著名物理學家赫茲發現電磁波后不久，美籍電氣學家尼古拉·特斯拉便提出利用電磁波攜帶能量實現無線電能傳輸的構想[1]。與傳統的用導線進行電力傳輸方式相比，無線電能傳輸實現了電源與用電負載間完全的電氣隔離，不僅克服輸電導線帶來的空間限制、不易維護等問題，更可避免接觸放電等安全隱患，具有安全、可靠、靈活等無可比擬的優點[2]。經過多年的研究發展，電能無線傳輸延伸出幾種不同的傳輸方式：微波、無線電波、激光、超聲波、電磁感應、諧振耦合，這幾種傳輸模式各有優勢和不足[3-4]。電磁感應式是過去20年來無線電能傳輸的主流，已有一些商業化產品面世，但其傳輸距離過短制約了它在更廣闊范圍的應用。
    諧振耦合模式由MIT的M. Soljacic團隊提出，并通過了實驗驗證，實現了2 m、60 W的傳輸效果[5]，這表明該模式具有獨特優點，奠定了無線電能傳輸技術在汽車充電、物聯網傳感器及醫療植入物供電等廣泛領域的實用化基礎，引發了近年來諧振耦合式無線傳輸技術的研究熱潮。
    目前，如何提高電能傳輸效率已成為研發實用化、低頻、小體積諧振耦合無線電能傳輸裝置的關鍵課題。耦合模理論(Coupling Mode Theory)表明，采用高無載Q值線圈可明顯提高諧振系統在低頻下的傳輸效率，促使超導諧振耦合系統設想的產生，但其高昂的成本不容忽視[6]。參考文獻[7]則提出采用阻抗變換電路改變負載等效阻抗的方法以提高系統的傳輸效率。PINTO[8]、TAK[9]和HUNTER[10]等人發現，采用不同模型，諧振耦合系統的能量傳輸效率均受諧振體距離和相對角度等諧振結構參數的影響，在一定結構條件下存在效率極值，這說明可通過優化設計諧振結構來有效提高傳輸效率。例如，羅斌等人最近便采用單中繼線圈顯著增大了小信號、低頻率RLC 串聯諧振系統的能量傳輸距離，且發現系統的傳輸效率和負載功率對中繼線圈的橫向偏移和角度傾斜變化不敏感。實驗還發現，線圈匝數與傳輸效率成負相關，而線圈半徑的增大對傳輸效率產生先提升后抑制的影響[11]。另外，串/并聯混合諧振電路、自適應頻率調節等方法也被預期可用于提升或保持系統的最佳傳輸效率。
    本文通過實驗探索了多負載線圈、單中繼線圈、隔磁材料貼附對諧振耦合無線電能傳輸系統能量傳輸效率的影響。
1 多接收線圈結構對傳輸效率的影響
    目前諧振耦合式無線電能傳輸系統多為單負載線圈結構。由于發射線圈發射磁場并無完全的單向性，在以其為中心的球形空間內均有一定程度的磁場分布，單線圈負載顯然無法接收整個磁場能量。采用多負載線圈結構理論上可提高磁場能量接收率，從而有望提升系統傳輸效率。
    圖1給出了本文實驗研究的單負載諧振結構和雙負載諧振結構的示意圖。其中單負載結構只有接收端1位于發射端的右端，雙負載結構的兩個接收端1與接收端2分別位于發射線圈軸線的兩個方向。

    實驗發現系統傳輸效率隨傳輸距離的增加呈現先增大后減小的演變行為。單負載系統和雙負載系統均在4 cm附近達到最大傳輸效率，小幅偏離最佳傳輸距離即可引起傳輸效率的快速下降，該結果同PINTO等人的理論研究結果一致[8-9]。極值兩側傳輸效率的對數值同傳輸距離近似成線形關系，此關系在圖2中體現得更為明顯。4 cm處系統最大傳輸效率從14.35%增加到45.7%。以上結果表明，通過增加接收線圈數量確實可提高發射磁場能量的利用率，提高系統的傳輸效率。值得指出的是，實際應用中還應考慮到多接收端對發射能量的分散作用，因此接收端的個數應視接收電壓而定，以保證接收端電壓可驅動負載。
2 中繼線圈對傳輸效率的影響
    HAMAM[12]和RANGELOV[13]等人均從理論上提出附加中繼線圈可改善諧振耦合無線電能傳輸系統的性能。圖3是在發射線圈和接收線圈間同軸附加中繼線圈的諧振耦合系統的示意圖。為保證系統的諧振性，中繼線圈諧振頻率與系統固有諧振頻率相同。

    實驗發現，中繼線圈與發射線圈間距離d對系統傳輸效率影響明顯。隨著中繼線圈遠離發射線圈，系統傳輸效率先后經歷緩慢增加、快速增加和快速下降(直至平穩)的過程，而最大傳輸效率對應的中繼線圈-發射線圈距離do則與傳輸距離l有關。
    此外還注意到，中繼線圈應在發射線圈與接收線圈發生諧振后放置，否則，中繼線圈對系統傳輸效率的提升作用便不明顯，這與RANGLOV等人的理論分析結果一致[13]。
    進一步的實驗表明，附加中繼線圈亦可明顯提高諧振耦合系統的傳輸效率，如圖4所示，且在較遠距離下中繼線圈對效率的提升更加明顯，這與反射阻抗隨中繼距離變小而增大有關。其中中繼線圈均放置在各傳輸距離對應的最佳位置處。由此可見中級線圈可起到增強磁場能量匯聚的作用。隨著傳輸距離的增加，無論是否附加中繼線圈，系統傳輸效率均逐漸減小。
    一般而言，線圈發射磁場的能量主要集中在以線圈軸線為軸、線圈面為頂面、發射角為?茲的錐臺空間內。當傳輸距離較小時，接收線圈即可覆蓋整個發射角，從而實現高的傳輸效率，此時附加中繼線圈所起到的能量匯聚作用對提高系統傳輸效率意義不大；增大傳輸距離時，傳輸線圈所覆蓋的發射角逐漸減小，因而傳輸效率逐漸下降，此時附加中繼線圈所產生的磁場能量匯聚作用可等價于減小傳輸距離，因而可有效提高系統的傳輸效率；若傳輸距離繼續增加到遠場，接收線圈覆蓋發射角很小，導致傳輸效率極小，即使附加中繼線圈，由于線圈間距離大，傳輸效率提升效果有限。此時可考慮適當增加中繼線圈數量，但由于中繼線圈存在能量損耗，不能無限增加，所以中級線圈數量應存在最佳值。
3 隔磁材料對傳輸效率的影響
    圖5給出了不同厚度的錳鋅鐵氧體隔磁片對傳輸效率的影響曲線。本實驗發現，隔磁片貼附在接收端可提升傳輸效率，而貼附在發射端系統時傳輸效率反而有所降低，可見由于隔磁片的磁場屏蔽和能量吸收作用，發射線圈貼覆隔磁片能降低系統傳輸效率，其機制有待進一步研究。實驗亦表明，隔磁材料對諧振耦合系統電能傳輸效率的調節能力與隔磁材料的磁導率亦存在關聯，磁導率越高，調節能力越強，實驗中采用的硬的鐵氧體隔磁片磁導率為125，軟的磁導率為45(在1 MHz下的值)。從圖5中可以看出，高磁導率的隔磁片對效率的提升作用大于低磁導率。
4 綜合系統
    從上面的實驗結果可知，添加多接收端、中繼線圈與隔磁片這3種方法都可以在一定程度上增加無線電能的傳輸效率。由圖6可知，構建綜合系統，在系統中同時應用上述方法，在傳輸距離l=5 cm時系統的傳輸效率從原來的25.85%提高到了85.4%。

    本實驗研究了多接收線圈、中繼線圈和隔磁片在提高低頻小線圈諧振耦合無線電能傳輸系統傳輸效率中的作用規律。研究發現，以上方法均可提高諧振耦合系統電能傳輸效率，其中多接收線圈和中繼線圈兩種方法的提升效果更加顯著。中繼線圈結構可使雙線圈系統在較寬的傳輸距離范圍內保持較高的傳輸效率。最后搭建了綜合系統，應用上述方法，系統總的傳輸效率與原始系統相比得到了明顯的提升。
參考文獻
[1] LI H L，HU A P，COVIC G A，et al.Optimal coupling condition of IPT system for achieving maximum power trmsfer[J].Electronics Letters，2009，45(1)：76-77.
[2] 汪強，李宏.基于磁耦合諧振的無線電能傳輸系統的研究[J].電子技術應用，2011，37(12)：72-75.
[3] 陳凱楠，趙爭鳴，張藝明.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展[J].中國電機工程學報，2012(32)：1-11.
[4] LINLIN T，HAO Q，XUELIANG H，et al.A novel optimization means of transfer efficiency for resonance coupled wireless  power transfer[J].Telkomnika，2013，11(5)：2747-2752.
[5] KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless power  transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Sciencexpress，2007，112(6)：1-10.
[6] SEDWICK R J.Long range inductive power transfer with superconducting oscillators[J].Annals of Physics，2010，325(2)：287-299.
[7] 王明東，陳園，吳銀鵬.F6系統無線電能傳輸的優化分析[J].現代電子技術，2012(21)：157-160.
[8] PINTO R L O，DUARTE R M，SOUSA F R，et al.Efficiency modeling of class-E power oscillators for wireless energy transfer[C].2013 IEEE International I2MTC，2013：271-275.
[9] YOUNDO T J P，SANGWOOK N.Mode-based analysis of resonant haracteristics for near-field coupled small antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009(8)：1238-1241.
[10] HUNTER D.Non-radiative resonant wireless energy transfer[D].University of Saskatchewan Saskatoon，2013.
[11] 陳逸鵬，聶一雄.諧振式無線電能傳輸系統諧振線圈優化設計[J].廈門理工學院學報，2012，20(3)：62-66.
[12] HAMAM R E，KARALIS A，JOANNOPOULOS J D，et al. Efficient weakly-radiative wireless energy transfer：an EIT-like approach[J].Annals of Physics，2009，324(8)：1783-1795.
[13] RANGELOV A A，NIKOLAY V V.Mid-range adiabatic wireless energy transfer via a mediator coil[J].Annals of  Physics，2012，327(9)：2245-2250.