【正文】 ）；增益隨頻率變化：≤。電路圖如圖43。設(shè)計(jì)中射頻功率放大器放大鏈采用三級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管,全部選用MOSFET。每級(jí)放大均采用AB類(lèi)功率放大模式,且均選用推挽式,以保證功率放大器模塊可以寬帶工作。考慮到供電電源通常使用正電壓比較方便,因此選用增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管。圖43 基于BLF175的功率放大器工作電路上圖各電子元件參數(shù)如下表42：表42 基于BLF175的功率放大電路電子元件參數(shù)元件參數(shù)元件參數(shù)C139pFC230nFCCC6100nFC510nFC7300nFC810F,63VC924pFL186nHL220HL4189nFR124ΩR21500ΩR310Ω由于該功率放大器使用時(shí)發(fā)熱較大，我們?cè)O(shè)計(jì)了大的散熱器，實(shí)物如圖44：圖44 基于BLF175射頻功率放大器實(shí)物圖通過(guò)該功率放大器，我們的實(shí)驗(yàn)中只需提供較小的功率，接收端就可得到我們需要的大功率。（1）發(fā)射電路和接收電路的諧振電感是由銅芯漆包線繞制的緊密圓柱單層螺旋線圈。如圖45所示：圖45 螺旋線圈實(shí)物圖電感的主要特性參數(shù)是電感量、分布電容和損耗電阻。線圈的總損耗電阻，包括直流電阻、高頻電阻、介質(zhì)損耗電阻等。其中直流電阻，指線圈對(duì)直流所具有的電阻；高頻電阻指高頻電流通過(guò)線圈導(dǎo)線時(shí)。因趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線的有效截面積減少，使導(dǎo)線電阻增大；介質(zhì)損耗電阻指絕緣漆包線或絲包線、線圈骨架等絕緣物在高頻下由于極化產(chǎn)生的損耗。線圈的匝與匝之間，導(dǎo)線與絕緣介質(zhì)之間能構(gòu)成分布電容。當(dāng)電感線圈工作于高頻時(shí)，線圈的有效電阻將不斷增加，主要由于產(chǎn)生了所謂趨膚效應(yīng)的作用，減小了導(dǎo)體的有效面積，從而增加了電阻。此外，當(dāng)導(dǎo)線繞制成線圈后，每匝導(dǎo)線又要受到相鄰各匝導(dǎo)線磁場(chǎng)的作用，因而使電流分布更不均勻，這種作用稱為鄰近效應(yīng)，其作用也使線圈的有效電阻增加；電感線圈中還有其它各種損耗等。分布電容的存在使線圈的電感、電阻增大、高頻電流的泄漏同時(shí)增大，線圈效率降低，線圈的穩(wěn)定性降低。電感線圈在高頻工作時(shí)表現(xiàn)為一并聯(lián)回路，如圖46。在實(shí)用中希望C和R愈小，L愈高愈好。圖46 電感線圈高頻運(yùn)用下的等效電路電容器的主要特性參數(shù)是電容量、工作電壓、電容器的損耗、絕緣電阻和溫度系數(shù)。電容器品質(zhì)的優(yōu)劣，主要決定于介質(zhì)損耗的大小；介質(zhì)的損耗包括極化損耗和漏導(dǎo)損耗。電容器工作在高頻時(shí)，首先表現(xiàn)為介質(zhì)損耗的增加和工作穩(wěn)定性變差。所以紙質(zhì)電容器和電解電容器不適于高頻電路。其次，一切電容器都有引線和接頭等引起的電阻，這部分電阻在高頻時(shí)因趨膚效應(yīng)顯著增大。第三，電容器本身還有固定電感，這個(gè)電感是由通過(guò)電容器的電流所產(chǎn)生的磁通而引起的；電感的大小與電容器的極板的引線、電容器金屬片的面積及引線的連接方式有關(guān)。電容器的等效電路如圖47所示，R為引線和接頭引起的電阻，L0為固定電感。當(dāng)頻率較低時(shí)，R和L0的影響很小，可忽略不計(jì)，電容器呈現(xiàn)電容的作用。當(dāng)頻率較高時(shí)，R的功率損耗遠(yuǎn)大于介質(zhì)損耗，所以Rf可忽略。 （a）實(shí)際等效 （b)高頻時(shí)等效電路圖47 電容等效電路在本文中，由于我們的頻率處在了120MHz的高頻段，故我們仿MIT實(shí)驗(yàn)組利用了線圈的分布電容，而沒(méi)有額外加薄膜電容。（2）在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要線圈的形狀適應(yīng)各種環(huán)境，所以我們針對(duì)一些窄小的實(shí)驗(yàn)裝置需要而設(shè)計(jì)了螺旋形線圈，實(shí)驗(yàn)證明該線圈任然具有良好的諧振效果，能較遠(yuǎn)的傳輸能量，實(shí)物如圖48：圖48 螺旋形線圈實(shí)物圖該螺旋形線圈內(nèi)徑290mm，外徑450mm，共8匝，本設(shè)計(jì)的線圈的電感和分布電容的大小可由下面的公式進(jìn)行計(jì)算： (41) (42) (43)式中N——線圈匝數(shù)；μ0=4π107（H/m）——真空磁導(dǎo)率；R——線圈半徑（m）；a——線圈導(dǎo)線半徑（m）；l——線圈長(zhǎng)度以fs、ft分別表示發(fā)射線圈和接收線圈的固有頻率，當(dāng)線圈的電感L和電容C確定以后，諧振電路的固有頻率可由公式43確定。通過(guò)計(jì)算可得線圈參數(shù)：，,。基于螺旋形線圈的外形，將來(lái)必然可以應(yīng)用到一些特殊場(chǎng)合，在實(shí)驗(yàn)的改良下，它的傳輸距離和效率將持續(xù)加強(qiáng)。接收線圈將與發(fā)射線圈耦合過(guò)來(lái)的能量直接耦合傳給負(fù)載端，此時(shí)負(fù)載端為高頻交流電，難以直接投入使用，一般需要將它轉(zhuǎn)換成直流或者工頻電才能更好的利用起來(lái)。所以在電能傳給負(fù)載使用前還得加一個(gè)整流調(diào)壓系統(tǒng)。本文按照功率和頻率等特征以及最大轉(zhuǎn)化效率，選擇肖特基二極管單相橋式以及DC/CD轉(zhuǎn)換模塊等器件設(shè)計(jì)整流調(diào)壓系統(tǒng)。具體電路圖如下41415：圖414 整流電路圖本文的整流環(huán)節(jié)使用的是單相橋式整流電路，電子元件用的是肖特基二極管。肖特基（Schottky）二極管，又稱肖特基勢(shì)壘二極管（簡(jiǎn)稱SBD），它屬一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件。最顯著的特點(diǎn)為反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒）。其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號(hào)檢波二極管使用。單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，在分析整流電路工作原理時(shí)，整流電路中的二極管是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)發(fā)射源傳輸?shù)碾妷簽檎也ㄐ螘r(shí)，接收線圈經(jīng)耦合產(chǎn)生電壓U1也為正弦波形，那么根據(jù)圖414的電路圖可知：當(dāng)U1為正半周時(shí)二極管VD1和VD3承受正向電壓導(dǎo)通，而VD2和VD4承受反向電壓并關(guān)斷，此時(shí)，輸出電壓U2則為正弦波的正半周。當(dāng)U1為負(fù)半周時(shí)二極管VD2和VD4承受正向電壓導(dǎo)通，而VD1和VD3承受反向電壓并關(guān)斷，輸出電壓U2則為正弦波的負(fù)半周。正負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓，這過(guò)程中，VD5起著在正反向交替時(shí)的續(xù)流作用。根據(jù)上圖所示可得輸出電壓U2的平均值： （44）上式中輸入電壓U1為正弦波有效值。經(jīng)過(guò)整流后的電能只是變成了直流電，電壓還不穩(wěn)定，對(duì)負(fù)載的使用不便，還需經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理，本文采用DC/DC轉(zhuǎn)換模塊將原直流電通過(guò)調(diào)整其PWM（占空比）來(lái)控制輸出的有效電壓的大小。如下圖415所示電路圖即可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電的調(diào)節(jié)作用：圖415 升降壓斬波電路圖根據(jù)v的通斷可得到輸出電壓： (45) 由上式可知，通過(guò)控制器對(duì)MOS管占空比的調(diào)節(jié)則可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)。本章為了研究磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的基本特性，設(shè)計(jì)了具體的實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：信號(hào)源、功率放大器、電磁發(fā)射與接收系統(tǒng)以及整流調(diào)壓系統(tǒng)等。首先對(duì)該系統(tǒng)從總體上進(jìn)行了介紹，給出了實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖及能量傳輸示意圖，從而進(jìn)一步說(shuō)明能量在各部分傳輸?shù)倪^(guò)程。然后根據(jù)本課題實(shí)驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)基于MAX038的信號(hào)發(fā)生器和基于BLF175的線性功率放大器，同時(shí)設(shè)計(jì)線性放大器的散熱器。接著依次對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。第五章 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)與結(jié)果本章將基于前文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路，研究磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)膸讉€(gè)基本特性。具體實(shí)驗(yàn)裝置包括：信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電磁發(fā)射與接收系統(tǒng)以及負(fù)載。負(fù)載是一個(gè)小功率的燈泡，實(shí)物圖如下：圖51 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程：信號(hào)發(fā)生器輸出電壓峰值為10V的正弦波形，功率放大器再將該信號(hào)進(jìn)行放大。電磁發(fā)射與接收系統(tǒng)采用參數(shù)相同的螺旋線圈，其中激勵(lì)線圈和負(fù)載線圈為單匝，其電感量大小為1181。H，負(fù)載燈泡功率為15W。能量經(jīng)發(fā)射與接收線圈耦合傳給負(fù)載，將燈泡點(diǎn)亮。首先保持系統(tǒng)諧振頻率（）固定不變，由遠(yuǎn)及近水平的改變發(fā)射與接收線圈之間的軸向距離，下圖為兩線圈相距20cm時(shí)諧振頻率下示波器捕捉到的發(fā)射與接收端電壓波形，能量傳輸成功，可繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。記錄幾組不同軸向距離下發(fā)射與接收兩側(cè)的電流、電壓以及功率等數(shù)據(jù)。 (a)發(fā)射端 （b）接收端圖52 電壓波形圖對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，可得圖53所示的頻率固定的效率距離曲線。由該圖可知：電能傳輸效率隨著發(fā)射與接收線圈之間距離的增大先是增大然后減小，在距離為28cm的位置傳輸效率最大，達(dá)到80%。因此在諧振頻率不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的傳輸效率并不一定一直保持最大值，而是在臨界耦合（28cm）處最大。圖53 傳輸距離傳輸效率曲線圖其次，由近及遠(yuǎn)的改變發(fā)射與接收線圈的軸向距離，同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率使系統(tǒng)傳輸效率在每個(gè)距離都處于最大值，記錄下每個(gè)距離對(duì)應(yīng)的輸出頻率值，并作出此種情況下的傳輸距離與頻率的關(guān)系曲線圖，合并到圖53中。由曲線可知：距離還沒(méi)超過(guò)臨界耦合距離時(shí)，即使效率隨著距離的增大耦合因數(shù)變小而發(fā)生變化，但這變化并不大，當(dāng)距離過(guò)了臨界耦合點(diǎn)時(shí)，即使頻率自適應(yīng)的發(fā)生調(diào)節(jié)，傳輸效率還是會(huì)迅速下降。因此，系統(tǒng)傳能效率最大時(shí)的距離就是臨界耦合處的距離，該點(diǎn)所在即決定了本系統(tǒng)的電能有效傳輸范圍。保持系統(tǒng)諧振頻率固定不變的情況下，當(dāng)發(fā)射與接收線圈之間距離小于臨界值時(shí)，由上圖可知，效率在迅速減小，導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是存在頻率分裂。對(duì)比圖53中頻率跟蹤與不跟蹤的兩種情況，可知頻率跟蹤在強(qiáng)耦合區(qū)能提高傳輸效率，這也證明在欠耦合區(qū)沒(méi)有頻率分裂現(xiàn)象。最后，為了驗(yàn)證頻率分裂現(xiàn)象，在本小節(jié)上述的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，即由近及遠(yuǎn)的改變發(fā)射與接收線圈的軸向距離，同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率使系統(tǒng)傳輸效率在每個(gè)距離都處于最大值，可得到如下圖54所示的最大傳輸效率工作頻率距離的曲線：從下圖54中可知：發(fā)射與接收線圈之間距離慢慢的減小，耦合因數(shù)在不斷增大，當(dāng)距離為臨界耦合值時(shí)，頻率分裂現(xiàn)象才開(kāi)始出現(xiàn)，而且隨著距離的減小而逐漸增大。通過(guò)對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線傳能系統(tǒng)的頻率特性的分析，得出了頻率分裂現(xiàn)象的規(guī)律和前提，那就是頻率分裂現(xiàn)象僅在強(qiáng)耦合區(qū)存在，并且當(dāng)發(fā)射與接收線圈參數(shù)完全一致時(shí)，分裂對(duì)稱。頻率分裂的特性有利于頻率跟蹤技術(shù)的發(fā)展，可進(jìn)一步提高無(wú)線傳能系統(tǒng)的效率。圖54 最大傳輸效率時(shí)頻率距離曲線距離特性主要包括軸向距離特性和徑向距離特性，其中軸向距離與傳輸效率的關(guān)系在上節(jié)中已經(jīng)得到驗(yàn)證，本節(jié)主要是關(guān)于徑向距離的變化對(duì)接收電壓的影響。在諧振頻率不變時(shí)，將發(fā)射與接收線圈之間保持某一軸向距離不變，同軸放置，豎直的由小到大改變兩者之間的徑向距離，記錄負(fù)載端接收電壓的數(shù)值，如下表51：表51 水平距離為20cm時(shí)徑向距離特性實(shí)驗(yàn)徑向距離/CM接收電壓/V（頻率固定）接收電壓/V（頻率跟蹤）徑向距離/CM接收電壓/V（頻率固定）接收電壓/V（頻率跟蹤）0225019325622051365020544250205246502054505010245428507612255431423814285234303216305220201830521414并得到徑向距離接收電壓曲線圖55，此時(shí)的軸向距離為20cm，在強(qiáng)耦合區(qū)內(nèi)，由圖55可知：強(qiáng)耦合范圍內(nèi)傳能時(shí)，如果諧振頻率不變，接收電壓將隨著徑向距離的增大先是增大然后再減小，在距離28cm處達(dá)到最大。如果保持諧振頻率自適應(yīng)的跟蹤徑向距離的變化使得任意位置處都可使負(fù)載接收到最大電壓，徑向距離小于28cm時(shí)，接收電壓最大值維持不變，但徑向距離一超過(guò)28cm接收電壓的最大值就迅速下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，跟軸向距離類(lèi)似，徑向距離增大耦合系數(shù)減小，系統(tǒng)逐漸由強(qiáng)耦合過(guò)度到臨界耦合，傳輸效率也在逐漸減小。圖55 強(qiáng)耦合徑向距離接收電壓曲線接下來(lái)驗(yàn)證臨界耦合時(shí)的情況。將軸向距離增大到系統(tǒng)處于臨界耦合狀態(tài)處即28cm，在固有諧振頻率和頻率跟蹤兩種情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄兩組接收電壓數(shù)據(jù)，得到圖56：圖56 臨界耦合徑向距離接收電壓曲線上圖清楚的表明了：線圈軸向距離處于臨界耦合處時(shí)，無(wú)論是否進(jìn)行頻率跟蹤技術(shù)，接收電壓都隨著徑向距離的增大迅速減小，接收電壓達(dá)到最大值時(shí)徑向距離為22cm。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明徑向距離增大耦合系數(shù)減小，系統(tǒng)由臨界耦合狀態(tài)進(jìn)入欠耦合狀態(tài)。最后驗(yàn)證兩線圈平面水平距離為50cm時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)正處于欠耦合范圍內(nèi)的徑向距離特性，記錄頻率固定和頻率跟蹤兩種情況下的接收電壓數(shù)值，同理可得到如圖57所示的徑向距離接收電壓曲線圖：圖57 欠耦合徑向距離接收電壓曲線圖57表明：發(fā)射與接收線圈軸向距離處于欠耦合狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是否進(jìn)行頻率自適應(yīng)跟蹤技術(shù)，接收電壓都隨著徑向距離的增大迅速減小，接收電壓達(dá)到最大值時(shí)徑向距離最小。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明徑向距離增大耦合系數(shù)減小，接收電壓迅速減小。軸向距離特性跟徑向距離特性基本類(lèi)似，都是通過(guò)改變距離使耦合系數(shù)發(fā)生變化，從而改變系統(tǒng)的耦合狀態(tài)，進(jìn)而改變傳輸效率，下圖58為在有效傳輸距離內(nèi)將燈泡點(diǎn)亮。 （a）軸向距離特性 （b）徑向距離特性圖58 距離特性實(shí)驗(yàn)本小節(jié)和上節(jié)內(nèi)容類(lèi)似，發(fā)射與接收線圈在不同位置（強(qiáng)耦合、臨界耦合和欠耦合三個(gè)狀態(tài)時(shí)的位置）但是同軸放置時(shí)，研究?jī)删€圈發(fā)生角度發(fā)生變化對(duì)接收電壓的影響。強(qiáng)耦合狀態(tài)時(shí)，首先保持諧振頻率不變，以接收線圈的某一點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，每隔10176。記錄接受電壓數(shù)值。得到方向接收電壓曲線圖。再利用