一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法，该装置包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。本发明专利技术能够实现测量设备与待测谐振器之间的隔离，测量结果稳定且其方法拟合精度高，估计得到的耦合谐振器参数更加准确。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法
本专利技术涉及无线电能传输或无线输电技术的领域，尤其是指一种耦合谐振器参数提取装置及其提取方法。
技术介绍
中长距离大功率无线电能传输系统主要通过发射线圈与接收线圈耦合产生的电磁场进行电能传输。发射线圈与发射端谐振电容组成发射端谐振器，接收线圈与接收端谐振电容组成接收端谐振器，当发射端谐振器的谐振频率与接收端谐振频率一致时，发射端谐振器与接收端谐振器进行完全能量传递。对于磁谐振式无线电能传输系统，系统的工作频率与两谐振器的谐振频率一致，在特定的传输距离下，系统的极限效率由发射线圈和接收线圈之间的耦合系数和两谐振器固有品质因数的乘积决定，这一乘积越大，系统能达到的效率越高；对于基于宇称-时间对称的无线输电系统，接收端谐振器的有载品质因数决定了系统稳定传输的临界传输距离，临界传输距离下发射线圈和接收线圈之间的耦合系数与谐振器的固有品质因数决定了系统的稳定传输下的极限效率。因此，准确提取谐振器的谐振频率，品质因数和谐振器间的耦合耦合系数对于无线输电系统的设计具有重要实际意义。目前耦合谐振器参数主要采用网络矢量分析仪或阻抗分析仪等测量设备直接测量。当谐振器谐振频率达到几兆至十几兆赫兹时，采用这种直接测量方法带来以下问题：一是线圈对于周围环境十分敏感，线圈的分布电容引起测量结果不稳定，当线圈位置移动、环境改变或连接配件发生变化时，阻抗测量设备的测量结果变化显著。二是谐振频率附近阻抗波动范围大，对测量结果引入较大的测量误差。对于线圈与谐振电容组成串联谐振回路的谐振器，测量阻抗在几欧姆(谐振频率处)到上千欧姆(偏离谐振频率)之间变化，对于线圈与谐振电容组成并联谐振回路的谐振器，测量阻抗则在上千欧姆(谐振频率处)到几百欧姆(偏离谐振频率)波动。特别地，对于高品质因谐振器，上述变化发生在极窄的频带内。三是阻抗测量设备精确测量的阻抗范围有限。对于矢量网络分析仪，被测阻抗限定为5～500欧姆；对于精密阻抗分析仪，以英国稳科电子仪器的6500B为例，当测量频率达到1MHz以上时，被测阻抗不应超过5000欧姆。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种高品质因数耦合谐振器参数提取装置及其提取方法，适用于无线电能传输系统，能够实现测量设备与被测对象的隔离，具有测量稳定、参数提取精度高和适用性广等优点。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种耦合谐振器参数提取装置，包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；所述发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；所述探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；所述发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。所述散射参数测量装置测量探测线圈一端口不少于1600个数据点的输入反射系数，测量频率范围的中心频率为谐振器预估的谐振频率。所述探测线圈的电感小于待测谐振器等效电感一个数量级，且能够根据散射参数测量装置显示的输入反射系数幅值调整探测线圈与待测谐振器之间的探测距离。所述发射端谐振器按照无线电能传输系统设计要求作为能量发射端，发射线圈与发射端谐振电容组成串联谐振电路，或者发射线圈与发射端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用发射线圈寄生电容为发射端谐振电容，与发射线圈组成自谐振回路。所述接收端谐振器按照无线电能传输系统设计要求作为能量接收端，接收线圈与接收端谐振电容组成串联谐振电路，或者接收线圈与接收端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用接收线圈寄生电容为接收端谐振电容，与接收线圈组成自谐振回路。所述发射端谐振器和接收端谐振器的品质因数均不小于100。上述的耦合谐振器参数提取装置的提取方法，具体如下：利用探测线圈和发射线圈经电磁场耦合测得的输入反射系数数据，在Smith圆图上拟合估计发射端谐振器的谐振频率和品质因数；利用探测线圈和接收线圈经电磁场耦合测得的输入反射系数数据，在Smith圆图上拟合估计接收端谐振器的谐振频率和品质因数；在特定传输距离下，探测线圈与发射线圈经电磁场耦合，发射线圈与接收线圈经电磁场耦合，利用测得的输入反射系数数据在Smith圆图上拟合估计发射端谐振器与接收端谐振器之间的耦合系数。上述的高品质因数耦合谐振器的参数提取装置的提取方法，可以根据谐振频率附近测量的不少于1600个输入反射系数数据，利用精度在3％以内的拟合算法，得到耦合谐振器参数的准确值。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、通过采用探测线圈实现了测量装置与待测谐振器的隔离，最大限度地消除了谐振器分布参数和测量配件对测量结果的影响。2、待测谐振器的阻抗以反射阻抗形式计入到测量端口的输入阻抗中，阻抗频谱由直接测量的“高瘦”型变为“矮胖”型，减小了测量误差。3、通过调整探测线圈与发射线圈或接收线圈，限定输入阻抗始终处于测量装置高精度测量区间，减少了测量成本。4、通过调整拟合算法，提高了耦合谐振器参数提取精度，使得结果更加准确。附图说明图1为本专利技术参数提取装置的结构示意图。图2为本专利技术提取串联型谐振器谐振频率和品质因数的等效电路图。图3为本专利技术提取发射端谐振器和接收端谐振器之间耦合系数的等效电路图。图4为探测线圈端口输入阻抗在复平面的曲线。图5为探测线圈端口输入反射系数在Smith圆图上的曲线。图6为发射端谐振器和接收端谐振器发生强耦合时输入阻抗在复平面的曲线以及输入反射系数在Smith圆图上的曲线。图7为发射端谐振器和接收端谐振器发生弱耦合时输入阻抗在复平面的曲线以及输入反射系数在Smith圆图上的曲线。图8为发射端谐振器和接收端谐振器发生强耦合转向弱耦合中输入阻抗在复平面的曲线以及输入反射系数在Smith圆图上的曲线。具体实施方案下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本实施例所提供的耦合谐振器参数提取装置，包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；所述发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；所述探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；所述发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。所述散射参数测量装置测量探测线圈一端口不少于1600个数据点的输入反射系数，测量频率范围的中心频率为谐振器预估的谐振频率。探测线圈的电感小于待测谐振器等效电感一个数量级，可根据散射参数测量装置显示的输入反射系数幅值调整探测线圈与待测谐振器之间的探测距离。所述发射端谐振器按照无线电能传输系统设计要求作为能量发射端，发射线圈与发射端谐振电容组成串联谐振电路，或者发射线圈与发射端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用发射线圈寄生电容为发射端谐振电容，与发射线圈组成自谐振回路。所述接收端谐振器按照无线电能传输系统设计要求作为能量接收端，接收线圈与接收端谐振电容组成串联谐振电路，或者接收线圈与接收端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用接收线圈寄生电容为接收端谐振电容，与接收线圈组成自谐振回路。所述发射端谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；所述发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；所述探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；所述发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。

【技术特征摘要】
1.一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：包括散射参数测量装置、探测线圈、发射端谐振器和接收端谐振器；所述发射端谐振器由发射线圈和发射端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述接收端谐振器由接收线圈和接收端谐振电容组成，以谐振回路连接；所述散射参数测量装置测量端口经同轴电缆与探测线圈连接；所述探测线圈在特定的探测距离下与发射线圈或接收线圈经电磁场耦合；所述发射线圈在特定的传输距离下与接收线圈经电磁场耦合。2.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述散射参数测量装置测量探测线圈一端口不少于1600个数据点的输入反射系数，测量频率范围的中心频率为谐振器预估的谐振频率。3.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述探测线圈的电感小于待测谐振器等效电感一个数量级，且能够根据散射参数测量装置显示的输入反射系数幅值调整探测线圈与待测谐振器之间的探测距离。4.根据权利要求1所述的一种耦合谐振器参数提取装置，其特征在于：所述发射端谐振器按照无线电能传输系统设计要求作为能量发射端，发射线圈与发射端谐振电容组成串联谐振电路，或者发射线圈与发射端谐振电容组成并联谐振回路，或者采用发射线圈寄生电容为发射端谐振电容，与发射线圈组成自谐振回...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，周佳丽，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44