用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法，确定磁耦合谐振系统的发射功率1w、距离0.2m及谐振频率1.7MHz，建立系统的数学模型，计算发射及接收线圈的参数；利用Matlab中计算获得的参数在高频仿真软件ADS中建立系统的简化模型；设定参数后仿真优化线圈的电感值、谐振电容值、及发射与接收线圈之间的耦合系数；确定耦合系数后即可根据公式优化线圈半径及线圈匝数；在ADS的Layout环境中建立线圈的实物模型，确定PCB线圈的参数。使用印刷工艺保证线圈线径精度、线间距的一致性及绕线的顺直性；排除因为线圈制作工艺精度问题造成的磁耦合谐振系统传输效率的降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于线圈
，尤其涉及一种用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法。
技术介绍
在磁耦合谐振无线输电系统中，线圈的制作精度是决定系统的输电效率因素之一。而线圈的绕制通常会受到线径粗细不一、线不能完全顺直、线间距不能一致等的工艺问题的影响，导致系统实际参数与计算参数不符，降低系统传输效率。现阶段制作无线输电系统中的线圈都是绕制而成，绕制线圈的制作工艺是将弯曲的导线与导线粘合在一起形成线圈。首先绕制线圈的导线由于制作精度问题导致线径不同，其次在线圈绕制过程中可能会发生导线的不正常弯折，再次由于粘胶的厚度不同导致线间距不同，这些原因都会导致制作出来的线圈参数与计算参数有差异，导致磁耦合谐振无线输电系统的效率降低。综上所述，磁耦合谐振系统中线圈的制作通常会受到线径粗细不一、线不能完全顺直、线间距不能一致等的工艺问题的影响，导致系统实际参数与计算参数不符，降低系统传输效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法，旨在解决磁耦合谐振系统中线圈的制作通常会受到线径粗细不一、线不能完全顺直、线间距不能一致等的工艺问题的影响，导致系统实际参数与计算参数不符，降低系统传输效率的问题。本专利技术是这样实现的，一种用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法，所述用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法包括以下步骤：步骤一，首先确定磁耦合谐振系统的发射功率1w、距离0.2m及谐振频率1.7MHz，使用MATLAB建立系统的数学模型，选择使用平面螺旋式线圈，按照系统要求的距离0.2m、功率1W、谐振频率1.7MHz等计算发射及接收线圈的参数；利用Matlab中计算获得的参数在高频仿真软件ADS中建立系统的简化模型；步骤二，设定输入功率、谐振频率、距离、线圈电感等参数后仿真优化线圈的电感值、谐振电容值、及发射与接收线圈之间的耦合系数；确定耦合系数后即可根据公式优化线圈半径及线圈匝数；步骤三，在ADS的Layout环境中建立线圈的实物模型，设定PCB介质的厚度、介质系数、铜厚、介质损耗系数等，利用ADS中的EM有限元分析法功能继续对线圈进行仿真优化，最终确定PCB线圈的参数。进一步，所述参数包括线圈电感、线圈线径、线圈匝数、线圈间距、线圈内环半径、线圈外环半径。进一步，所述线圈电感的计算公式为：其中ra线圈平均半径，c为线圈总宽，N为匝数。进一步，所述PCB线圈的各参数为：电感值L＝14.11uH，线圈匝数N＝16，线径a＝0.8mm，内径R1＝17mm，外径R2＝38mm，铜皮厚度为1oz。本专利技术的另一目的在于提供一种由所述用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法得到的PCB线圈。本专利技术提供的用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法，使用印刷工艺保证线圈线径精度、线间距的一致性及绕线的顺直性；排除因为线圈制作工艺精度问题造成的磁耦合谐振系统传输效率的降低，实验验证PCB线圈相对于普通绕制线圈对系统输电效率提升5.3％。附图说明图1是本专利技术实施例提供的用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈设计方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的完善后的PCB示意图。图3是本专利技术实施例提供的简化模型示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本专利技术实施例提供的用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈设计方法包括：S101：首先确定磁耦合谐振系统的发射功率1w、距离0.2m及谐振频率1.7MHz，使用MATLAB建立系统的数学模型，选择使用平面螺旋式线圈，按照系统要求的距离0.2m、功率1W、谐振频率1.7MHz等计算发射及接收线圈的参数；利用Matlab中计算获得的参数在高频仿真软件ADS中建立系统的简化模型；S102：设定输入功率、谐振频率、距离、线圈电感等参数后仿真优化线圈的电感值、谐振电容值、及发射与接收线圈之间的耦合系数；确定耦合系数后即可根据公式优化线圈半径及线圈匝数；S103：在ADS的Layout环境中建立线圈的实物模型，设定PCB介质的厚度、介质系数、铜厚、介质损耗系数等，利用ADS中的EM有限元分析法功能继续对线圈进行仿真优化，最终确定PCB线圈的参数。本专利技术的具体步骤如下：首先确定磁耦合谐振系统的发射功率1w、距离0.2m及谐振频率1.7MHz，使用MATLAB建立系统的数学模型，选择使用平面螺旋式线圈，按照系统要求的距离0.2m、功率1W、谐振频率1.7MHz等计算发射及接收线圈的参数，其参数包括线圈电感、线圈线径、线圈匝数、线圈间距、线圈内环半径、线圈外环半径。例如线圈电感的计算公式为：其中ra线圈平均半径，c为线圈总宽，N为匝数。利用Matlab中计算获得的参数在高频仿真软件ADS中建立系统的简化模型，如图3所示。设定输入功率、谐振频率、距离、线圈电感等参数后仿真优化线圈的电感值、谐振电容值、及发射与接收线圈之间的耦合系数。确定耦合系数后即可根据公式优化线圈半径及线圈匝数，然后在ADS的Layout环境中建立线圈的实物模型，设定PCB介质的厚度、介质系数、铜厚、介质损耗系数等，利用ADS中的EM有限元分析法功能继续对线圈进行仿真优化，最终确定PCB线圈的各参数为：电感值L＝14.11uH，线圈匝数N＝16，线径a＝0.8mm，内径R1＝17mm，外径R2＝38mm，铜皮厚度为1oz。将ADS的线圈模型导入进AltiumDesigner中进行完善，添加需要的电容、焊盘等封装，设置线圈的PCB介质板边界。实际制作的PCB线圈与计算的PCB线圈参数达到了高度的一致性，并且在磁耦合谐振无线输电的实验中验证了PCB线圈的良好效果，在发射与接收线圈距离0.22m的位置上获得系统输电效率高达86.4％，相较于本实验前期工作中制作的绕制线圈效率提升了5.3％。至此获得了一种用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈。下面结合实验对本专利技术的应用效果作详细的描述。1、使用MATLAB建立系统模型，选择使用平面螺旋式线圈，按照系统要求的距离、功率、谐振频率等计算发射及接收线圈的参数，其参数包括线圈电感、线圈线径、线圈匝数、线圈间距、线圈内环半径、线圈外环半径。其中系统传输距离定为0.2m，发射功率为1W，谐振频率定为1.7MHz。其中，线圈匝数N定位16，由公式计算线圈线径为0.9mm，线圈间距为0.3mm，线圈内环半径为17.6mm，线圈外环半径为38.9mm。其中线圈电感由公式计算得L＝13.05uh。2、使用ADS对线圈进行三维建模，仿真计算、优化线圈的分布电感、分布电容及线圈电阻。最终优化得到的参数为：电感值L＝14.11uH，线圈匝数N＝16，线径a＝0.8mm，内径R1＝17mm，外径R2＝38mm，铜皮厚度为1oz。3、使用ALtiumDesigner电路(PCB)设计软件，绘制与完善线圈的PCB模型，添加需要的电容、电阻、过孔、焊盘等封装，设置线圈的PCB介质板边界，完善后的PCB如图2所示，投板制作。4、使用设计制作的PCB线圈进行磁耦合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法，其特征在于，所述用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法包括以下步骤：步骤一，首先确定磁耦合谐振系统的发射功率1w、距离0.2m及谐振频率1.7MHz，使用MATLAB建立系统的数学模型，选择使用平面螺旋式线圈，按照系统要求的距离0.2m、功率1W、谐振频率1.7MHz计算发射及接收线圈的参数；利用Matlab中计算获得的参数在高频仿真软件ADS中建立系统的简化模型；步骤二，设定输入功率、谐振频率、距离、线圈电感参数后仿真优化线圈的电感值、谐振电容值、及发射与接收线圈之间的耦合系数；确定耦合系数后即可根据公式优化线圈半径及线圈匝数；步骤三，在ADS的Layout环境中建立线圈的实物模型，设定PCB介质的厚度、介质系数、铜厚、介质损耗系数，利用ADS中的EM有限元分析法功能继续对线圈进行仿真优化，最终确定PCB线圈的参数。

【技术特征摘要】
1.一种用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法，其特征在于，所述用于磁耦合谐振无线输电系统的PCB线圈的设计方法包括以下步骤：步骤一，首先确定磁耦合谐振系统的发射功率1w、距离0.2m及谐振频率1.7MHz，使用MATLAB建立系统的数学模型，选择使用平面螺旋式线圈，按照系统要求的距离0.2m、功率1W、谐振频率1.7MHz计算发射及接收线圈的参数；利用Matlab中计算获得的参数在高频仿真软件ADS中建立系统的简化模型；步骤二，设定输入功率、谐振频率、距离、线圈电感参数后仿真优化线圈的电感值、谐振电容值、及发射与接收线圈之间的耦合系数；确定耦合系数后即可根据公式优化线圈半径及线圈匝数；步骤三，在ADS的Layout环境中建立线圈的实物模型，设定PCB介质的厚度、介质系数、铜厚、介质损耗系数，利用ADS中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓宁，李均龙，申世军，赵雨，宫大为，刘洋，叶小龙，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51