新型無線能量資料傳輸系統，抗干擾強，效率高，速度快

哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員程海松、姚友素等，在2018年《電工技術學報》增刊2上撰文（論文標題為“基於雙邊LCC補償的無線能量資料傳輸系統設計”），提出一種基於雙邊LCC補償的新型無線能量資料傳輸系統，具體介紹功率傳輸電路以及資料調製、傳送、接收、解調電路的原理。詳細介紹系統中每個元件的功能，總結系統設計的步驟，分析功率傳輸和資料傳輸之間的串擾以及減小干擾的設計規則。最後建立一個100W的樣機。

實際測量得到功率傳輸效率為90.5%，資料傳輸速率為119kbit/s，並且樣機資料傳輸電路抗干擾能力強。在耦合係數降低60.2%的情況下依然能夠正常工作，測量得到的功率傳輸與資料傳輸之間的干擾非常小，功率傳輸和資料傳輸幾乎不受這些干擾的影響。

無線電能傳輸系統因具有高可靠性、靈活、安全效能好等優點，近年來成為國內外研究的熱點，並被應用於電動汽車、消費電子、植入式醫療等領域。

在很多應用中，進行無線電能傳輸的同時也需要進行資料通訊，以實現反饋控制、狀態監測等功能。射頻通訊是許多無線通訊的無線電能傳輸系統採用的通訊方式之一。但隨著傳輸功率的增加，磁場干擾增強，射頻通訊的可靠性將會降低。

目前為止，已經提出了多種基於磁場耦合的無線能量資料傳輸（Wireless Power and Data Trans- mission， WPDT）技術。在一些小功率應用場合，透過頻移鍵控（Frequency Shift Keying， FSK）直接調製功率載波來實現電源側向負載側的資料傳輸，並透過負載調製鍵控（Load Shift Keying， LSK）來實現反向資料傳輸，功率傳輸與資料傳輸共用同一組耦合線圈。但由於直接對功率載波進行調製，這種通訊方式對功率傳輸的干擾大，不適用於大功率場合，並且資料傳輸速率受到功率載波頻率的限制，通訊速率不高。

為了解決上述問題，提出透過兩組耦合線圈分別傳輸能量和資料的技術。由於兩組線圈分開放置，減小了資料傳輸對功率傳輸的干擾。並且資料載波能夠工作在很高的頻率，提高了資料的傳輸速率。但是由於這種結構增加了額外的資料耦合線圈，裝置的體積以及成本增加。

另一種方案是多種載波透過同一耦合線圈進行傳輸。這種方案借鑑了電力線通訊的思想。在傳送資料時，先將資料調製到高頻載波上，經功率放大後耦合到功率傳輸電路上。高頻訊號經松耦合變壓器傳輸到接收端，接收機透過耦合電路提取高頻訊號，再經濾波、放大、解調後還原成二進位制數字訊號。

這項技術不需要增加額外的線圈，並且由於資料載波和功率載波頻率不同，資料傳輸對功率傳輸的干擾較小。高頻的資料載波還可以提高資料的傳輸速率。本文將採用這種方案進行研究。

載波訊號的耦合方式主要有電容耦合和電感耦合，分別透過並聯的耦合電容或串聯的耦合電感傳遞載波。多數基於載波的無線能量資料傳輸系統都採用電感耦合。電感耦合對資料載波的衰減比較大，並且資料提取電路設計複雜。因此本文選用電容耦合，電容耦合屬於直接耦合，電路簡單，傳輸特性較電感耦合更理想，對載波的衰減更小。

本文提出一種基於電容耦合的無線能量資料傳輸系統，建立詳細的通訊模型並分析具體的電路，總結實際系統的設計步驟。所設計系統資料傳輸速率達到119kbit/s。比相關研究中的資料傳輸速率高很多。在資料傳輸電路中加入限流電阻，減小了資料傳輸的功率損耗，同時資料傳輸增益可以靈活地調節，在大功率場合也能達到很高的信噪比。資料傳輸電路抗干擾能力強，在耦合係數降低60。2%的情況下依然能夠正常工作。

圖1 無線能量資料傳輸系統示意圖

圖6 無線能量資料傳輸系統設計流程

圖11 無線能量資料傳輸系統樣機

結論

本文主要提出了一種使用電容耦合和雙邊LCC補償的新型無線能量資料傳輸系統。介紹了系統的設計步驟，設計並搭建了一個100W的樣機，透過一系列實驗驗證了方案的可行性。

線上圈對正情況下實際測量的功率傳輸效率高達90。5%，資料傳輸速率119kbit/s。資料傳輸抗干擾能力強，在耦合係數降低60。2%的情況下，系統依然能夠正常地工作。與加入資料傳輸電路相比，沒有資料傳輸電路時的輸入輸出功率分別降低了4。3%和4。2%。資料傳輸對功率傳輸的干擾很小，資料傳輸增益可以透過電阻Rin-ser進行調節，以適應不同功率等級下的應用。