CN108008222B - 一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法 - Google Patents

一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法，该装置包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。本发明能够实现测量设备与待测谐振器之间的隔离，测量结果稳定且其方法拟合精度高，估计得到的耦合谐振器参数更加准确。

Description

一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输或无线输电技术的领域，尤其是指一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法。
背景技术
中长距离大功率无线电能传输***主要通过发射线圈与接收线圈耦合产生的电磁场进行电能传输。发射线圈与发射端谐振电容组成发射端谐振器，接收线圈与接收端谐振电容组成接收端谐振器，当发射端谐振器的谐振频率与接收端谐振频率一致时，发射端谐振器与接收端谐振器进行完全能量传递。对于磁谐振式无线电能传输***，***的工作频率与两谐振器的谐振频率一致，在特定的传输距离下，***的极限效率由发射线圈和接收线圈之间的耦合系数和两谐振器固有品质因数的乘积决定，这一乘积越大，***能达到的效率越高；对于基于宇称-时间对称的无线输电***，接收端谐振器的有载品质因数决定了***稳定传输的临界传输距离，临界传输距离下发射线圈和接收线圈之间的耦合系数与谐振器的固有品质因数决定了***的稳定传输下的极限效率。因此，准确提取谐振器的谐振频率，品质因数和谐振器间的耦合耦合系数对于无线输电***的设计具有重要实际意义。
目前耦合谐振器参数主要采用网络矢量分析仪或阻抗分析仪等测量设备直接测量。当谐振器谐振频率达到几兆至十几兆赫兹时，采用这种直接测量方法带来以下问题：一是线圈对于周围环境十分敏感，线圈的分布电容引起测量结果不稳定，当线圈位置移动、环境改变或连接配件发生变化时，阻抗测量设备的测量结果变化显著。二是谐振频率附近阻抗波动范围大，对测量结果引入较大的测量误差。对于线圈与谐振电容组成串联谐振回路的谐振器，测量阻抗在几欧姆(谐振频率处)到上千欧姆(偏离谐振频率)之间变化，对于线圈与谐振电容组成并联谐振回路的谐振器，测量阻抗则在上千欧姆(谐振频率处)到几百欧姆(偏离谐振频率)波动。特别地，对于高品质因谐振器，上述变化发生在极窄的频带内。三是阻抗测量设备精确测量的阻抗范围有限。对于矢量网络分析仪，被测阻抗限定为5～500欧姆；对于精密阻抗分析仪，以英国稳科电子仪器的6500B为例，当测量频率达到1MHz以上时，被测阻抗不应超过5000欧姆。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种高品质因数耦合谐振器参数提取装置及其提取方法，适用于无线电能传输***，能够实现测量设备与被测对象的隔离，具有测量稳定、参数提取精度高和适用性广等优点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种耦合谐振器参数提取装置，包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；所述发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；所述探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；所述发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。
所述散射参数测量装置测量探测线圈一端口不少于1600个数据点的输入反射系数，测量频率范围的中心频率为谐振器预估的谐振频率。
所述探测线圈的电感小于待测谐振器等效电感一个数量级，且能够根据散射参数测量装置显示的输入反射系数幅值调整探测线圈与待测谐振器之间的探测距离。
所述发射端谐振器按照无线电能传输***设计要求作为能量发射端，发射线圈与发射端谐振电容组成串联谐振电路，或者发射线圈与发射端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用发射线圈寄生电容为发射端谐振电容，与发射线圈组成自谐振回路。
所述接收端谐振器按照无线电能传输***设计要求作为能量接收端，接收线圈与接收端谐振电容组成串联谐振电路，或者接收线圈与接收端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用接收线圈寄生电容为接收端谐振电容，与接收线圈组成自谐振回路。
所述发射端谐振器和接收端谐振器的品质因数均不小于100。
上述的耦合谐振器参数提取装置的提取方法，具体如下：
利用探测线圈和发射线圈经电磁场耦合测得的输入反射系数数据，在Smith圆图上拟合估计发射端谐振器的谐振频率和品质因数；
利用探测线圈和接收线圈经电磁场耦合测得的输入反射系数数据，在Smith圆图上拟合估计接收端谐振器的谐振频率和品质因数；
在特定传输距离下，探测线圈与发射线圈经电磁场耦合，发射线圈与接收线圈经电磁场耦合，利用测得的输入反射系数数据在Smith圆图上拟合估计发射端谐振器与接收端谐振器之间的耦合系数。
上述的高品质因数耦合谐振器的参数提取装置的提取方法，可以根据谐振频率附近测量的不少于1600个输入反射系数数据，利用精度在3％以内的拟合算法，得到耦合谐振器参数的准确值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、通过采用探测线圈实现了测量装置与待测谐振器的隔离，最大限度地消除了谐振器分布参数和测量配件对测量结果的影响。
2、待测谐振器的阻抗以反射阻抗形式计入到测量端口的输入阻抗中，阻抗频谱由直接测量的“高瘦”型变为“矮胖”型，减小了测量误差。
3、通过调整探测线圈与发射线圈或接收线圈，限定输入阻抗始终处于测量装置高精度测量区间，减少了测量成本。
4、通过调整拟合算法，提高了耦合谐振器参数提取精度，使得结果更加准确。
附图说明
图1为本发明参数提取装置的结构示意图。
图2为本发明提取串联型谐振器谐振频率和品质因数的等效电路图。
图3为本发明提取发射端谐振器和接收端谐振器之间耦合系数的等效电路图。
图4为探测线圈端口输入阻抗在复平面的曲线。
图5为探测线圈端口输入反射系数在Smith圆图上的曲线。
图6为发射端谐振器和接收端谐振器发生强耦合时输入阻抗在复平面的曲线以及输入反射系数在Smith圆图上的曲线。
图7为发射端谐振器和接收端谐振器发生弱耦合时输入阻抗在复平面的曲线以及输入反射系数在Smith圆图上的曲线。
图8为发射端谐振器和接收端谐振器发生强耦合转向弱耦合中输入阻抗在复平面的曲线以及输入反射系数在Smith圆图上的曲线。
具体实施方案
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实施例所提供的耦合谐振器参数提取装置，包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；所述发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；所述探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；所述发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。所述散射参数测量装置测量探测线圈一端口不少于1600个数据点的输入反射系数，测量频率范围的中心频率为谐振器预估的谐振频率。探测线圈的电感小于待测谐振器等效电感一个数量级，可根据散射参数测量装置显示的输入反射系数幅值调整探测线圈与待测谐振器之间的探测距离。所述发射端谐振器按照无线电能传输***设计要求作为能量发射端，发射线圈与发射端谐振电容组成串联谐振电路，或者发射线圈与发射端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用发射线圈寄生电容为发射端谐振电容，与发射线圈组成自谐振回路。所述接收端谐振器按照无线电能传输***设计要求作为能量接收端，接收线圈与接收端谐振电容组成串联谐振电路，或者接收线圈与接收端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用接收线圈寄生电容为接收端谐振电容，与接收线圈组成自谐振回路。所述发射端谐振器和接收端谐振器的品质因数均不小于100。
如图2所示，为本发明提取串联型谐振器谐振频率和品质因数的示意图，谐振器可为发射端谐振器或者接收端谐振器，以下结合图2说明本发明的工作原理和参数提取方法。图2中，散射系数测量装置等效为内阻值为50欧姆Z0的正弦交流电源uS，探测线圈等效为电感Le与电阻Re串联，串联型谐振器等效为电感L0、电容C0与电阻R0的串联谐振回路，Me0表示探测线圈与待测谐振器线圈之间的耦合，则可以得到等效输入阻抗Zin为：
Figure SMS_1
其中ωk为散射参数测量装置测量的频率点，
Figure SMS_2
为谐振器的谐振角频率。谐振器的品质因数Q0可表示为Q0＝ω0L0/R0，令δk＝(ωk-ω0)/ω0表征失谐程度，则输入阻抗Zin可表示为：
Figure SMS_3
其中Rref0＝(ω0Me0)2/R0，
Figure SMS_4
上述表达式中1/(1+j2δkQ0Dk)对于δk小区间变化为快变量，在复平面上表示为一个闭合的圆，而1+δk项为缓变量。因此，对于Zin0＝Re+jω0Le+Rref0/(1+j2δkQ0Dk)在复平面表示为一个闭合的圆，jω0δkLe项的存在使得这个闭合的圆歪曲变形。以待测谐振器谐振频率f0＝1MHz，等效电感L0＝90μH，等效电阻R0＝2.827Ω(品质因数Q0＝200)为例，选取探测线圈参数为：Le＝3μH，Re待定(小于1Ω的值)，则在fk∈[0.8,1.2]MHz的频率范围内输入阻抗的变化如图4中的实线所示，图4中箭头方向为频率增大的方向，输入阻抗在复平面的交叉点对应的频率分别为：f3＝966.52kHz，f4＝1.037MHz。对于输入阻抗Zin闭合圆上的点，失谐量δk均小于0.04，则Dk≈1。因此，输入阻抗Zin可由近似的输入阻抗Zina估计，如图4中的点划线所示，Zin与Zina基本重合，近似的输入阻抗Zina表示为：
Figure SMS_5
输入阻抗Zina等效的输入反射系数表示为：
Figure SMS_6
其中Z0＝50Ω(1)
由输入阻抗Zina的表达式可知，表达式前两项为关于δk的缓变量，第三项为关于δk的快变量，令ZS＝Re+jω0(1+δk)Le，
Figure SMS_7
则输入反射***为：
Figure SMS_8
令
Figure SMS_9
则有：
Figure SMS_10
令
Figure SMS_11
忽略δk对缓变量(ZS+Z0)的影响，则：
Figure SMS_12
Figure SMS_13
定义δL＝δk-δC和QL使得
Figure SMS_14
可表示为以下标准形式：
Figure SMS_15
则δC和QL满足：
Figure SMS_16
Figure SMS_17
解得：
Figure SMS_18
Figure SMS_19
此时，忽略δk对缓变量ΓD的影响，
Figure SMS_20
为一定值，则有：
Figure SMS_21
其中γ＝-2arctanQe，
Figure SMS_22
Figure SMS_23
由(2)可知输入反射系数在Smith圆图的极坐标下为一个闭合圆，如图5所示。探测线圈的电感值Le和电阻值Re很小，满足Qe＜＜1，则
Figure SMS_24
因此，利用散射参数测量装置得到的输入反射系数数据点，采用拟合算法对表达式(2)进行拟合，可以得到ρ、d和QL的值，拟合算法精度控制在3％以内，此时谐振器的品质因数可由下式得到：
Figure SMS_25
对输入反射***通过映射(1)绘出图4，圆最右侧点对应的频率即为谐振器的谐振频率f0。
如图3所示，为本发明提取谐振器之间耦合系数的示意图，以下结合图3说明本发明的工作原理和参数提取方法。第一谐振器等效为电感L1、电容C1与电阻R1的串联谐振回路，第二谐振器等效为电感L1、电容C1与电阻R1的串联谐振回路，Me1表示探测线圈与待测第一谐振器线圈之间的耦合，M12表示待测第一谐振器与第二谐振器之间的电磁耦合，则可以得到输入阻抗Zin为：
Figure SMS_26
当无线电能传输***进行高效电能传输时，谐振器通常满足完全能量传递条件，即发射端谐振器的谐振角频率
Figure SMS_27
与接收端谐振器的谐振角频率/>
Figure SMS_28
相等。令两个谐振器的谐振角频率均为ω0，发射端谐振器的品质因数Q1表示为Q1＝ω0L1/R1，接收端谐振器的品质因数Q2表示为Q2＝ω0L2/R2，失谐度表示为δk＝(ωk-ω0)/ω0，则输入阻抗Zin可进一步表示为：
Figure SMS_29
其中Rref0＝(ω0Me1)2/R1，
Figure SMS_30
上式中ω0、Q1和Q2由具体实施例一确定。由耦合谐振器的特性可知，当谐振器之间的耦合超过临界值时，耦合谐振值将出现两个特征频率，输入阻抗在复平面上表现为两个闭合的圆，如图6所示；当谐振器之间的耦合很小时，耦合谐振器的两个特征频率相差极小，近似等于谐振频率，此时输入阻抗在复平面上表现为一个闭合的圆，如图7所示；临界耦合系数附近存在由两个闭合的圆向一个闭合圆转变的过渡过程，如图8所示。
对于基于宇称-时间对称的无线输电***，满足Q1＝Q2＝Q0，由于δk＜＜1，作近似Dk≈1，则输入阻抗可进一步简化为：
Figure SMS_31
其中
Figure SMS_32
由上式组成可知，符合图6至8所描述的耦合谐振器特性。
对于强耦合的谐振器耦合系数可根据两个闭合圆临界点对应的固有谐振频率f01、f02求得，即满足
Figure SMS_33
即在谐振频率点f01、f02附近近似满足δ′1k＝0，δ′2k＝0。此时耦合系数可由下式计算得到：
Figure SMS_34
当k12≈0时，如图7所示，此时两个固有频率合并为一个谐振频率f0，此时利用闭合圆的交叉点对应的频率求解弱耦合谐振器之间的耦合系数。
输入阻抗Zin对应的实部为：
Figure SMS_35
输入阻抗Zin对应的虚部为：
Figure SMS_36
对于频率f′3,4对应的交叉点满足
Figure SMS_37
Figure SMS_38
即对于交叉点有：
Figure SMS_39
Figure SMS_40
则由(3)可求得耦合系数k12的准确值，耦合系数k12也可由下式近似得到：
Figure SMS_41
即：/>
Figure SMS_42
由上述具体实施可知，本发明的参数提取装置与方法与现有的直接测量方法存在很大的差异，具有测量稳定、参数提取精度高和适用性广等优点，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；所述发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；所述探测线圈在预设的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；所述发射线圈在预设的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。
2.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述散射参数测量装置测量探测线圈一端口不少于1600个数据点的输入反射系数，测量频率范围的中心频率为谐振器预估的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述探测线圈的电感小于待测谐振器等效电感一个数量级，且能够根据散射参数测量装置显示的输入反射系数幅值调整探测线圈与待测谐振器之间的探测距离。
4.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述发射端谐振器按照无线电能传输***设计要求作为能量发射端，发射线圈与发射端谐振电容组成串联谐振电路，或者发射线圈与发射端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用发射线圈寄生电容为发射端谐振电容，与发射线圈组成自谐振回路。
5.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述接收端谐振器按照无线电能传输***设计要求作为能量接收端，接收线圈与接收端谐振电容组成串联谐振电路，或者接收线圈与接收端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用接收线圈寄生电容为接收端谐振电容，与接收线圈组成自谐振回路。
6.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述发射端谐振器和接收端谐振器的品质因数均不小于100。
7.一种权利要求1所述耦合谐振器参数提取装置的提取方法，其特征在于：
利用探测线圈和发射线圈经电磁场耦合测得的输入反射系数数据，在Smith圆图上拟合估计发射端谐振器的谐振频率和品质因数；
利用探测线圈和接收线圈经电磁场耦合测得的输入反射系数数据，在Smith圆图上拟合估计接收端谐振器的谐振频率和品质因数；
在预设的传输距离下，探测线圈与发射线圈经电磁场耦合，发射线圈与接收线圈经电磁场耦合，利用测得的输入反射系数数据在Smith圆图上拟合估计发射端谐振器与接收端谐振器之间的耦合系数。
8.根据权利要求7所述的一种耦合谐振器参数提取装置的提取方法，其特征在于：根据谐振频率附近测量的不少于1600个输入反射系数数据，利用精度在3％以内的拟合算法，得到耦合谐振器参数的准确值。
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