磁耦合谐振技术：实现无线能量传输

磁耦合谐振无线能量传输技术是指两个或多个具有相同谐振频率的振荡电路通过近场瞬逝波耦合实现能量从一个物体高效地传输到另一个物体，摆脱了对耦合系数的依赖，可实现中远距离无线能量传输，为无线能量传输技术带来了新的突破。该技术属于近场无损非辐射谐振耦合，虽然发射和接收端之间的谐振耦合随两者距离有所衰减，但从理论上说，未被负载吸收的能量会返回发射端，因此具有传输距离远、传输效率高等特点。

与电磁感应技术相比，磁耦合谐振无线能量传输技术具有大距离条件下能量高效率、高质量传输的显著优势，在航空航天、机器人、电动车辆、人工器官以及日常生活电器等诸多方面有广泛的应用前景，并且可为新一代武器系统的信息交联设计提供一定的理论和技术支持。

4.3.2.1　磁耦合谐振装定技术原理

根据装定系统定义，磁耦合谐振能量和信息非接触传输技术是小口径弹药引信发射前装定的一种技术途径，不仅适用于小口径弹药引信，而且可以应用于大口径常规弹药引信，本小节主要研究较为复杂的小口径弹药引信磁耦合谐振装定系统（以下简称为磁耦合谐振装定系统）。

磁耦合谐振装定系统包括外设模块子系统、初级发射模块子系统、磁耦合谐振传输通道子系统、次级接收模块子系统和引信控制电路五部分，具体组成如图4.7所示。其中初级发射模块主要由振荡器、微处理器MCU、调制电路、驱动电路、功率放大电路及磁耦合谐振传输通道的初级发射线圈组成；次级接收模块由磁耦合谐振传输通道的次级接收线圈、能量处理单元和信号处理单元构成，其中能量处理单元由整流电路、储能电容、电压转换电路组成，信号处理单元由调制解调电路和微处理器MCU构成。

图4.7　磁耦合谐振装定系统

初级发射模块通过输入输出接口接收来自火控计算机或键盘输入的装定信息，经内部程序处理后写入微处理器内存，并控制微处理器以规定的编码方式重复发送装定信息，与来自振荡器的高频载波信号经调制电路调制后驱动功率放大电路在初级发送线圈上产生具有装定信息的正弦交流信号。通过磁耦合谐振传输通道，次级接收线圈两端得到相应的正弦电压信号，实现能量的非接触传输。次级线圈接收来的能量经能量处理单元和信号处理单元处理后完成能量接收和装定信息的识别。能量处理单元工作过程：次级接收线圈两端得到的正弦交流信号通过整流电路整流后成为直流信号，为储能电容充电，经电压变换电路处理后为接下来的信号处理过程和维持一定时间的引信工作电路提供能量；信号处理单元工作过程：待引信电路激活后，装定信息通过调制解调电路处理后输入微处理器MCU，译码后的装定信息用于控制引信的作用时机。这里可以根据实际工程需求，将引信电路的基本信息（装定信息、耦合电压和工作状态等）通过信息反向传输通道反馈给初级发射模块，通过对反向传输信息的解调、译码完成引信工作状态的监测。

图4.8　引信工作电路

小口径弹药灵巧引信工作电路如图4.8所示，包括次级接收模块、测速模块、逻辑控制电路、自毁电路。逻辑控制实际弹道信息，修正从火控获取的装定信息，从而控制战斗部实现精确起爆。从实用性、安全性和引信的需要出发，引信控制电路和装定过程中使用的供电电源是相互独立的，引信工作电源一般采用独立的化学电源，装定电源一般采用封装较小的储能电容。

磁耦合谐振无线能量传输系统利用近场耦合模式和共振技术实现能量的非接触传输，具有如下特点：无推迟效应；仅有能量相互转换，能量不向外辐射，没有波的传播；能穿透非金属材料进行能量传输；可以在中远距离进行高效传输。

磁耦合谐振装定系统采用非辐射性近场耦合模式，典型的磁耦合谐振传输通道工作原理如图4.9所示，包括发射模块和接收模块。其中，发射模块包括驱动电路、驱动线圈A和发射线圈S，接收模块包括接收线圈D、拾取线圈B和负载电路。发射线圈S和接收线圈D通过磁耦合谐振完成能量或信息（信息建立在能量传输的基础上）的传输。其工作原理是：驱动电路产生高频交流信号输入驱动线圈A中，发射线圈S利用电磁感应从A中获取能量，接收线圈D与发射线圈S具有相同的频率而发生谐振，从而实现能量传输，拾取线圈B通过电磁感应从D中获取能量。随着能量不断聚集，经过后续电路即可供给引信电路。对于发射线圈S和接收线圈D的工作频率，可以通过接入外部电容调节到合适的谐振频率。

图4.9　磁耦合谐振传输通道

4.3.2.2　铁磁环境磁耦合谐振能量传输技术

由于小口径弹药武器平台的各部件多数为金属材料，磁耦合谐振装定方式的传输通道必然受到复杂环境的影响。为了探究复杂环境下磁耦合谐振装定系统的传输特性，实现磁耦合谐振装定系统的工程化应用，需要基于小口径弹药武器平台对传输通道进行理论建模分析。

（1）铁磁环境传输通道数学模型

在发射和接收模块产生交变磁场的过程中，武器平台电磁环境、金属材料、导磁材料等铁磁环境以感应方式感生出反作用磁场（也称为涡流磁场），而涡电流的反作用磁场又使系统传输参数发生改变。由于弹链传输通道狭小，周围存在封闭金属材料，本小节仅考虑复杂铁磁环境的影响。假设系统传输通道周围的金属材料及弹体材料是均质和各向同性的。根据H.R.Loos提出的电涡流松耦合变压器Loos模型，电涡流环的电涡流径向分布规律可由下式表示：

式中，rb为线圈外半径；r为离线圈中心轴的距离；Job为导体表面上r=rb处电流密度值。电涡流环的径向宽度和中心半径满足下列等式：

则电涡流径向扩散宽度为a1+a2，中心半径为ro=rb+0.5（a2-a1），轴向厚度等于集肤深度。根据上述分析，可以把金属导体等效为具有一定内阻的电涡流计算环，电感Lo表征涡电流产生磁场对耦合磁场的影响，电阻Ro表征涡电流引起的涡流损耗。由于输出容性储能电路中大电容的存在，忽略了谐波电压和谐波电流，为了简化分析，将次级接收模块整流储能电路及负载Ro等效为一个交流电阻RL=8R/π2。由于整个共振系统最优工作频率一般在1～10MHz，辐射损耗对系统影响较小，可忽略。另外，装定系统工作距离较远且存在较为复杂的铁磁环境，可以忽略交叉耦合的较小影响。

基于铁磁环境影响的磁耦合谐振装定系统等效电路模型采用互感耦合等效电路模型来表示，如图4.10所示。其中，La，Ls，Ld，Lb分别为驱动、发送、接收、拾取线圈的自感；Cs，Cd为发送线圈和接收线圈的共振补偿电容；Rs，Rd为发送、接收线圈回路考虑趋附效应后的交流电阻与辐射电阻之和；Ra为驱动电路中功率放大电路输出电阻与驱动线圈电阻之和；为正弦驱动激励电压源；Kij为回路i和j之间的耦合系数。

图4.10　复杂环境磁耦合谐振装定系统等效电路模型

（2）铁磁环境传输通道理论分析

为简化系统模型的复杂计算，采用映射阻抗分析方法对传输通道电路模型进行分析。磁耦合谐振传输通道发射、接收模块属于弱耦合，可以忽略电路中二次映射对各线圈回路的影响。电涡流环O各参量在系统线圈回路中的反映阻抗：

式中，i=a，s，d，b；实部为电涡流环O对系统线圈回路的反映电阻；虚部为电涡流环O对系统线圈回路的反映阻抗；ω为电源角频率；Mio为各线圈与电涡流环O的互感。

由式（4.10）可知，电涡流环O中的感性电抗反映到系统线圈回路中的反映电抗为容性，记：

因此，可得到复杂环境四线圈等效电路参数，如图4.11所示，其中

式中，Kxy为两线圈间的磁路耦合系数；Mxy为两线圈间的互感系数。

图4.11　复杂环境四线圈等效电路模型

同理，将驱动线圈和拾取线圈回路中电参量映射到两共振线圈回路中，将原系统复杂的多回路分析等效转化为考虑各线圈回路影响下的共振回路分析。驱动线圈回路电参量映射到发射共振线圈回路中，有如下关系：

拾取线圈回路映射至接收线圈回路：

由式（4.12）和式（4.13）可知驱动线圈和拾取线圈中的电路参数映射到发射线圈、接收线圈回路中的反映阻抗为：

由上述分析可得到复杂环境双线圈等效电路模型，如图4.12所示。

图4.12　复杂环境双线圈等效电路模型

根据基尔霍夫定律可列出两回路的电压方程：

由方程组（4.14）可解得：

其中，

由式（4.15）可得到发射线圈S的电流大小：

拾取线圈负载回路在发射线圈回路中的反映阻抗为：

负载接收功率：

(www.xing528.com)

由于：

可得：

同理可得拾取线圈的电流幅值：

根据磁耦合谐振等效电路模型，通过变换可计算驱动回路的传输参数。首先将接收回路电参数向发射回路进行等效转换，如图4.13所示。

图4.13　磁耦合谐振等效转换电路

发射回路映射电参数如下：

发射回路电参数向驱动回路进行等效转换：

其中，

经过上述分析可以计算得到驱动回路电流幅值表达式：

由于电涡流环回路电阻经接收模块对发射模块有一定的影响，所以可得该传输过程中驱动回路的映射涡流阻抗：

综上所述，可以得到磁耦合谐振能量传输系统的发射功率Rin，涡流损耗功率Rr以及传输效率η：

4.3.2.3　磁耦合谐振信息双向传输技术

引信磁耦合谐振装定系统为实现装定信息的可靠性，采用半双工传输方式进行信息的双向传输。装定器不断地向引信发送能量，在开始的一定时间内次级储能电容接收到电能并将电路激活，随后装定信息加载在初级电路的高频载波上通过能量的形式传递给引信电路，该系统信息的传输是一个分时系统，装定信息的传输和引信接收信息的反向传输是按既定协议交替进行的。

根据上述分析，建立如图4.14所示的磁耦合谐振装定系统通信模型。能量与信息发射模块包括驱动电路、调制与解调电路和发射线圈S，能量和信息接收模块包括接收线圈D、拾取线圈B、负载电路、负载调制和解调电路。装定信息的正向传输采用频率调制（2FSK）、幅移键控（2ASK）或相移键控（2PSK），引信电路将接收的信息进行解调，检测信号的可靠度和储存；信息的反向传输采用负载调制技术（LSK），发射模块通过检测电阻的电压对反馈信号进行解调并与发送信息进行对比，从而完成整个装定过程。

图4.14　磁耦合谐振装定系统通信模型

（1）基于磁耦合谐振频率的调制与解调技术

基于磁耦合谐振频率的调制方式是二进制键控频率调制（2FSK）原理的一种扩展形式，同时也是幅度调制的一种特殊方式，其正弦载波的频率和幅度均随二进制数字基带信号而改变。根据磁耦合谐振装定系统的传输特性可知，驱动线圈和谐振线圈工作在谐振频率时，接收端可以接收到较大的电压Vmax。如果驱动线圈的工作频率偏离系统工作频率即与系统的功率放大器工作频率和谐振线圈的工作频率不一致时，接收端得到的电压会降低（随着偏移量的大小而改变）。假设谐振频率为f0时，根据负载接受电压特性可以得到耦合系数较小时负载接收电压比值，拾取线圈获得的电压为10V；谐振频率为f1时，拾取线圈感应电压为7V，如图4.15所示。引信电路通过电压幅值判断传输的信息，并将解调得到的信息写入微处理器。

图4.15　不同谐振频率的次级接收电压比值

2FSK利用两个频率的正弦波信号来传送符号1和0，其实现电路可以是简单的电子开关，在第n时隙上，2FSK信号可以表述为：

式中，Tb为二元基带信号间隔；g（t）为调制信号的时间波形；ω为载波频率；an为二进制数字，ω1=2πf1，ω2=2πf2，是an的反码，有

2FSK信号的时域波形及其互补OOK信号的产生方法如图4.16所示，利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对独立频率源f0和f1进行选通，具有频率稳定性高、无过度频率、转换速度快、波形好等特点。不同频率下负载接收电路得到的电压差为VΔ，可根据实际工程设计准则通过改变非谐振频率f1调节。频率键控转换的瞬间，两个高频振荡的输出电压通常不可能相等，于是次级电路得到的耦合电压在e（t）信号变换时会发生跳变，正弦波的连接处可能出现间断。产生相位连续的FSK信号的一种方法是合理地选择码元间隔和谐振频率f0与f1。

图4.16　相位连续的2FSK信号的产生及波形

数字信号的解调有相干解调法和非相干解调法两种基本方法。非相干解调法可以较少地考虑信道估计甚至略去，处理复杂性降低，实现较为简单。为简化设计、降低成本，2FSK最常用的解调方法是包络检波法和过零检测法，这两种法不需要任何载波信息，因而都是非相干解调法。包络检波法实际上是工作在f0与f1上的两个互补OOK接收系统的组合，包络检波器的输出信号通过抽样判决器提取输出正确通信信息。过零点检测本质上是一种检频方法，主要通过放大限幅、微分与整流、脉冲展宽与直流提取和数字电路等技术来完成信号的解调，简便实用，易于集成。基于磁耦合谐振的信息双向传输技术，由于存在负载接收电压随工作频率改变的特性，可综合利用包络检波和过零检测法通过数字电路技术判断引信电路所接收到的能量信息。

（2）信息的编码技术

信息的编码是为了达到某种目的（信源、信道和保密）而对信号进行的一种变换，其逆变换称为解码或译码。为了在短时间内将装定数据正确传输到引信中，采用合适的信源编码方法是非常重要的。引信常用的信源编码方法有：脉冲计数编码、内脉冲计数编码、二进制数字编码、分组脉冲计数编码和校频二进制编码。其中校频二进制编码具有速度快、码长短、信息量大、精度高、易扩充、抗干扰性强等优点，可以参考数字通信系统的相关计数进行系统优化设计，因此本系统采用该方法作为信源编码方式。

为了提高引信装定系统的抗干扰能力，通常要人为地增加一些冗余度，使其具有自动检错或纠错能力，这种功能由信道编码完成。由于信道编码对能量传输效率没有影响，收发模块耦合过程是在较为封闭的空间里完成，无须对信号进行保密等再变换，因此这里主要研究信源编码技术。

编码是磁耦合谐振装定系统的一项重要工作，二进制编码是用不同形式的代码来表示二进制的“0”和“1”。通信系统的基带信号编码通常使用的码型有反向不归零码、曼彻斯特码、单极性归零码、差分双向码、米勒码、差分码、占空比编码和脉冲-间歇码等。由于信息装定过程中引信电路是无源的，因此装定系统的信息传输和能量传输是同步进行的，且在引信次级电路有能量的情况下才能正常工作及传输信息。弹药装定过程速度快，引信次级电路充电及接收信息的总时间很短。综合考虑上述原因，引信电路的信息传输编码必须具备简单、带宽利用率高、速度快、码型变换易于实现、利于功率传输及可靠性高等特点。

占空比编码技术是脉冲宽度调制的一种变形，用脉冲占空比来表示数字信息的编码方式，脉冲周期和脉冲幅值固定不变，该编码方式已经成为北约标准的、唯一的和强制性的大口径电子引信感应装定信息的编码方式，在北约大口径电子引信中得到广泛应用。磁耦合谐振装定系统采用占空比编码方式，其中占空比60%的脉冲波形表示“0”，而占空比80%的脉冲波形表示“1”。另外，在一些特殊的场合，装定时间窗口较短，需要提高系统能量平均传输功率时，可以通过调节占空比以及不同频率下负载的电压差VΔ来实现。但是考虑到信息编码抗干扰性、解调信息的准确性及误码率，编码占空比和电压差VΔ不能随意改变，仅能通过提高引信工作电路储能电容充电速度和共振系统起振速度来提高能量平均传输功率。

（3）信息反向传输技术

根据图4.14磁耦合谐振装定系统通信模型，为了提高信息传输的可靠性，引信工作电路在获得装定信息后，通过信息反向传输技术实现装定信息由引信电路到系统发射电路的反向传输，从而达到装定信息校验的目的。下面研究基于负载调制和反射调制的信息反向传输技术。

1）负载调制技术。在4.3.2.2节引信磁耦合谐振传输通道数学模型建立过程中，引信工作电路等效为一个负载电阻RL，因此可以通过负载差异进行引信信息反向传输，即负载调制技术。常用的负载调制为电阻负载调制和电容负载调制（图4.14只给出了电容负载调制模型）。

根据所建磁耦合谐振传输通道数学模型，可以得到发射线圈S的电流大小，其中，表达式中各参数的意义与4.3.2.2节中一致。

信息正向传输时，开关S1处于断开状态；在信息反向传输阶段，开关S1用于控制负载调制电阻或电容，由引信接收电路微处理器控制开关S1的状态。当S1与不同的共振电阻接触时，系统等效负载为RL与Rmod的并联值；当S1与不同的谐振电容接触时，系统等效负载即为：

利用确定二进制编码的驱动信号控制开关S1的闭合或断开，将引起系统等效负载阻抗的变化，通过回路耦合作用在发射线圈回路中获得不同反射阻抗和发射线圈电流值；然后，通过对回路特征信号进行提取和处理可得到引信电路控制开关S1的驱动信号，即实现了信息的反向传输。电容负载调制会使发射线圈两端电压产生相位调制的影响，但该相位调制只要能保持在很小的情况下，不会对数据的正确传输产生影响。在实际电路中，发射线圈回路电流的变化反映为线圈两端可测电阻的电压变化。

2）反射调制技术。根据传输线基本理论，当入射波在传播过程中遇到不同于原先传播的另一种媒介时，部分入射波会被反射形成反射波。根据电磁场方程和大多数射频二端口网络的特性，反射波的幅值是与入射波的幅值呈线性关系的。

引信电路根据存储单元的数据产生调制基带数字信号，用于控制开关S1，使其输出端口的匹配负载发生改变，形成两种不同的反射状态。反射调制方式可以是幅移键控、频移键控和相移键控等。

在2ASK调制的工作模式下，反射系数之间的关系为

利用二进制反向传输数据控制输出端口的匹配状态，控制开关可以是场效应管等器件，产生不同的反射状态代表“0”和“1”，形成数字反射调制信号。当接收模块与前端发射模块之间实现匹配时，引信工作电路处于吸收状态可获得初级发射的大部分能量；当接收模块与前端发射模块之间失谐，反射调制标签处于近似全反射状态，初级发射的大部分能量被次级接收模块反射。