隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,近年來有關(guān)無線電能傳輸技術(shù)的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。相較于傳統(tǒng)的電力傳輸系統(tǒng),無線電能傳輸系統(tǒng)具有安全可靠性強(qiáng)及使用靈活便捷度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì),同時(shí)也適用于一些特殊使用場(chǎng)景。隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展,移動(dòng)電子通訊設(shè)備及可穿戴設(shè)備的廣泛應(yīng)用,新能源汽車和軌道交通的不斷普及,無線電能傳輸技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景。相較于其他類別的無線電能傳輸技術(shù),磁共振式無線電能傳輸技術(shù)具有傳輸效率較高且傳輸距離較遠(yuǎn)的特性,使得其成為目前無線電能傳輸技術(shù)中最為熱門的研究方向。本文面向三種不同傳輸距離的共振式無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究,重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)效率的提升,在介紹了基本概念及相關(guān)理論的基礎(chǔ)上,主要內(nèi)容為對(duì)傳輸線圈回路,前端功率放大器及自適應(yīng)阻抗匹配電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì),具體工作如下:(1)采用平面微帶線圈結(jié)構(gòu)與電容匹配網(wǎng)絡(luò)共同組成諧振線圈回路,并將其等效成二端口網(wǎng)絡(luò),采用S_(21)參數(shù)對(duì)傳輸效率進(jìn)行有效的評(píng)估。利用CST軟件對(duì)尺寸為20cm*20cm的線圈回路進(jìn)行建模仿真,在諧振頻點(diǎn)為6.78MHz的條件下,分別得到8cm,10cm,12cm三種傳輸距離下使得S_(21)參數(shù)值最佳時(shí)的匹配電容值,并搭建線圈回路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,以1V為參考基準(zhǔn),得到8cm,10cm及12cm下傳輸線圈回路兩端口間S_(21)峰值分別為937mV,923mV及885mV。(2)在介紹前端功率放大器的基本分類及對(duì)比的基礎(chǔ)上,選用E類功率放大器作為磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的高頻電源并進(jìn)行相關(guān)分析。根據(jù)經(jīng)典計(jì)算公式得到E類功放電路的相關(guān)參數(shù),利用ADS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),通過進(jìn)一步電路調(diào)試優(yōu)化得到工作頻率6.78MHz下功率附加效率為81.2%,并且級(jí)聯(lián)E類功放,傳輸線圈及整流模塊進(jìn)行三種距離下系統(tǒng)的搭建與效率測(cè)試,得到8cm,10cm及12cm系統(tǒng)效率分別為61.3%,57.1%及50.8%。(3)結(jié)合本文傳輸線圈回路的特性進(jìn)行三種傳輸距離下自適應(yīng)阻抗匹配電路方案的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。提出相關(guān)自適應(yīng)阻抗匹配電路方案,并介紹含有匹配電容陣列的線圈回路設(shè)計(jì)。通過對(duì)比自適應(yīng)電路的模塊選型方案,對(duì)所選用的單元電路模塊功能進(jìn)行介紹。利用Proteus軟件進(jìn)行自適應(yīng)阻抗匹配電路的仿真驗(yàn)證,并搭建相關(guān)電路進(jìn)行測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了在距離變動(dòng)時(shí)電容陣列電路準(zhǔn)確切換的功能,驗(yàn)證理論分析的正確性。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM724
【部分圖文】：

通過二端口網(wǎng)絡(luò)理論中的 S 參數(shù)、T 參數(shù)及 Z參數(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)各端口的增益特性和損耗特性進(jìn)行測(cè)量，二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖 2.1 所示。圖2.1 二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖其特征矩陣如表 2.1 所示。表2.1 二端口網(wǎng)絡(luò)理論特征矩陣Z 矩陣 T 矩陣 S 矩陣1 11 12 12 21 22 2V IV -IZ ZZ Z 1 21 2V a bVI c d-I 1 11 12 12 21 22 2b S S ab S S a 其中在射頻段使用最多的為 S 參數(shù)，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)損耗的測(cè)試，其中11S 表示端口 1 的反射系數(shù)，21S 表示端口 1 到端口 2 的正向傳輸系數(shù)[17]。當(dāng)GZ與LZ 值和特征阻抗相等時(shí)，傳輸效率 只與傳輸參數(shù)21S 有關(guān)。采用二端口網(wǎng)絡(luò)理論作為分析方法，模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，有助于進(jìn)行磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的阻抗匹配技術(shù)的研究，有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.1.3 電路互感理論根據(jù)互感理論和基爾霍夫定理建立有關(guān) MCR-WPT 系統(tǒng)的電路模型，并進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，對(duì)系統(tǒng)的發(fā)射、接收兩線圈SL 和DL 進(jìn)行等效分析

（a） （b）圖2.6 L 型匹配網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 型匹配網(wǎng)絡(luò)電路雖然具有結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔、器件成本度低和可靠性較好的優(yōu)存在著頻率響應(yīng)特性較差的問題。設(shè) L 型匹配網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為0f ，BW 為 3dB 帶寬，則可得 L 型匹配網(wǎng)質(zhì)因數(shù) Q 與帶寬 BW 的關(guān)系為：0fBWQ (常，L型匹配網(wǎng)絡(luò)工作在 Q 值較大，工作頻率范圍較窄的情況下。為了改阻與輸出端電阻在阻值相近的條件下，L 型匹配網(wǎng)絡(luò)的 Q 值會(huì)變得較低將多個(gè) L型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串聯(lián)，來形成 T 型和 π 型匹配網(wǎng)絡(luò)。 型匹配網(wǎng)絡(luò)電路的四種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2.7 所示。LC2L

[29]。圖2.9 史密斯圓圖圖2.10 阻抗點(diǎn)移動(dòng)示意圖史密斯圓圖阻抗點(diǎn)移動(dòng)示意圖如圖2.10 所示，在使用時(shí)通常需要掌握以下幾點(diǎn)：（1）復(fù)數(shù)阻抗串聯(lián)附加的電抗元件，將使得該復(fù)數(shù)阻抗在史密斯圓圖上的相應(yīng)阻抗點(diǎn)沿等電阻圓移動(dòng)。（2）復(fù)數(shù)阻抗并聯(lián)附加的電抗元件，將使得該復(fù)數(shù)阻抗在史密斯圓圖上的相應(yīng)導(dǎo)納點(diǎn)沿等電導(dǎo)圓移動(dòng)[30]。（3）關(guān)于史密斯圓圖中參量點(diǎn)的移動(dòng)方向，如果連接的是電感，則參量點(diǎn)向史密斯圓圖的上半圓移動(dòng)；如果連接的是電容，則參量點(diǎn)向史密斯圓圖的下半圓移動(dòng)。此外，通過使用工具軟件 Smith V3.1 觀察阻抗在史密斯圓圖上的變換過程，能夠較為直觀地感受到每個(gè)電路元件在對(duì)實(shí)現(xiàn)特定匹配狀態(tài)時(shí)所起的作用。通過使用工具軟件 Smith V3.1

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