摘  要： 簡(jiǎn)要介紹無(wú)線電能傳輸的發(fā)展,、模式分類(lèi)等，著重介紹了諧振耦合無(wú)線電能傳輸模式的工作原理,，分析了此種模式在解決微型傳感器能量供應(yīng)方面的局限和優(yōu)勢(shì),，最后提出了無(wú)線電能傳輸應(yīng)用于微型傳感器的待解決問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線電能傳輸,；諧振耦合,；微納電子器件

　19世紀(jì)末著名物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波后不久，尼古拉·特斯拉便提出利用電磁波攜帶能量實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸?shù)臉?gòu)想[1],。相對(duì)傳統(tǒng)有線電能傳輸技術(shù),，無(wú)線電能傳輸實(shí)現(xiàn)了電源和用電負(fù)載間完全的電氣隔離，不僅可克服輸電導(dǎo)線帶來(lái)的空間限制,、不易維護(hù)等問(wèn)題,，更可避免接觸放電等安全隱患，具有安全,、可靠,、靈活等無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]。無(wú)線供電經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展延伸出幾種不同的傳輸方式,，如圖1所示,。

　以上幾種無(wú)線電能傳輸模式各有優(yōu)勢(shì)和不足[3]，無(wú)線電波式傳輸距離可達(dá)千米級(jí),，但由于磁通向全方位空間輻射,，其接收功率只有毫瓦級(jí)，實(shí)用性不高,；超聲波式方向性強(qiáng),，能量易于集中且不受電磁干擾，但在空氣中傳播效率低,；微波式可穿透云層等障礙物,，傳輸距離遠(yuǎn)，且可攜帶能量高，但定向性差,，傳輸效率低且易干擾通信,；激光方式定向性很好，可攜帶能量高,，傳輸距離遠(yuǎn),，不存在干擾通信的問(wèn)題，缺點(diǎn)是易受障礙物影響,，能量損失大[4],。
　微型傳感器是一種尺寸從微米級(jí)到毫米級(jí)，有的甚至達(dá)到納米級(jí)的微型器件,。它是一種把微型敏感元件,、信號(hào)收集器件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成在一塊芯片上的綜合系統(tǒng)[5],。這種綜合系統(tǒng)可以獨(dú)立工作,，也可以協(xié)同工作，還可以異地聯(lián)網(wǎng)（傳感器網(wǎng)絡(luò)）[6],。隨著微電子加工技術(shù)的發(fā)展,，這些體積小功耗低具有很多功能的微型器件的應(yīng)用范圍將更加廣泛。但隨之而來(lái)的器件的能量供應(yīng)問(wèn)題也更加有待解決,。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)和微型植入式醫(yī)療設(shè)備多采用電池供電[7],。就傳感器網(wǎng)絡(luò)而言,，因所處環(huán)境一般為危險(xiǎn)地帶或人類(lèi)不易涉足之處,，這給傳感器更換電池帶來(lái)了很大的麻煩，直接廢棄則造成資源浪費(fèi)和環(huán)境的污染,。而對(duì)于微型植入式醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō),，通過(guò)外科手術(shù)的方式來(lái)給患者更換電池顯然不是一個(gè)好辦法。由于無(wú)線電能傳輸?shù)谋憬菪?，這使得它在給微型傳感器供電方面顯示出不同以往的價(jià)值,，從而成為近幾年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　目前進(jìn)行商品化實(shí)用性階段應(yīng)用的無(wú)線電能技術(shù)主要為電磁感應(yīng)式和諧振耦合式,。電磁感應(yīng)式是過(guò)去二十幾年來(lái)無(wú)線電能傳輸?shù)闹髁鱗8],，但因傳輸距離較短一直沒(méi)有很好的發(fā)展；諧振耦合式是2007年由美國(guó)MIT的研究小組提出并驗(yàn)證的一種不同以往的電能傳輸方式[9],，它在傳輸距離上較傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式有了大幅度的提升,。
1 無(wú)線電能傳輸原理與應(yīng)用
1.1 諧振耦合式無(wú)線電能傳輸理論基礎(chǔ)
　傳統(tǒng)的感應(yīng)耦合式無(wú)線電能傳輸是利用分離變壓器原理，在原副邊之間進(jìn)行能量傳輸,，缺點(diǎn)是傳輸距離一般都比較小,。諧振耦合式無(wú)線電能傳輸方式是在利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈共振進(jìn)行能量傳輸，這種方式于2006年11月由MIT的Marin Soljacic教授提出并在2007年進(jìn)行了基本的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[9]。相較傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)模式,，該模式的有效能量傳輸距離明顯提高,，近年來(lái)受到了十分廣泛的關(guān)注，圖2為諧振耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)圖,。

μ0為真空磁導(dǎo)率,，N1、N2為收發(fā)線圈的匝數(shù),，r1,、r2為收發(fā)線圈的半徑，D為兩線圈之間的距離,。從耦合系數(shù)k與互感M的關(guān)系可以看出k與D3成反比,，即通過(guò)降低系統(tǒng)耦合系數(shù)便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離能量傳輸；從km式可看出提高兩線圈的品質(zhì)因數(shù)可以減小在最大功率點(diǎn)的耦合系數(shù),，從而在較遠(yuǎn)的距離下仍可以獲得較高的傳輸功率,。諧振角頻率的公式與感應(yīng)耦合相同，參考文獻(xiàn)[9]上C用的是線圈自身的分布電容,，而參考文獻(xiàn)[13]則把電容串聯(lián)在線圈外部,。電容串聯(lián)在線圈外部比較有優(yōu)勢(shì)。原因是：（1）要改變外接電容的大小即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率,；（2）線圈形狀改變導(dǎo)致分布電容改變不會(huì)對(duì)系統(tǒng)諧振頻率造成影響,；（3）通過(guò)電容匹配使線圈固有諧振頻率與系統(tǒng)諧振頻率相同，不需發(fā)射線圈與接收線圈尺寸完全一致,。
1.2 諧振耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)
　能量傳輸距離,、輸出功率、傳輸效率是評(píng)價(jià)無(wú)線電能傳輸能力的關(guān)鍵指標(biāo),。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸相比,，諧振耦合的一個(gè)很顯著的優(yōu)點(diǎn)是在傳輸距離上有了很大的提高；繼2007年MIT“隔空”點(diǎn)亮2 m外60 W燈泡后,，在日本的Nillei Electronics Conference中,，Witriciy公司的首席執(zhí)行官Eric Giler隔空點(diǎn)亮了一個(gè)1 000 W的強(qiáng)弧光燈，其距離相當(dāng)一個(gè)房間的大小,，遠(yuǎn)大于傳輸60 W的實(shí)驗(yàn)距離,，目前該技術(shù)的最大功率記錄為3 300 W，足以為一輛電動(dòng)汽車(chē)充電[14],；另外諧振耦合式的能量傳輸主要基于收發(fā)線圈的共振,，因此收發(fā)線圈并不需要同軸，華盛頓大學(xué)Joshua R. Smith 等人提出用自調(diào)諧技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)傳輸距離和方位改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)共振頻率和接收效率的影響,；他們的實(shí)驗(yàn)表明采用該技術(shù)后接收線圈可以任意方位移動(dòng)并仍能在0~70 cm范圍內(nèi)維持70%以上的效率[15],；再次諧振耦合式是中等距離的能量傳輸,，經(jīng)過(guò)適當(dāng)開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)電器的無(wú)線供電,，這將給人們的生活帶來(lái)極大的便捷,；諧振耦合式能量傳輸是不受非磁性障礙物的影響，這使得這種無(wú)線能量傳輸?shù)膽?yīng)用范圍更加廣闊,。
1.3 諧振耦合式無(wú)線能量傳輸在微型傳感器上的應(yīng)用
　微型傳感器按照被測(cè)量物的性質(zhì)可分為化學(xué)微傳感器,、生物微傳感器、物理微傳感器等,。由于微傳感器體積小,、功耗小、便于集成化,，多功能化,、成本低、便于批量生產(chǎn)等特點(diǎn),，使它成為目前最具實(shí)用性的機(jī)電器件[16],。
　傳統(tǒng)的微型傳感器大多采用電池供電，受傳感器體積小的限制,，自帶電池的能量十分有限,，無(wú)法滿足傳感器長(zhǎng)期工作的需求，導(dǎo)致其無(wú)法工作而報(bào)廢,，這不僅降低了傳感器工作壽命,，隨著微型傳感器的大量應(yīng)用，更換電池也會(huì)浪費(fèi)人力和污染環(huán)境,。特別是在一些特殊場(chǎng)合,，如動(dòng)物和人體內(nèi)的微傳感器、建筑中的傳感器,、無(wú)人地帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)等,，通過(guò)更換電池的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)能量供給是不現(xiàn)實(shí)的。因此微傳感器的能量供應(yīng)問(wèn)題極大地限制了傳感器的應(yīng)用特別是在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的微傳感器,，能量供應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)成為微傳感器的發(fā)展瓶頸。為解決這一問(wèn)題,，可以從兩個(gè)方面入手：降低能耗和能量供應(yīng),。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下降低傳感器能耗以達(dá)到延長(zhǎng)傳感器壽命的目的，但這樣做所節(jié)省下來(lái)的能量畢竟有限,，不是長(zhǎng)久之計(jì),；從能量供應(yīng)方面入手，無(wú)線電能傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使微傳感器的應(yīng)用更加廣泛,。
　圖4[17]是布置在山區(qū)無(wú)人地帶用來(lái)執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),。而圖5[17]中則用對(duì)比的方法來(lái)使人們一目了然地了解無(wú)線供電的好處,。

　用無(wú)線的方式給微型傳感器供電這將使傳感器擺脫電池的束縛，而且更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保,。因?yàn)闊o(wú)線電能傳輸與電池相比,，即使是只有1%的效率也比較劃算，因?yàn)殡姵氐某杀臼请娋W(wǎng)電能的350倍[6],。諧振耦合式無(wú)線電能傳輸是近幾年新興的一種電能傳輸方式,，與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)相比，傳輸距離比較遠(yuǎn),；與電磁波相比,，在它的有效磁場(chǎng)范圍內(nèi)，傳輸功率比較大,，且對(duì)人體產(chǎn)生的輻射小,，所以諧振耦合式是一種在中短距離范圍內(nèi)比較好的無(wú)線電能傳輸方式。
　雖然諧振耦合式無(wú)線電能傳輸在給微型傳感器供電方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),，但大多還處于實(shí)驗(yàn)階段：MIT做了一個(gè)大線圈同時(shí)為兩個(gè)小線圈供電的裝置,，研究了多接收裝置對(duì)系統(tǒng)調(diào)諧和接收效率的影響[18]。參考文獻(xiàn)[19]采用MIT的磁共振技術(shù),，構(gòu)建了一個(gè)頻率可調(diào)的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)為生物傳感器和植入式醫(yī)用傳感器進(jìn)行無(wú)線供電,。MIT為小型線圈供電，如圖6所示,。

　參考文獻(xiàn)[20]以生物醫(yī)學(xué)傳感器為應(yīng)用背景,，采用四諧振系統(tǒng)，從電路理論角度出發(fā),，研究了諧振耦合式無(wú)線電能傳輸在小功率方面的應(yīng)用與優(yōu)化,。此外，國(guó)內(nèi)中山大學(xué)研制了一個(gè)小功率無(wú)線能量傳輸系統(tǒng),，并論證了線圈采用多股線圈的優(yōu)勢(shì),，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸入功率為1 W時(shí)，能點(diǎn)亮4 m外的一個(gè)發(fā)光二極管,，傳輸效率在10%左右[21],。總體來(lái)說(shuō),，對(duì)于給微傳感器進(jìn)行無(wú)線供電還處于理論研究和實(shí)驗(yàn)階段,，如果能取得突破性進(jìn)展，將使微型傳感器擺脫電池的束縛,，使用更加便捷,，應(yīng)用更加廣泛。
2 尚待解決的問(wèn)題
　諧振耦合式無(wú)線電能的傳輸距離還有待提高,；無(wú)線電能不論是在給便捷電子產(chǎn)品充電還是給微型傳感器供電時(shí)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),，比如不同廠家不同產(chǎn)品的收發(fā)線圈標(biāo)準(zhǔn)等,；對(duì)人體的影響，發(fā)射功率發(fā)射距離的不同,，電磁場(chǎng)的強(qiáng)度也不同,，還沒(méi)有相關(guān)的數(shù)據(jù)表明無(wú)線電能傳輸對(duì)人體完全無(wú)害。雖然東京理科大學(xué)的研究小組進(jìn)行了為人工心臟提供無(wú)線電源對(duì)人體影響的研究[22],，但在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)家庭用電的無(wú)線供應(yīng),，或在人類(lèi)居住區(qū)給傳感器網(wǎng)絡(luò)供電等還沒(méi)有相關(guān)的研究結(jié)果表明這種使人長(zhǎng)期處于一定功率電磁場(chǎng)范圍內(nèi)的方式一定安全。
　本文介紹了微型傳感器傳統(tǒng)的供電方式以及這種方式所帶來(lái)的弊端,。提出更好的電能供給方式,，即無(wú)線供電。比較了幾種無(wú)線供電方式的利弊,，著重介紹了諧振耦合式這種新興無(wú)線供電方式的原理和現(xiàn)在的研究進(jìn)展,，闡述了這種無(wú)線電能傳輸方式在微型傳感器上的應(yīng)用范圍與優(yōu)勢(shì)，最后提出了尚待解決的問(wèn)題,。
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