网站原创摘 要：基于磁耦合谐振的无线电能传输系统,采用螺旋天线进行能量的发射与接收,本文着重对螺旋天线进行了分析研究.螺旋天线是一个具有电感、电阻及分布电容的复杂器件,通过测量由低频到高频（50Hz-30Mhz）的不同线圈对输入电压信号的频率响应,得到了与其频率响应类似的等效电路,并进行了赋值验证.
关 键 词 ：磁耦合谐振；无线能量传输；螺旋天线；等效电路模型
中图分类号：TM724
基于磁耦合谐振的无线电能传输是一种新兴的电能传输技术,它采用螺旋天线作为发射和接收的媒介[1-5].本实验通过分析螺旋天线的频率响应特征曲线,得到了螺旋天线的等效电路模型.
1.无线电能传输系统的结构
1.1 无线电能传输的发射与接收原理
无线电能传输系统由发射模块（如图1）与接收模块（如图2）组成.
2.螺旋天线等效电路模型的建立
2.1 螺旋天线的制作
实验中采用了厚度为1毫米且外径不同的空心铜线制作了三组螺旋天线.D表示线圈的直径,H表示线圈的高度,N表示线圈的匝数,d表示铜线的外径,具体尺寸见表1.制作螺旋天线时,铜线的长度L可以利用如下公式来计算[6]：
2.2 螺旋天线的测量
图3电路中,输入频率由低到高的正弦电压信号ui（t）等于10sin（2πft）|||,f是输入电压信号的频率.三组尺寸不同的螺旋天线分别接入图3电路,测量a点的电压峰峰值Vpp,得到了Vpp的频率响应曲线图,如图5所示.
实验中发现,在图3中,输入电压信号ui（t）频率在50Hz-1MHz时,测量点a处电压峰峰值Vpp维持在18V左右；当输入电压信号频率为1MHz-1.7MHz时,Vpp电压值开始增加；当输入电压信号频率f为1.7MHz-3MHz时,Vpp出现明显增大的现象,且最大幅值可达20V,此时发生串联谐振.当频率超过3MHz以后,随着输入频率的增大,Vpp趋向于0V,此时阻抗随频率升高而明显地增大.
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2.3 螺旋天线的电路模型及验证
螺旋天线相当于一个电感,在低频条件下,可以看做小电阻r.
通过对三组线圈测量数据的观察发现,频率达到某一数值时,电路中应该存在串联谐振现象.因此,螺旋天线可以用一个既包含电感、电阻又能发生串联谐振的电路来代替,如图4所示.对图4中等效电路的参量赋值,C1等于20pF,L1等于1mH,L2等于15μH,r等于10Ω.通过测量图4中点a处电压峰峰值Vpp的变化,在图5中得到了与三个线圈类似的频率响应曲线,进一步验证了螺旋天线等效电路模型的准确性.
3.实验总结
通过观察与分析三组尺寸与匝数不同的螺旋天线的频率响应特征曲线,得出了螺旋天线的等效电路模型,并进行了验证.因此工作在30MHz以内螺旋天线可以采用此等效电路近似代替.