本發明屬于線圈技術領域，尤其涉及一種用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈的設計方法。

背景技術：

在磁耦合諧振無線輸電系統中，線圈的制作精度是決定系統的輸電效率因素之一。而線圈的繞制通常會受到線徑粗細不一、線不能完全順直、線間距不能一致等的工藝問題的影響，導致系統實際參數與計算參數不符，降低系統傳輸效率。現階段制作無線輸電系統中的線圈都是繞制而成，繞制線圈的制作工藝是將彎曲的導線與導線粘合在一起形成線圈。首先繞制線圈的導線由于制作精度問題導致線徑不同，其次在線圈繞制過程中可能會發生導線的不正常彎折，再次由于粘膠的厚度不同導致線間距不同，這些原因都會導致制作出來的線圈參數與計算參數有差異，導致磁耦合諧振無線輸電系統的效率降低。

綜上所述，磁耦合諧振系統中線圈的制作通常會受到線徑粗細不一、線不能完全順直、線間距不能一致等的工藝問題的影響，導致系統實際參數與計算參數不符，降低系統傳輸效率。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈的設計方法，旨在解決磁耦合諧振系統中線圈的制作通常會受到線徑粗細不一、線不能完全順直、線間距不能一致等的工藝問題的影響，導致系統實際參數與計算參數不符，降低系統傳輸效率的問題。

本發明是這樣實現的，一種用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈的設計方法，所述用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈的設計方法包括以下步驟：

步驟一，首先確定磁耦合諧振系統的發射功率1w、距離0.2m及諧振頻率1.7MHz，使用MATLAB建立系統的數學模型，選擇使用平面螺旋式線圈，按照系統要求的距離0.2m、功率1W、諧振頻率1.7MHz等計算發射及接收線圈的參數；利用Matlab中計算獲得的參數在高頻仿真軟件ADS中建立系統的簡化模型；

步驟二，設定輸入功率、諧振頻率、距離、線圈電感等參數后仿真優化線圈的電感值、諧振電容值、及發射與接收線圈之間的耦合系數；確定耦合系數后即可根據公式優化線圈半徑及線圈匝數；

步驟三，在ADS的Layout環境中建立線圈的實物模型，設定PCB介質的厚度、介質系數、銅厚、介質損耗系數等，利用ADS中的EM有限元分析法功能繼續對線圈進行仿真優化，最終確定PCB線圈的參數。

進一步，所述參數包括線圈電感、線圈線徑、線圈匝數、線圈間距、線圈內環半徑、線圈外環半徑。

進一步，所述線圈電感的計算公式為：其中r_a線圈平均半徑，c為線圈總寬，N為匝數。

進一步，所述PCB線圈的各參數為：電感值L＝14.11uH，線圈匝數N＝16，線徑a＝0.8mm，內徑R1＝17mm，外徑R2＝38mm，銅皮厚度為1oz。

本發明的另一目的在于提供一種由所述用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈的設計方法得到的PCB線圈。

本發明提供的用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈的設計方法，使用印刷工藝保證線圈線徑精度、線間距的一致性及繞線的順直性；排除因為線圈制作工藝精度問題造成的磁耦合諧振系統傳輸效率的降低，實驗驗證PCB線圈相對于普通繞制線圈對系統輸電效率提升5.3％。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈設計方法流程圖。

圖2是本發明實施例提供的完善后的PCB示意圖。

圖3是本發明實施例提供的簡化模型示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例提供的用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈設計方法包括：

S101：首先確定磁耦合諧振系統的發射功率1w、距離0.2m及諧振頻率1.7MHz，使用MATLAB建立系統的數學模型，選擇使用平面螺旋式線圈，按照系統要求的距離0.2m、功率1W、諧振頻率1.7MHz等計算發射及接收線圈的參數；利用Matlab中計算獲得的參數在高頻仿真軟件ADS中建立系統的簡化模型；

S102：設定輸入功率、諧振頻率、距離、線圈電感等參數后仿真優化線圈的電感值、諧振電容值、及發射與接收線圈之間的耦合系數；確定耦合系數后即可根據公式優化線圈半徑及線圈匝數；

S103：在ADS的Layout環境中建立線圈的實物模型，設定PCB介質的厚度、介質系數、銅厚、介質損耗系數等，利用ADS中的EM有限元分析法功能繼續對線圈進行仿真優化，最終確定PCB線圈的參數。

本發明的具體步驟如下：

首先確定磁耦合諧振系統的發射功率1w、距離0.2m及諧振頻率1.7MHz，使用MATLAB建立系統的數學模型，選擇使用平面螺旋式線圈，按照系統要求的距離0.2m、功率1W、諧振頻率1.7MHz等計算發射及接收線圈的參數，其參數包括線圈電感、線圈線徑、線圈匝數、線圈間距、線圈內環半徑、線圈外環半徑。例如線圈電感的計算公式為：其中r_a線圈平均半徑，c為線圈總寬，N為匝數。利用Matlab中計算獲得的參數在高頻仿真軟件ADS中建立系統的簡化模型，如圖3所示。

設定輸入功率、諧振頻率、距離、線圈電感等參數后仿真優化線圈的電感值、諧振電容值、及發射與接收線圈之間的耦合系數。確定耦合系數后即可根據公式優化線圈半徑及線圈匝數，然后在ADS的Layout環境中建立線圈的實物模型，設定PCB介質的厚度、介質系數、銅厚、介質損耗系數等，利用ADS中的EM有限元分析法功能繼續對線圈進行仿真優化，最終確定PCB線圈的各參數為：電感值L＝14.11uH，線圈匝數N＝16，線徑a＝0.8mm，內徑R1＝17mm，外徑R2＝38mm，銅皮厚度為1oz。將ADS的線圈模型導入進AltiumDesigner中進行完善，添加需要的電容、焊盤等封裝，設置線圈的PCB介質板邊界。實際制作的PCB線圈與計算的PCB線圈參數達到了高度的一致性，并且在磁耦合諧振無線輸電的實驗中驗證了PCB線圈的良好效果，在發射與接收線圈距離0.22m的位置上獲得系統輸電效率高達86.4％，相較于本實驗前期工作中制作的繞制線圈效率提升了5.3％。至此獲得了一種用于磁耦合諧振無線輸電系統的PCB線圈。

下面結合實驗對本發明的應用效果作詳細的描述。

1、使用MATLAB建立系統模型，選擇使用平面螺旋式線圈，按照系統要求的距離、功率、諧振頻率等計算發射及接收線圈的參數，其參數包括線圈電感、線圈線徑、線圈匝數、線圈間距、線圈內環半徑、線圈外環半徑。

其中系統傳輸距離定為0.2m，發射功率為1W，諧振頻率定為1.7MHz。

其中，線圈匝數N定位16，由公式計算線圈線徑為0.9mm，線圈間距為0.3mm，線圈內環半徑為17.6mm，線圈外環半徑為38.9mm。

其中線圈電感由公式計算得L＝13.05uh。

2、使用ADS對線圈進行三維建模，仿真計算、優化線圈的分布電感、分布電容及線圈電阻。

最終優化得到的參數為：電感值L＝14.11uH，線圈匝數N＝16，線徑a＝0.8mm，內徑R1＝17mm，外徑R2＝38mm，銅皮厚度為1oz。

3、使用ALtium Designer電路(PCB)設計軟件，繪制與完善線圈的PCB模型，添加需要的電容、電阻、過孔、焊盤等封裝，設置線圈的PCB介質板邊界，完善后的PCB如圖2所示，投板制作。

4、使用設計制作的PCB線圈進行磁耦合諧振無線輸電實驗，在發射線圈與接收線圈距離為0.22m、發射功率為1W、諧振頻率為1.7MHz時獲得系統傳輸效率為86.4％，相較于本實驗前期工作中制作的繞制線圈效率提升了5.3％，較好的驗證了本發明的有效性及正確性。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。