谐振耦合式无线电能传输在微型传感器上的应用

摘  要： 简要介绍无线电能传输的发展、模式分类等，着重介绍了谐振耦合无线电能传输模式的工作原理，分析了此种模式在解决微型传感器能量供应方面的局限和优势，最后提出了无线电能传输应用于微型传感器的待解决问题。
关键词： 无线电能传输；谐振耦合；微纳电子器件

　19世纪末著名物理学家赫兹发现电磁波后不久，尼古拉·特斯拉便提出利用电磁波携带能量实现无线电能传输的构想[1]。相对传统有线电能传输技术，无线电能传输实现了电源和用电负载间完全的电气隔离，不仅可克服输电导线带来的空间限制、不易维护等问题，更可避免接触放电等安全隐患，具有安全、可靠、灵活等无可比拟的优点[2]。无线供电经过多年的研究发展延伸出几种不同的传输方式，如图1所示。

　以上几种无线电能传输模式各有优势和不足[3]，无线电波式传输距离可达千米级，但由于磁通向全方位空间辐射，其接收功率只有毫瓦级，实用性不高；超声波式方向性强，能量易于集中且不受电磁干扰，但在空气中传播效率低；微波式可穿透云层等障碍物，传输距离远，且可携带能量高，但定向性差，传输效率低且易干扰通信；激光方式定向性很好，可携带能量高，传输距离远，不存在干扰通信的问题，缺点是易受障碍物影响，能量损失大[4]。
　微型传感器是一种尺寸从微米级到毫米级，有的甚至达到纳米级的微型器件。它是一种把微型敏感元件、信号收集器件、数据处理系统集成在一块芯片上的综合系统[5]。这种综合系统可以独立工作，也可以协同工作，还可以异地联网（传感器网络）[6]。随着微电子加工技术的发展，这些体积小功耗低具有很多功能的微型器件的应用范围将更加广泛。但随之而来的器件的能量供应问题也更加有待解决。目前传感器网络和微型植入式医疗设备多采用电池供电[7]。就传感器网络而言，因所处环境一般为危险地带或人类不易涉足之处，这给传感器更换电池带来了很大的麻烦，直接废弃则造成资源浪费和环境的污染。而对于微型植入式医疗设备来说，通过外科手术的方式来给患者更换电池显然不是一个好办法。由于无线电能传输的便捷性，这使得它在给微型传感器供电方面显示出不同以往的价值，从而成为近几年的一个研究热点。
　目前进行商品化实用性阶段应用的无线电能技术主要为电磁感应式和谐振耦合式。电磁感应式是过去二十几年来无线电能传输的主流[8]，但因传输距离较短一直没有很好的发展；谐振耦合式是2007年由美国MIT的研究小组提出并验证的一种不同以往的电能传输方式[9]，它在传输距离上较传统的电磁感应式有了大幅度的提升。
1 无线电能传输原理与应用
1.1 谐振耦合式无线电能传输理论基础
　传统的感应耦合式无线电能传输是利用分离变压器原理，在原副边之间进行能量传输，缺点是传输距离一般都比较小。谐振耦合式无线电能传输方式是在利用两个具有相同谐振频率的线圈共振进行能量传输，这种方式于2006年11月由MIT的Marin Soljacic教授提出并在2007年进行了基本的实验验证[9]。相较传统的电磁感应模式，该模式的有效能量传输距离明显提高，近年来受到了十分广泛的关注，图2为谐振耦合式无线电能传输的基本结构图。

μ0为真空磁导率，N1、N2为收发线圈的匝数，r1、r2为收发线圈的半径，D为两线圈之间的距离。从耦合系数k与互感M的关系可以看出k与D3成反比，即通过降低系统耦合系数便可实现远距离能量传输；从km式可看出提高两线圈的品质因数可以减小在最大功率点的耦合系数，从而在较远的距离下仍可以获得较高的传输功率。谐振角频率的公式与感应耦合相同，参考文献[9]上C用的是线圈自身的分布电容，而参考文献[13]则把电容串联在线圈外部。电容串联在线圈外部比较有优势。原因是：（1）要改变外接电容的大小即可调节系统的谐振频率；（2）线圈形状改变导致分布电容改变不会对系统谐振频率造成影响；（3）通过电容匹配使线圈固有谐振频率与系统谐振频率相同，不需发射线圈与接收线圈尺寸完全一致。
1.2 谐振耦合式无线电能传输的优点
　能量传输距离、输出功率、传输效率是评价无线电能传输能力的关键指标。与传统的电磁感应式无线电能传输相比，谐振耦合的一个很显著的优点是在传输距离上有了很大的提高；继2007年MIT“隔空”点亮2 m外60 W灯泡后，在日本的Nillei Electronics Conference中，Witriciy公司的首席执行官Eric Giler隔空点亮了一个1 000 W的强弧光灯，其距离相当一个房间的大小，远大于传输60 W的实验距离，目前该技术的最大功率记录为3 300 W，足以为一辆电动汽车充电[14]；另外谐振耦合式的能量传输主要基于收发线圈的共振，因此收发线圈并不需要同轴，华盛顿大学Joshua R. Smith 等人提出用自调谐技术来应对当传输距离和方位改变时对系统共振频率和接收效率的影响；他们的实验表明采用该技术后接收线圈可以任意方位移动并仍能在0~70 cm范围内维持70%以上的效率[15]；再次谐振耦合式是中等距离的能量传输，经过适当开发，可以实现在室内电器的无线供电，这将给人们的生活带来极大的便捷；谐振耦合式能量传输是不受非磁性障碍物的影响，这使得这种无线能量传输的应用范围更加广阔。
1.3 谐振耦合式无线能量传输在微型传感器上的应用
　微型传感器按照被测量物的性质可分为化学微传感器、生物微传感器、物理微传感器等。由于微传感器体积小、功耗小、便于集成化，多功能化、成本低、便于批量生产等特点，使它成为目前最具实用性的机电器件[16]。
　传统的微型传感器大多采用电池供电，受传感器体积小的限制，自带电池的能量十分有限，无法满足传感器长期工作的需求，导致其无法工作而报废，这不仅降低了传感器工作寿命，随着微型传感器的大量应用，更换电池也会浪费人力和污染环境。特别是在一些特殊场合，如动物和人体内的微传感器、建筑中的传感器、无人地带的传感器网络等，通过更换电池的方法来实现能量供给是不现实的。因此微传感器的能量供应问题极大地限制了传感器的应用特别是在传感器网络中的微传感器，能量供应问题已经成为微传感器的发展瓶颈。为解决这一问题，可以从两个方面入手：降低能耗和能量供应。在现有的技术条件下降低传感器能耗以达到延长传感器寿命的目的，但这样做所节省下来的能量毕竟有限，不是长久之计；从能量供应方面入手，无线电能传输的特点使微传感器的应用更加广泛。
　图4[17]是布置在山区无人地带用来执行监测任务的无线传感器网络。而图5[17]中则用对比的方法来使人们一目了然地了解无线供电的好处。

　用无线的方式给微型传感器供电这将使传感器摆脱电池的束缚，而且更加经济环保。因为无线电能传输与电池相比，即使是只有1%的效率也比较划算，因为电池的成本是电网电能的350倍[6]。谐振耦合式无线电能传输是近几年新兴的一种电能传输方式，与传统的电磁感应相比，传输距离比较远；与电磁波相比，在它的有效磁场范围内，传输功率比较大，且对人体产生的辐射小，所以谐振耦合式是一种在中短距离范围内比较好的无线电能传输方式。
　虽然谐振耦合式无线电能传输在给微型传感器供电方面有独特的优势，但大多还处于实验阶段：MIT做了一个大线圈同时为两个小线圈供电的装置，研究了多接收装置对系统调谐和接收效率的影响[18]。参考文献[19]采用MIT的磁共振技术，构建了一个频率可调的无线能量传输系统为生物传感器和植入式医用传感器进行无线供电。MIT为小型线圈供电，如图6所示。

　参考文献[20]以生物医学传感器为应用背景，采用四谐振系统，从电路理论角度出发，研究了谐振耦合式无线电能传输在小功率方面的应用与优化。此外，国内中山大学研制了一个小功率无线能量传输系统，并论证了线圈采用多股线圈的优势，实验系统输入功率为1 W时，能点亮4 m外的一个发光二极管，传输效率在10%左右[21]。总体来说，对于给微传感器进行无线供电还处于理论研究和实验阶段，如果能取得突破性进展，将使微型传感器摆脱电池的束缚，使用更加便捷，应用更加广泛。
2 尚待解决的问题
　谐振耦合式无线电能的传输距离还有待提高；无线电能不论是在给便捷电子产品充电还是给微型传感器供电时还没有一个统一的标准，比如不同厂家不同产品的收发线圈标准等；对人体的影响，发射功率发射距离的不同，电磁场的强度也不同，还没有相关的数据表明无线电能传输对人体完全无害。虽然东京理科大学的研究小组进行了为人工心脏提供无线电源对人体影响的研究[22]，但在空间内实现家庭用电的无线供应，或在人类居住区给传感器网络供电等还没有相关的研究结果表明这种使人长期处于一定功率电磁场范围内的方式一定安全。
　本文介绍了微型传感器传统的供电方式以及这种方式所带来的弊端。提出更好的电能供给方式，即无线供电。比较了几种无线供电方式的利弊，着重介绍了谐振耦合式这种新兴无线供电方式的原理和现在的研究进展，阐述了这种无线电能传输方式在微型传感器上的应用范围与优势，最后提出了尚待解决的问题。
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