间隙焊接贴片电容.取横向周期数为8,在倾斜方向取两个单元为一个复式单元,在纵向此复式单元的周期数为5;正六边形铜贴片的边长为20 mm,相邻贴片间的缝隙宽度为1 mm;贴片电容的电容值均为4.7 nF;镀铜过孔直径是1 mm;电路板(printed circuit board,PCB)所用介质为介电常数4.4的FR4,厚度为3 mm,如图1(b)所示.这里需要强调一点,PCB介质的介电常数对该结构在此应用的性能影响很小,所以可以选择成本最低的材料.

图1 (a) WPT结构示意图;(b) AMC单元结构示意图Fig.1.(a) Schematic of the WPT structure;(b) schematic of the AMC unit cell structure.

从图1(a)还可以看到,AMC结构放置在发射线圈的一侧,而接收线圈则被安排在另一侧,这样放置的好处在于可以把发射线圈和AMC结构集成在一起,而发射线圈和接收线圈中间没有任何遮挡物,这样的结构在实际产品中比较容易实现.

3 仿真计算

仿真软件采用基于时域有限差分法的CST MWS (computer simulation technology microwave studio)三维电磁仿真软件.发射线圈的开口处为离散源端口,接收线圈的开口处为离散负载端口.当离散源端口通电,发射线圈会产生磁场,其中一部分磁场能量由于电磁感应被接收线圈所接收,另一部分磁场能量作用于发射线圈一侧的AMC结构.AMC结构中横纵方向都有多个单元,每个单元由介质、贴片电容、铜片、镀铜孔和底铜构成,如图2所示,其中贴片电容的电容值为C,连接贴片与接地板的过孔则提供等效电感L,这样每个单元就形成了LC等效电路,即每个单元相当于一个谐振子.由于AMC并非无限大,导致它的不同位置谐振子的谐振频率略有差别,部分谐振频率相同的谐振子则有能级分裂的情况,同时各谐振子之间会相互耦合,最终导致AMC整体结构有多个共振频率和多种耦合模式.

图2 AMC结构的等效电路模型Fig.2.Equivalent circuit model of the AMC structure.

图3和图4均为仿真结果图,实线对应有AMC结构,点划线对应无AMC结构.图3给出了发射线圈和接收线圈在有AMC结构和无AMC结构时效率曲线变化情况的对比图,其中对应的发射线圈和接收线圈之间距离为30 mm.从图3可以看到,共振频率27.67 MHz处出现了最高峰值,S21达到了60%,与无AMC结构时的S21相比提高了40%.图4给出了发射线圈和接收线圈在有AMC结构和无AMC结构时S21随距离变化的情况,可以看到,有AMC结构时的S21比无AMC结构时的S21整体都提高了40%左右,在发射线圈和接收线圈距离10 mm处,S21达到了74%.另外,从图3还可以看到,由于近磁场激发了AMC结构中的多个谐振模式,所以出现了多个峰值.因此,加入AMC结构的WPT系统,可以进行多频率能量传输.同时,AMC结构中的谐振频率可以通过结构参数来调节,主要由贴片电容的容值、相邻贴片的缝隙宽度、镀铜孔的高度决定,其中贴片电容的容值是对谐振频率影响最大的参数,其他参数则可以进行微调.

图3 仿真的效率图Fig.3.S21 plot from the simulation.

图4 仿真效率随距离的变化Fig.4.S21 as a function of distance from the coil obtained from the simulation.

为了更好地说明效率提升的物理原因,图5(a)－(e) 5幅图分别给出了图3中标注的5个峰所对应频率的磁场侧面分布图,图5(f)给出了无AMC结构时磁场侧面分布图.从图5(f)可以看到,非共振双线圈WPT系统中,无AMC结构时,能量有很大一部分分布在发射线圈的另一侧,到达接收线圈的能量很有限.然而,当加入AMC结构时,近磁场不同程度地被该结构屏蔽,但是磁场屏蔽并不是传输效率提升的根本原因,而是由于AMC结构使附近空间的磁场分布发生了变化,如图5(a)和图5(f)所示.从图5(a)－(e)还可以看到,对应不同的共振频率处,对近磁场的屏蔽程度不同,而且5个模式分布对应着正六边形AMC结构的不同阶模式,所以传输效率不同.值得一提的是,AMC结构有屏蔽MHz频段磁场的功能,而传统磁材料一般低于1 MHz,且现有的MHz磁屏蔽材料造价昂贵.

图5 (a)−(e)分别对应图3中的5个共振频率处的磁场侧面分布图;(f)对应无AMC结构时磁场侧面的分布图Fig.5.(a)−(e) Side distribution of the magnetic field associ−ated with the five resonance frequencies shown in Figure 3;(f) the side distribution of the magnetic field in the absence of an AMC structure.

4 实验结果

实验配置如图6所示,实验测试所用仪器为矢量网络分析仪,型号为Keysight E5063A,发射和接收的线圈用漆包圆铜线制成,线圈端口焊接SMA头,然后通过同轴线连接到矢量网络分析仪.

图6 实验配置图Fig.6.Experimental configuration.

图7和图8均为实验结果图,实线对应有AMC结构,虚线对应无AMC结构.图7给出了发射线圈和接收线圈在有AMC结构和无AMC结构时曲线变化情况的对比图,其中发射线圈和接收线圈之间距离为30 mm.从图7可以看到,共振频率27 MHz处出现了最高峰值,S21达到了39%,与无AMC结构时的S21相比提高了22%.图8给出了发射线圈和接收线圈在有AMC结构和无AMC结构时S21随距离变化的情况,可以看到,有AMC结构时的S21比无AMC结构时的S21整体都提高了25%左右,在发射线圈和接收线圈距离10 mm处,S21达到了56%.另外,从图7也可以看到出现了多个峰值;与图3相比其峰值数量减少,第2个和第3个峰融合;30－35 MHz内,峰的数量大量减少,曲线走势趋于平缓.

图7 实验的传输效率图Fig.7.S21 plot from the coil obtained from the experiments.

图8 实验效率随距离的变化Fig.8.Change in S21 as a function of distance from the coil obtained from the experiments.

实验仿真所用AMC的单元较多,同时各谐振单元之间会相互耦合,从而会存在多个谐振频率.实验中峰的个数减少主要是因为焊接贴片电容时产生的串联电阻,串联电阻会影响各谐振单元之间的耦合,导致一些峰值大幅降低甚至消失,峰值最受影响的是AMC边角位置数量较少的谐振单元对应的频率较高的模式.对CST仿真计入损耗进行修正,在加载AMC的WPT的系统中,给AMC中的每个贴片电容串联一个电阻,当电阻值较小时,可以得到S21峰的数量减少、峰值降低的结果,当电阻值较大时,AMC的作用将会消失.加电阻进行修正的仿真结果如图9所示,当加载电阻为0.01 Ω时,其S21曲线与实验所得S21曲线非常相近;当加载电阻为3 Ω时,AMC的作用不再显现.

图9 贴片电容与电阻串联时的仿真效率Fig.9.S21 plot from the simulation of each chip capacitor with a resistor in series.

5 结 论

本文通过仿真和实验手段研究了AMC结构应用在WPT系统中的效率增强特性.研究结果表明,由于AMC结构的介入,多个谐振模式被激发,同时达到磁屏蔽效果,得到了效率增强的多模式工作方式.AMC结构的共振频率,可以通过贴片电容的电容值来调节,工作频率范围可以根据需求去设置.同时,由于AMC结构处于发射端的一侧,比附加结构在发射端和接收端中间的情况更容易实现.