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1、基于优化无线射频识别传感器磁共振法的无线电传输摘要 本文在27.2MHz无线射频识别频率下，通过强耦合磁共振法(SCMR)研究无线电传感器。该系统由2个单层振荡线圈和2个自谐振线圈组成，与无线射频识别系统中传统的谐振回路不同，该系统通过仿真软件来设计，并已经过测试验证，证明得出该设计和预期效果一样高效。它远比传统的无线射频回路高效，因为SCMR电源模式下所采用的单层振荡线圈和自谐振线圈都有很高的功率因数。关键字 无线传感器 磁共振 耦合 效率.引言中距离范围（10-100cm）的有效无线电模式的发展将会促进某些地区工程的开发。它也将消除传统移动设备有线充电器的困扰。功率的需求根据各种应用而变化
2、，大到经典无线射频识别传感器的几十兆瓦，小到移动多媒体设备和通信设备的几瓦。无线电传输技术是基于大量的电感耦合研究基础之上的。无线射频识别传感器主要是用来传送能量和无线数据的。而SCMR技术相比于谐振电感耦合的主要优势在于中距离输电的能力很强。过去采用过很多种无线电传输方式，最流行的一种是在电路中加一个并联电容器，使它来产生共振。值得一提的是，这种无线电传输已经在某些应用中使用了。例如，电子标签，无线传感器和医药领域。据报道这种电感耦合技术在短距离（1-3cm）下的传输效率很高（接近90%）。然而，这个技术的效率正在逐渐降低。这篇文章详细的分析了基于优化的SCMR技术的无线电传输效率问题。SC
3、MR技术是最近才发展起来的一种新型中距离无辐射无线输电方法。这种方法在小范围内操作。它已经在空对空的无线电传输中使用了，使用的是一副直径是60cm的线圈。本文中，在无线电射频识别系统中使用SCMR法是因为它的频率和控制范围要比传统法要好。除此之外，在距离接受机2米的情况下，SCMR法能够获得空间中40%的能量。其次，它同时能延伸到空间里的很多接受设备。无线传输的效率能达到60%。而且，这个效率还在快速提高，确保电源和负载线圈在自谐振频率下也能谐振。在不均匀介质中的SCMR技术已得到了一定的研究。这篇文章提出了一个优化系统，它将支持无线电传输在无线射频频率为27.2Mhz的情况下工作。使2个单层
4、振荡线圈和2个自谐振线圈在相同频率下振荡，这能够提高系统的效率。通过螺旋振荡器的调谐来适应每个螺旋的高度和间距，最后通过测量来验证结果。.强耦合磁共振无线电传输空中无线电螺旋线圈（每根半径30cm），工作于10MHz频率。这些螺旋线并不是适合所有无线射频设备。并且，它们工作于10MHz，这并不是无线射频频率。这里，我们设计一个优化SCMR系统来使它们工作于27.2MHz无线射频频率下。一个经典SCMR系统由两个螺旋线和两个单回路组成，如图1所示。在设置中，电源回路和TX线圈之间的距离为l1，RX线圈和TX线圈之间的距离为l2，负载回路和RX线圈之间的距离为l3。同时，Ks，Ktx-rx，Kd分
5、别是TX电源回路和TX线圈，TX线圈和RX线圈，RX线圈和负载回路的耦合系数。电源回路和功率电源相连，并且和TX线圈耦合。TX线圈在期望的频率下振荡，这也是它的最大Q因数频率。RX线圈也在最大Q因数频率下振荡并且和负载回路电感耦合。最后一个回路是负载回路，它和RX线圈电感耦合。建模和测量的表达式如下：L是各回路和线圈的自感系数，C是各线圈的等效并联电容值，r是螺旋线半径，a是线圈截面半径，Q是功率因数。几何参数计算：r=6.2cm，a=0.22cm，N=6。电源回路和负载回路之间的距离是：l1 =l3 =2cm,l2 =15,30,45cm（见图1）。螺旋线和线圈都是铜的。该设计使用Ansof
6、t HFSS和Nexxim软件。该设计的具体方法将会在以后指出。SCMR法无线电传输效率计算公式如下：同时，基于SCMR技术的优化无线电传输，线圈和螺旋线之间的距离都是校正过的，如果，Z0=ZL=50欧，那么r=0，我们可以写为：因此，又可以写为：初始的设计经过仿真和测量，15cm的时候仿真出来的效率是88.6%要比测量效率81.3%要高。而45cm的时候仿真出来的效率是38.5%而测量效率是33.5%。为了进一步的提高效率，需要取合适的电容来使电源回路和负载回路工作于理想的振荡频率，fr从1式和2式得出，得出的电容值为167nF。这用来优化无线电传输效率。优化过的SCMR系统电路表示如图2，
7、C1和C2在单线圈共振中是必不可少的。优化的SCMR设计也在Ansoft HFSS和Nexxim软件中分析和仿真过了。所有测量通过示波器完成。实验室测量设备如图3所示。在3种不同的距离间隔下执行仿真和测量，但这里只详细介绍两个。仿真和测试的S参数如图4a，b所示，两个距离（15,30cm）的频率如图4c所示。图4c证明在预期的27.2Mhz下得到了峰值效率，并且该最大值从l为15cm时仿真结果为91.5%变化到l为45cm时仿真结果为37.1%。除此之外，测量结果和仿真结果相当吻合，因此证明了我们设计的正确性。更进一步的比较将在以后进行。我们也将通过仿真和测量来对比SCMR设计法和传统法的不同之处，以此来证明我们提出的设计法能提高效率。图4所示的结果清楚的显示出了在预期无线射频识别频率下优化了的SCMR设计能提供最大化的无线电传输效率。表1是两种SCMR设计（测量）的比较：a的设计是只有螺旋线振荡，b的设计是整个系统都振荡，包括螺旋线和回路。表1显示的是共振电源负载回路加之前和加之后的效率比较。加之后的效率要比不加高。.总结基于优化的SCMR技术的无线电传输系统的传输效率很高，范围从距离为15cm时效率为90.2%变化到距离是45cm时效率为35%。本文所介绍的设计的效率比传统的电感耦合和SCMR设计的效率要高。因此，这种优化了的SCMR技术能使无线射频传感器更高效。
