CN218386957U - 一种能量信号同传***及设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型一个或多个实施例中提供了一种能量信号同传***及设备，该***在传递能量和信号时，有不同的等效结构。具体的，该能量信号同传***会等效为CLC型拓扑结构进行能量的传递，并且该能量信号同传***还会等效为LCC型拓扑结构进行信号的传递。由于在本实用新型中能量信号同传***等效为不同的拓扑结构，能量和信号的传递通过不同的拓扑结构实现，可以有效的降低能量和信号之间的干扰，并且整个切换的过程不需要外部施加控制，仅靠能量信号同传***本身的频率特性实现，能量信号同传***具备恒压输出特性，在空载情况时第一发送装置和第二发送装置所在电路的电流不会出现过流的情况，同时也无需加入控制措施调节。

Description

一种能量信号同传***及设备

技术领域

本实用新型涉及无线能量信号传输领域，尤其涉及一种能量信号同传***及设备。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术如今应用到多个领域中，如电动汽车、手机、传感器、医疗设备等，这项技术因其高效、灵活、稳定等优点正在蓬勃发展。在WPT技术应用中，能量的反馈控制、***的状态监测、电池单芯片***(System on aChip，SOC)的信息上传、负载和异物检测都不可避免地需要在发送装置和接收装置进行数据传输，因此关于能量信号同传***的研究逐渐受到关注。

能量信号同传***常采用的方案包括：双线圈方案和单线圈方案，其中双线圈方案中能量传输回路和信号传输回路相互独立，但是双线圈方案占用体积较大，基于此，在实际应用中为节省体积，多采用单线圈方案。其中，单线圈方案为能量传输回路和信号传输回路共用同一套耦合结构，即信号产生装置和能量产生装置组成发送端，信号接收装置和能量接收装置组成接收端，该发送端和接收端通过耦合结构连接，组成能量信号同传***。单线圈方案可以有效的提高***的灵活性。目前单线圈方案的能量信号同传***主要包括：双谐振电路、变参数电路以及阻波电路。

其中，双谐振电路利用特定拓扑结构本身具有两个谐振点的特性，实现能量谐振频率和信号谐振频率的分离，进而实现能量、信号的同传，但是无论在传输能量还是传输信号时，该双谐振电路都固定使用同一个拓扑结构，这就导致了在空载情况下信号产生装置和能量产生装置组成的发送端电流较大、易损坏***，并且信号接收装置和能量接收装置组成的接收端的电流恒定，在负载变化的应用场景下需要加入控制措施调节，使得能量接收装置的输出电压恒定。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种能量信号同传***及设备，用于解决现有技术中的双谐振电路在空载情况下信号产生装置和能量产生装置组成的发送端电流较大、易损坏***，并且信号接收装置和能量接收装置组成的接收端在负载变化的应用场景下需要加入控制措施调节，使得能量接收装置的输出电压恒定的问题。

本实用新型一个或多个实施例提供了一种能量信号同传***，所述***包括：用于提供电压的第一发送装置及对应的第一接收装置，用于提供信号的第二发送装置及对应的第二接收装置，由第一电感和第一电容串联得到的第一串联电路，由第二电感和第二电容并联得到的第一并联电路，由第三电感和第三电容串联得到的第二串联电路，由第四电感和第四电容并联得到的第二并联电路、由第五电感和第六电感耦合得到的第一耦合机构，第五电容以及第六电容；

所述第一发送装置的一端与所述第二发送装置的一端连接，所述第一发送装置的另一端与所述第一串联电路连接；所述第一串联电路另一端分别与所述第一并联电路、第五电容连接；所述第一并联电路的另一端分别与所述第二发送装置的另一端、第一耦合机构的第一端连接；所述第五电容的另一端与所述第一耦合机构的第二端连接；

所述第一接收装置的一端与所述第二接收装置的一端连接，所述第一接收装置的另一端与所述第二串联电路连接；所述第二串联电路另一端分别与所述第二并联电路、第六电容连接；所述第二并联电路的另一端分别与所述第二接收装置的另一端、第一耦合机构的第三端连接；所述第六电容的另一端与所述第一耦合机构的第四端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第一发送装置包括电压源、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管；

所述第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极串联，得到第三串联电路；所述第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极串联得到第四串联电路；

所述第一场效应管的漏极连接所述电压源的正极，所述电压源的负极与所述第二场效应管的源极连接；第三场效应管的漏极连接所述电压源的正极，所述电压源的负极与所述第四场效应管的源极连接；

其中，所述第一发送装置的一端为所述第三场效应管的源极，所述第一发送装置的另一端为所述第二场效应管的漏极。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第二发送装置包括第七电感和第八电感耦合得到的第二耦合机构、第七电容以及第一信号源；

所述第二耦合机构的第一端口与所述第一发送装置的一端连接，所述第二耦合机构的第二端口与所述第一并联电路连接，所述第二耦合机构的第三端口与所述第七电容的一端连接，所述第二耦合机构的第四端口与所述第一信号源的一端连接；

所述第一信号源的另一端与所述第七电容的另一端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第一接收装置包括第八电容、第一电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

所述第一二极管的正极与第二二极管的负极串联，得到第五串联电路；所述第三二极管的正极与第四二极管的负极串联得到第六串联电路；

所述第一二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第二二极管的正极连接；所述第三二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第四二极管的正极连接；

其中，所述第一接收装置的一端为所述第一二极管的正极，所述第一接收装置的另一端为所述第四二极管的负极。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第二接收装置包括由第九电感和第十电感耦合得到的第三耦合机构、第九电容以及第二电阻；

所述第九电容和所述第二电阻并联，得到第三并联电路；

所述第三耦合机构的第一端口与所述第一接收装置的一端连接，所述第三耦合机构的第二端口与所述第二并联电路连接，所述第三耦合机构的第三端口和第四端口分别与所述第三并联电路的两端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述***还包括用于提供信号的第三发送装置及对应的第三接收装置；

所述第三接收装置的一端与所述第一发送装置的一端串联，所述第三发送装置的另一端与所述第二发送装置的一端串联；

所述第三发送装置的一端与所述第一接收装置的一端串联，所述第三发送装置的另一端与所述第二接收装置的一端串联。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第三发送装置包括第十一电感和第十二电感耦合得到的第四耦合机构、第十电容以及第二信号源；

所述第四耦合机构的第一端口与所述第一接收装置的一端连接，所述第四耦合机构的第二端口与所述第二接收装置的一端连接，所述第四耦合机构的第三端口与所述第十电容的一端连接，所述第四耦合机构的第四端口与所述第二信号源的一端连接；

所述第二信号源的另一端与所述第十电容的另一端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第三接收装置包括由第十三电感和第十四电感耦合得到的第五耦合机构、第十一电容以及第三电阻；

所述第十一电容和所述第三电阻并联，得到第四并联电路；

所述第五耦合机构的第一端口与所述第一发送装置的一端连接，所述第五耦合机构的第二端口与所述第二发送装置的一端连接，所述第五耦合机构的第三端口和第四端口分别与所述第四并联电路的两端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的栅极分别与驱动电路连接。

本实用新型一个或多个实施例还提供了一种设备，包括如上述任一所述的能量信号同传***。

在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***在传递能量和信号时，有不同的等效结构。具体的，能量信号同传***会等效为CLC型拓扑结构，通过该CLC型拓扑结构进行能量的传递，并且该能量信号同传***还会等效为LCC型拓扑结构，并通过该LCC型拓扑结构进行信号的传递。由于在本实用新型中能量信号同传***等效为不同的拓扑结构，能量和信号的传递通过不同的拓扑结构实现，可以有效的降低能量和信号之间的干扰，并且整个切换的过程不需要外部施加控制，仅靠能量信号同传***本身的频率特性实现，能量信号同传***具备恒压输出特性，在空载情况时第一发送装置和第二发送装置所在电路的电流不会出现过流的情况，同时也无需加入控制措施调节。

附图说明

图1为本实用新型一个或多个实施例中提供的能量信号同传***结构示意图；

图2为现有技术提供的双谐振电路的结构示意图；

图3为现有技术提供的用于能量和信号传输的双谐振电路；

图4为本实用新型一个或多个实施例提供的CLC拓扑结构示意图；

图5为本实用新型一个或多个实施例提供的T型拓扑结构的结构示意图；

图6为本实用新型一个或多个实施例提供的LCC拓扑结构示意图；

图7为本实用新型一个或多个实施例提供的信号调制流程；

图8为本实用新型一个或多个实施例提供的信号解调流程；

图9为现有技术提供的变参数的电路结构示意图；

图10为现有技术提供的阻波电路的结构示意图；

图11为本实用新型一个或多个实施例提供的能量信号同传***的总结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了降低能量与信号的干扰，使得接收装置的电压恒定，本实用新型一个或多个实施例提供了一种能量信号同传***及装置。

图1为本实用新型一个或多个实施例提供的能量信号同传的结构示意图，如图1所示，该***包括：用于提供电压的第一发送装置101及对应的第一接收装置102，用于提供信号的第二发送装置103及对应的第二接收装置104，由第一电感L1和第一电容C1串联得到的第一串联电路105，由第二电感L2和第二电容C2并联得到的第一并联电路106，由第三电感L3和第三电容C3串联得到的第二串联电路107，由第四电感L4和第四电容C4并联得到的第二并联电路108、由第五电感L5和第六电感L6耦合得到的第一耦合机构109，第五电容C5以及第六电容C6；

所述第一发送装置101的一端与所述第二发送装置103的一端连接，所述第一发送装置101的另一端与所述第一串联电路105连接；所述第一串联电路105另一端分别与所述第一并联电路106、第五电容C5连接；所述第一并联电路106的另一端分别与所述第二发送装置103的另一端、第一耦合机构109的第一端连接；所述第五电容C5的另一端与所述第一耦合机构109的第二端连接；

所述第一接收装置102的一端与所述第二接收装置104的一端连接，所述第一接收装置102的另一端与所述第二串联电路107连接；所述第二串联电路107另一端分别与所述第二并联电路108、第六电容C6连接；所述第二并联电路108的另一端分别与所述第二接收装置104的另一端、第一耦合机构109的第三端连接；所述第六电容C6的另一端与所述第一耦合机构109的第四端连接。

双谐振技术利用特定拓扑结构本身具有两个谐振点的特性，实现能量和信号谐振频率的分离，可用于同步传输信号和能量。图2为现有技术提供的双谐振电路的结构示意图，如该图2所示，双谐振电路由一个并联电路L_pC_p和一个串联电路L_sC_s组成，ω_p为并联电路的并联谐振角频率，当双谐振电路工作的角频率ω>ω_p时，并联电路的等效电抗Z_p为容性，当ω<ω_p时，并联电路的等效电抗Z_p为感性，等效电抗Z_p与L_sC_s串联后，该双谐振电路具有两个谐振频率点ω₁和ω₂，将这两个频率分别用来传输能量和信号。

图3为现有技术提供的用于能量和信号传输的双谐振电路，如该图3所示，该电路中包含如图2所示的双谐振电路、信号产生装置、信号接收装置、能量产生装置和能量接收装置。其中，信号产生装置通过一对耦合电感L_c1L_c2，耦合到双谐振电路中，信号接收装置通过一对耦合电感L_c3L_c4，耦合到双谐振电路中。由于现有技术中，等效后的双谐振电路中，信号产生装置和能量产生装置组成了发送端，由信号接收装置和能量接收装置组成了接收端，该发送端和接收端通过耦合电感耦合在一起。其中该发送端和接收端均为串联型谐振拓扑，导致在空载情况下发送端电流较大、易损坏***，另一方面接收端电流恒定，在负载变化的应用场景下增加了控制难度。

基于此，在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***包括第一发送装置及对应的第一接收装置、第二发送装置及对应的第二接收装置。其中，该第一发送装置用于提供电压，即用于提供能量，该第一接收装置用于接收电压，即用于接收能量，该第二发送装置用于提供信号，该第二接收装置用于接收信号。其中，该第一发送装置为能量产生装置，该第二发送装置为信号产生装置，该第一接收装置为能量接收装置，该第二接收装置为信号接收装置。

此外，本实用新型一个或多个实施例中，该能量信号同传***还包括由第一电感和第一电容串联得到的第一串联电路，由第二电感和第二电容并联得到的第一并联电路，由第三电感和第三电容串联得到的第二串联电路，由第四电感和第四电容并联得到的第二并联电路、由第五电感和第六电感耦合得到的第一耦合机构，第五电容以及第六电容。其中，在本实用新型一个或多个实施例中，第一串联电路、第一并联电路、第二串联电路和第二并联电路都可以等效，避免了能量和信号在该能量信号同传***中使用同一个拓扑结构进行传输。

具体的，在本实用新型中，电容和电感在串联时，在忽略电感内阻的情况下，串联电路的等效阻抗为Z＝j(ω²LC-1)/ωC。

其中，当能量信号同传***工作时的工作角频率小于预设的串联谐振角频率时，串联电路等效为电容，即当工作角频率小于串联谐振角频率时，第一串联电路和第二串联电路等效为电容，则Z＝1/jωC；当工作角频率大于串联谐振角频率时，串联电路等效为电感，即当工作角频率大于串联谐振角频率时，第一串联电路和第二串联电路等效为电感，则Z＝jωL。

基于此，可以确定电容和电感串联时的等效阻抗与能量信号同传***工作时的工作角频率的关系可以用如下公式表示：

其中，L_eq表示等效后的电感值，C_eq表示等效后的电容值，ω为工作角频率，ω_c为串联谐振角频率，C表示串联的电容值，L表示串联的电感值，Z表示等效阻抗。其中，该串联谐振角频率是由串联的电容和电感决定的，

具体的，在本实用新型中，电容和电感在并联时，在忽略电感内阻的情况下，并联电路的等效阻抗为Z＝jωL/(1-ω²LC)。

其中，当能量信号同传***工作时的工作角频率小于预设的并联谐振角频率时，并联电路等效为电感，即当工作角频率小于串联谐振角频率时，第一并联电路和第二并联电路等效为电感，则Z＝jωL；当工作角频率大于并联谐振角频率时，并联电路等效为电容，即当工作角频率大于并联谐振角频率时，第一并联电路和第二并联电路等效为电容，则Z＝1/jωC。

基于此，可以确定电容和电感并联时的等效阻抗与能量信号同传***工作时的工作角频率的关系可以用如下公式表示：

其中，L_eq表示等效后的电感值，C_eq表示等效后的电容值，ω为工作角频率，ω_c1为并联谐振角频率，C表示并联的电容值，L表示并联的电感值，Z表示等效阻抗。其中，该并联谐振角频率是由并联的电容和电感决定的，

由于，在能量的传输过程中，能量对应的工作角频率较低，该工作角频率低于串联谐振角频率和并联谐振角频率，此时，第一串联电路和第二串联电路等效为电容，第一并联电路和第二并联电路等效为电感，则此时的能量信号同传***等效为CLC拓扑结构。

图4为本实用新型一个或多个实施例提供的CLC拓扑结构示意图，如该图4所示，第一串联电路等效为了电容值为C_eq1的电容，第二串联电路等效为了电容值为C_eq2的电容，第一并联电路等效为了电感值为L_eq1的电感，第二并联电路等效为了电感值为L_eq2的电感。

此外，为了使能量信号同传***保持较高的能量传递效率，降低能量信号同传***的无功功率，在本实用新型一个或多个实施例中，在谐振状态下时，该能量信号同传***的等效阻抗为纯阻性。

具体的，对进行能量传输的CLC型拓扑结构的能量信号同传***进行进一步地转化，转化为T型拓扑结构。图5为本实用新型一个或多个实施例提供的T型拓扑结构的结构示意图，如该图5所示，将第一耦合机构拆分为了三个电感，分别为第五电感的漏感、第六电感的漏感以及第五电感和第六电感的互感，其中，L_pe为第五电感的漏感值，L_se为第六电感的漏感值，L_M为第五电感和第六电感的互感值，L_p为第五电感的电感值，L_s为第六电感的电感值，L_p＝L_pe+L_M，L_s＝L_se+L_M。其中，可以将T型拓扑结构拆分为①、②和③三个子模块。

若能量信号同传***的等效阻抗为纯阻性，T型拓扑结构的各参数需要满足约束条件：L_pe+L_eq1+2L_M＝2/ω²C₆。其中，L_pe为第五电感的漏感值，L_eq1为第一并联电路等效后的电感值，L_M为第五电感和第六电感的互感值，ω为工作谐振角频率，C₆为第六电容的电容值。

其中，在本实用新型一个或多个实施例中，在每个子模块下，能量信号同传***的工作角频率相同。具体的，可以用以下公式表示：

其中，L_pe为第五电感的漏感值，L_se为第六电感的漏感值，L_M为第五电感和第六电感的互感值，C₅为第五电容的电容值，C₆为第六电容的电容值，ω为工作角频率，C_eq1为第一串联电路等效后的电容值，C_eq2为第二串联电路等效后的电容值，L_eq1为第一并联电路等效后的电感值，L_eq2为第二并联电路等效后的电感值。

此时，该能量信号同传***的输出电压为第一接收端接收到的电压，该输出电压恒定，且输出电压为：

其中，U₀为能量信号同传***的输出电压，即第一接收装置接收到的电压值，Uoc为第一发送装置输入的电压值，L_pe为第五电感的漏感值，L_se为第六电感的漏感值，C₅为第五电容的电容值，C₆为第六电容的电容值，C_eq1为第一串联电路等效后的电容值，C_eq2为第二串联电路等效后的电容值，L_eq1为第一并联电路等效后的电感值，L_eq2为第二并联电路等效后的电感值。

此外，在本实用新型一个或过个实施例中，在信号的传输过程中，信号对应的工作角频率远大于能量对应的工作角频率，并且该工作角频率大于串联谐振角频率和并联谐振角频率，此时，第一串联电路和第二串联电路等效为电感，第一并联电路和第二并联电路等效为电容，则此时的能量信号同传***等效为LCC拓扑结构。

并且，在进行信号传输时，第五电容和第五电感可以等效为电感L_eqp，且在信号频率下该等效电感L_eqp≈L_p。在信号传输过程中第一发送装置等效为短路，且在谐振状态下信号传输过程基本不受能量通道参数的影响，在信号传输时，信号载波由第二发送装置注入LCC拓扑结构，第二接收装置接收信号载波，之后可以将接收到的载波信号解调，即可实现发送装置到接收装置的信号传输。

具体的，在本使用新型实施例中，在信号传输过程中第一发送装置即高频逆变电路等效为短路，且在谐振状态下信号的传输过程基本不受能量传递通道的影响，在信号由第二发送装置向第二接收装置传输时，第二发送装置产生载波信号，并将载波信号注入到LCC拓扑结构中，第二接收装置接收载波信号，并对接收到的载波信号进行解调。

图6为本实用新型一个或多个实施例提供的LCC拓扑结构示意图，如该图6所示，第一串联电路等效为了L_eq1′，第二串联电路等效为了L_eq2′，第一并联电路等效为了C_eq1′，第二并联电路等效为了C_eq2′。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第一发送装置包括电压源、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管；

所述第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极串联，得到第三串联电路；所述第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极串联得到第四串联电路；

所述第一场效应管的漏极连接所述电压源的正极，所述电压源的负极与所述第二场效应管的源极连接；第三场效应管的漏极连接所述电压源的正极，所述电压源的负极与所述第四场效应管的源极连接；

其中，所述第一发送装置的一端为所述第三场效应管的源极，所述第一发送装置的另一端为第二场效应管的漏极。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的栅极分别与驱动电路连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***的第一发送装置用于提供电压，即能量。

具体的，该第一发送装置的内部结构为高频逆变电路，该高频逆变电路包括一个电压源、四个场效应管。该四个场效应管分别为第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管，其中，第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极串联，得到第三串联电路，第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极串联，得到第四串联电路，并且该第一场效应管的漏极连接该电压源的正极，该电压源的负极与该第二场效应管的源极连接；第三场效应管的漏极连接该电压源的正极，该电压源的负极与该第四场效应管的源极连接，得到第一发送装置。并且，在本实用新型一个或多个实施例中，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的栅极分别与驱动电路连接。

即在本实用新型一个或多个实施例中，第三串联电路通过第一场效应管的漏极及第二场效应管的源极与电压源并联，第四串联电路通过第三场效应管的漏极及第四场效应管的源极与电压源并联。

其中，该第一发送装置的一端为第一场效应管的源极，该第一发送装置的另一端为第二场效应管的漏极。

具体的，在本实用新型一个或多个实施例中，在进行能量传输时，第一发送装置即高频逆变电路将电流源输出的直流电转换为高频的交流电，该高频的交流电经过CLC型拓扑结构，并通过第五电感将该高频的交流电注入到由第五电感和第六电感耦合得到的第一耦合机构中，在电磁感应的作用下该第六电感产生感应电压，并将该感应电压通过CLC型拓扑结构传递给第一接收端即整流滤波电路。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第二发送装置包括第七电感和第八电感耦合得到的第二耦合机构、第七电容以及第一信号源；

所述第二耦合机构的第一端口与所述第一发送装置的一端连接，所述第二耦合机构的第二端口与所述第一并联电路连接，所述第二耦合机构的第三端口与所述第七电容的一端连接，所述第二耦合机构的第四端口与所述第一信号源的一端连接；

所述第一信号源的另一端与所述第七电容的另一端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***的第二发送装置用于提供信号。

具体的，该第二发送装置的内部结构为信号加载电路，该信号加载电路包括第一信号源、第七电容、第七电感和第八电感。其中，第七电感与第八电感耦合，得到第二耦合机构，该第二耦合机构的第一端口与该第一发送装置的一端连接，该第二耦合机构的第二端口与该第一并联电路连接，该第二耦合机构的第三端口与该第七电容的一端连接，该第二耦合机构的第四端口与该第一信号源的一端连接，该第一信号源的另一端与该第七电容的另一端连接。

需要说明的是，该第二耦合机构可以被称为信号加载变压器。

此外，在本实用新型一个或多个实施例中，第二发送装置的发送的信号是通过第一信号源的信号调制得到的，该第二发送装置中的第七电容用于放大信号的功率，该第二发送装置的信号加载变压器用于向能量信号同传***发送信号。

具体的，在本实用新型一个或多个实施例中，在进行信号传输时，第二发送装置即信号加载电路产生载波信号，并通过信号加载变压器将该载波信号输入到LCC拓扑结构中，并通过第五电感将该载波信号注入到由第五电感和第六电感耦合得到的第一耦合机构中，该第一耦合机构的第六电感将该载波信号通过LCC型拓扑结构传递给第二接收端。

图7为本实用新型一个或多个实施例提供的信号调制流程，如该图7所示，第一信号源接收上位机发送数据，该第一信号源中的电平转换芯片将该数据转换为可供单片机识别的电平；该第一信号源中的该单片机对该电平进行处理，得到高低电平；该第一信号源中的DDS波形发生器产生特定频率的正弦波；该第一信号源中的控制模拟开关芯片对该高低电平以及该正弦波进行处理，生成并输出为带有信号特征的正弦波包络，该正弦波包络即为待传输的信号包络。第一信号源将该信号包络发送给第七电容，进行功率放大提高该信号包络的带载能力，之后该第七电容通过信号加载变压器的第三端口将该信号包络输入到信号加载变压器中。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第一接收装置包括第八电容、第一电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

所述第一二极管的正极与第二二极管的负极串联，得到第五串联电路；所述第三二极的正极管与第四二极管的负极串联得到第六串联电路；

所述第一二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第二二极管的正极连接；所述第三二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第四二极管的正极连接；

其中，所述第一接收装置的一端为所述第一二极管的正极，所述第一接收装置的另一端为所述第四二极管的负极。

在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***的第一接收装置用于接收能量。

具体的，该第一接收装置的内部结构为整流滤波电路，该整流滤波电路包括第一电阻、四个二极管。该四个二极管分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，其中，第一二极管的正极与第二二极管的负极串联，得到第五串联电路，第三二极管的正极与第四二极管的负极串联，得到第六串联电路，并且该第一二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第二二极管的正极连接；该第三二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第四二极管的正极连接，得到第一接收装置。

也就是说，在本实用新型一个或多个实施例中，第五串联电路通过第一二极管的负极及第二二极管的正极与第一电阻并联，第六串联电路通过第三二极管的负极及第四二极管的正极与第一电阻并联，第八电容与第一电阻并联。

其中，该第一接收装置的一端为第一二极管的正极，该第一接收装置的另一端为第四二极管的负极。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第二接收装置包括由第九电感和第十电感耦合得到的第三耦合机构、第九电容以及第二电阻；

所述第九电容和所述第二电阻并联，得到第三并联电路；

所述第三耦合机构的第一端口与所述第一接收装置的一端连接，所述第三耦合机构的第二端口与所述第二并联电路连接，所述第三耦合机构的第三端口和第四端口分别与所述第三并联电路的两端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***的第二接收装置用于接收信号。

具体的，该第二接收装置为信号拾取电路，该信号拾取电路包括第二电阻、第九电容、第九电感和第十电感。其中，第九电感与第十电感耦合，得到第三耦合机构，该第三耦合机构的第一端口与该第一接收装置的一端连接，该第三耦合机构的第二端口与该第二并联电路连接，该第三耦合机构的第三端口和第四端口分别与第三并联电路的两端连接。

需要说明的是，该第三耦合机构可以被称为信号拾取变压器。

此外，在本实用新型一个或多个实施例中，第二接收装置的接收到信号之后，还可以通过其他电路进行信号解调。图8为本实用新型一个或多个实施例提供的信号解调流程，如该图8所示，信号拾取变压器接收信号包络，并将该信号包络发送到第二电阻。之后RCD包络检波电路，从该第二电阻中获取该信号包络，并将该信号包络还原为信号电平，经单片机处理后由电平转换芯片发送到上位机从而实现信号的传递。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述***还包括用于提供信号的第三发送装置及对应的第三接收装置；

所述第三接收装置的一端与所述第一发送装置的一端串联，所述第三接收装置的另一端与所述第二发送装置的一端串联；

所述第三发送装置的一端与所述第一接收装置的一端串联，所述第三发送装置的另一端与所述第二接收装置的一端串联。

图9为现有技术提供的变参数的电路结构示意图，如该图9所示，L1端的电流的大小由原边补偿电容C₁、副边补偿电容C₂和负载R_L确定。通过电流电压检测电路判断负载大小，由该负载值决定电容C₀的切入和切出，电容参数的变化导致发送端电流同步改变，从而使发送端电流表现出信号的特征，最后通过信号解调机构实现信号的提取与复原。但是，该变参数电路方法只能实现信号的单向传输，信号只能从发送端传递到接收端，且电容切入和切出的过程对***性能存在一定的影响。

图10为现有技术提供的阻波电路的结构示意图，其中，高频阻波电路为电感和电容组成的并联电路，在谐振状态下该高频阻波电路的阻抗非常大。若以谐振状态下的角频率为信号传递的角频率，则在该角频率下高频阻波电路相当于断路，从而阻断载波，使信号直接通过耦合机构传递到信号接收装置。同时，在能量传输的角频率下该高频阻波电路的阻抗非常小，该高频阻波电路相当于短路，因此高频阻波电路并不影响能量的传输。基于此，通过该高频阻波电路的阻波特性可将信号和能量传输过程分离。但是通过这种方式进行能量信号的同传时，对高频阻波电路的阻抗要求较高，当阻抗性能不佳时会大幅度的削弱信号的幅值导致信息传输失败。

基于此，在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***还包括用于提供信号的第三发送装置，以及用于接收信号的第三接收装置。使得该能量信号***既可以正向传递信号又可以反向传递信号。

其中，该第三发送装置的一端与该第一接收装置的一端串联，该第三发送装置的另一端与该第二接收装置的一端串联；该第三接收装置的一端与该第一发送装置的一端串联，该第三接收装置的另一端与该第二发送装置的一端串联。

此外，在信号传输过程中，LCC拓扑结构下能量信号同传***的工作角频率可以通过以下公式计算：

其中，ω为工作角频率，L_eq1′为第一串联电路的等效电感值，L_eqp为第五电容和第五电感的等效电感值，C_eq1′为第一并联电路的等效电容值，L₇为第七电感的电感值，L₉为第九电感的电感值。

需要说明的是，在本实用新型一个或多个实施例中，第三发送装置的内部结构与第二发送装置的内部结构相同，第三接收装置的内部结构与第二接收装置的内部结构相同。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第三发送装置包括第十一电感和第十二电感耦合得到的第四耦合机构、第十电容以及第二信号源；

所述第四耦合机构的第一端口与所述第一接收装置的一端连接，所述第四耦合机构的第二端口与所述第二接收装置的一端连接，所述第四耦合机构的第三端口与所述第十电容的一端连接，所述第四耦合机构的第四端口与所述第二信号源的一端连接；

所述第二信号源的另一端与所述第十电容的另一端连接。

具体的，在本实用新型一个或多个实施例中，第三发送装置位于由第一接收装置和第二接收装置组成的接收端，第三接收装置位于由第一发送装置和第二发送装置组成的发送端。其中，第三发送装置可以向第三接收装置发送信号，基于此，第三发送装置和第三接收装置实现了能量信号同传***中由接收端向发送端的反向信号传输。

其中，第三发送装置的内部结构为信号加载电路，该信号加载电路包括第十一电感和第十二电感耦合得到的第四耦合机构、第十电容以及第二信号源。其中该第四耦合机构的第一端口与该第一接收装置的一端连接，该第四耦合机构的第二端口与该第二接收装置的一端连接，该第四耦合机构的第三端口与该第十电容的一端连接，该第四耦合机构的第四端口与该第二信号源的一端连接；该第二信号源的另一端与该第十电容的另一端连接。

需要说明的是，该第四耦合机构也可以被称为信号加载变压器。

在本实用新型一个或多个实施例中，所述第三接收装置包括由第十三电感和第十四电感耦合得到的第五耦合机构、第十一电容以及第三电阻；

所述第十一电容和所述第三电阻并联，得到第四并联电路；

所述第五耦合机构的第一端口与所述第一发送装置的一端连接，所述第五耦合机构的第二端口与所述第二发送装置连接，所述第五耦合机构的第三端口和第四端口分别与所述第四并联电路的两端连接。

在本实用新型一个或多个实施例中，能量信号同传***的第三接收装置用于接收信号。

具体的，该第三接收装置为信号拾取电路，该信号拾取电路包括由第十三电感和第十四电感耦合得到的第五耦合机构、第十一电容以及第三电阻。其中，该第十一电容和该第三电阻并联，得到第四并联电路；该第五耦合机构的第一端口与该第一发送装置的一端连接，该第五耦合机构的第二端口与该第二发送装置连接，该第五耦合机构的第三端口和第四端口分别与该第四并联电路的两端连接。

需要说明的是，该第五耦合机构也可以被称为信号拾取变压器。

图11为本实用新型一个或多个实施例提供的能量信号同传***的总结构示意图，如该图11所示，该能量信号同传***包括高频逆变电路、信号加载电路、信号拾取电路、补偿拓扑电路、耦合机构以及整流滤波电路，其中补偿拓扑电路又分为原边补偿拓扑电路和副边补偿拓扑电路，信号拾取电路中包括信号拾取变压器，信号加载电路中包括信号加载变压器。在参数设计时，保持原副边补偿拓扑电路的各元器件的参数对称，即只需设计原边补偿拓扑电路各元器件的参数，副边补偿拓扑电路各元器件的参数与其一一对应。例如，令第一电感的电感值为32μH，即L1＝32μH；令信号拾取变压器和信号加载变压器中的各电感的电感值均为2μH，即Li1～i8＝2μH；令第一电容的电容值为0.902μF，即C1＝0.902μF；令第二电感的电感值为18μH，即L2＝18μH；令第二电容的电容值为2.11nF，即C2＝2.11nF；令第五电容的电容值为1.13μF，即C5＝1.13μF；令第五电感的电感值为36μH，即L5＝36μH；则第五电感和第六电感的互感值LM＝18μH，此时***能量频率为25kHZ，信号频率为1MHZ。

本实用新型实施例还提供了一种设备，包括如上述任一所述的能量信号同传***。其中，在本实用新型实施例中，该设备可以是石油钻井设备。

显然，本领域的技术人员可以对本使用新型进行各种改动和变型而不脱离本使用新型的精神和范围。这样，倘若本使用新型的这些修改和变型属于本使用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本使用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种能量信号同传***，其特征在于，所述***包括：用于提供电压的第一发送装置及对应的第一接收装置，用于提供信号的第二发送装置及对应的第二接收装置，由第一电感和第一电容串联得到的第一串联电路，由第二电感和第二电容并联得到的第一并联电路，由第三电感和第三电容串联得到的第二串联电路，由第四电感和第四电容并联得到的第二并联电路、由第五电感和第六电感耦合得到的第一耦合机构，第五电容以及第六电容；

所述第一发送装置的一端与所述第二发送装置的一端连接，所述第一发送装置的另一端与所述第一串联电路连接；所述第一串联电路另一端分别与所述第一并联电路、第五电容连接；所述第一并联电路的另一端分别与所述第二发送装置的另一端、第一耦合机构的第一端连接；所述第五电容的另一端与所述第一耦合机构的第二端连接；

所述第一接收装置的一端与所述第二接收装置的一端连接，所述第一接收装置的另一端与所述第二串联电路连接；所述第二串联电路另一端分别与所述第二并联电路、第六电容连接；所述第二并联电路的另一端分别与所述第二接收装置的另一端、第一耦合机构的第三端连接；所述第六电容的另一端与所述第一耦合机构的第四端连接。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一发送装置包括电压源、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管；

所述第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极串联，得到第三串联电路；所述第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极串联得到第四串联电路；

所述第一场效应管的漏极连接所述电压源的正极，所述电压源的负极与所述第二场效应管的源极连接；第三场效应管的漏极连接所述电压源的正极，所述电压源的负极与所述第四场效应管的源极连接；

其中，所述第一发送装置的一端为所述第三场效应管的源极，所述第一发送装置的另一端为所述第二场效应管的漏极。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的栅极分别连接驱动电路。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第二发送装置包括第七电感和第八电感耦合得到的第二耦合机构、第七电容以及第一信号源；

所述第二耦合机构的第一端口与所述第一发送装置的一端连接，所述第二耦合机构的第二端口与所述第一并联电路连接，所述第二耦合机构的第三端口与所述第七电容的一端连接，所述第二耦合机构的第四端口与所述第一信号源的一端连接；

所述第一信号源的另一端与所述第七电容的另一端连接。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一接收装置包括第八电容、第一电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

所述第一二极管的正极与第二二极管的负极串联，得到第五串联电路；所述第三二极管的正极与第四二极管的负极串联得到第六串联电路；

所述第一二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第二二极管的正极连接；所述第三二极管的负极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端与第四二极管的正极连接；

其中，所述第一接收装置的一端为所述第一二极管的正极，所述第一接收装置的另一端为所述第四二极管的负极。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第二接收装置包括由第九电感和第十电感耦合得到的第三耦合机构、第九电容以及第二电阻；

所述第九电容和所述第二电阻并联，得到第三并联电路；

所述第三耦合机构的第一端口与所述第一接收装置的一端连接，所述第三耦合机构的第二端口与所述第二并联电路连接，所述第三耦合机构的第三端口和第四端口分别与所述第三并联电路的两端连接。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括用于提供信号的第三发送装置及对应的第三接收装置；

所述第三接收装置的一端与所述第一发送装置的一端串联，所述第三接收装置的另一端与所述第二发送装置的一端串联；

所述第三发送装置的一端与所述第一接收装置的一端串联，所述第三发送装置的另一端与所述第二接收装置的一端串联。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述第三发送装置包括第十一电感和第十二电感耦合得到的第四耦合机构、第十电容以及第二信号源；

所述第四耦合机构的第一端口与所述第一接收装置的一端连接，所述第四耦合机构的第二端口与所述第二接收装置的一端连接，所述第四耦合机构的第三端口与所述第十电容的一端连接，所述第四耦合机构的第四端口与所述第二信号源的一端连接；

所述第二信号源的另一端与所述第十电容的另一端连接。

9.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述第三接收装置包括由第十三电感和第十四电感耦合得到的第五耦合机构、第十一电容以及第三电阻；

所述第十一电容和所述第三电阻并联，得到第四并联电路；

所述第五耦合机构的第一端口与所述第一发送装置的一端连接，所述第五耦合机构的第二端口与所述第二发送装置的一端连接，所述第五耦合机构的第三端口和第四端口分别与所述第四并联电路的两端连接。

10.一种设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的能量信号同传***。

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