耦合固定技术（共4篇）
耦合固定技术 篇1
0 引 言
随着高速率、大容量SDH及光纤用户网的发展,对C波段EDFA(掺铒光纤放大器)的需求量越来越大。这种EDFA通常采用泵浦光源980 nm LD-FBG(激光器-光纤布拉格光栅)组件,其输出功率范围为23～26 dBm。
对980 nm LD-FBG组件来说,光纤耦合-固定技术是其制作的关键技术之一。对于侧面出光的LD,其有源区近场光斑直径在Y、X方向上分别为2.0、0.5 μm,光纤直接耦合对准比较困难。不仅如此,当耦合对准后的光纤采用激光焊接固定时,往往存在微位移和残余应力,影响到产品的重复性和可靠性。另一方面,对于大功率980 nm LD-FBG组件,其温度稳定性是工程应用中最关心的问题,因此,对980 nm LD-FBG组件都要做环境稳定性试验,包括高温储存、温度循环等试验。
本文介绍了一种克服或减小耦合固定微位移和应力的方法——低温玻璃焊接耦合固定光纤方法;同时,对所制作的大功率980 nm LD-FBG组件进行了温度试验,报告了试验结果,并对其中几个问题进行了讨论。
1 组件结构和主要技术指标
我们所制作的大功率980 nm LD-FBG组件采用了14个管脚的金属管壳封装。其内部由发射波长为980 nm的F-P ( 法布里-珀罗)LD芯片[1]、测温用热敏电阻、TEC(热电致冷器)、背光探测器和过渡块(热沉)[2]等组成;F-P LD光输出端与含有两个FBG[3,4]的单模楔形光纤或保偏楔形光纤耦合,并把F-P LD的980 nm大功率光输送到EDF(掺铒光纤)中。大功率980 nm LD-FBG组件的结构如图1所示,主要技术指标如表1所示。
2 低温玻璃焊接耦合固定技术
在大功率980 nm LD-FBG组件的制作过程中,耦合-固定是关键工艺。因为侧面出光LD的有源区近场光斑直径很小,且耦合光纤端面离LD发光前端面仅有2～5 μm的距离,发射光水平方向和垂直方向发散角分别为8～10°与25～30°,耦合容差仅微米量级,稍有偏差,耦合进光纤的光功率将大为减少,耦合效率将大为降低。
更为严重的是,对目前广泛采用的激光焊接固定来说,通常会产生光纤微位移和焊接残余应力。这种焊接点是不稳定的,它会导致光纤前端的状况随时间和温度的变化而变化。
为了克服激光焊接后存在的光纤微位移和焊接残余应力,我们在光纤耦合固定工艺中采用了一种电阻加热的低温玻璃焊料,使用该低温玻璃焊料,可使光纤在加热的熔融状态下完成对准微调和固定。这种玻璃焊料是具有多种氧化物的混合材料,主要成分包括:氧化铅70%～75%、氧化铋5%～8%、氧化硼5%～7%、氧化钛7%～10%、氧化铌3%～5%、氧化锌2%～5%和氧化铁1%～3%,其熔点为320～350 ℃。
为便于安放固定光纤以及对其加热和隔热,我们还采用了一种薄膜型加热元件和具有加热、隔热作用的一体式有槽垫片。当对加热元件加电时,其产生的热量通过垫片热传导使放置其上的玻璃焊料熔融。为了防止LD微位移,必须把熔融玻璃焊料的温度场控制在很小的范围内,这就是一体式有槽垫片所起的聚热和隔热作用。
低温玻璃焊接-耦合固定的主要步骤如下:把光纤放置在耦合夹具上;调节光纤位置,使光功率最大;把固体成型的马鞍形玻璃焊料放在光纤和垫片上,并使玻璃焊料与垫片上的加热元件紧密接触;给加热元件通电,使玻璃焊料熔融;在熔融和缓慢降温的过程中精细调整光纤的位置,使光功率最大;最后缓慢降温至室温。
值得注意的是,熔融玻璃焊料在降温过程中可能会使光纤断裂。因为光纤芯径很小且性脆,操作稍有不慎或降温过快,都可能产生较大的内部应力,导致光纤裂纹或折断。
3 LD-FBG组件温度稳定性试验
980 nm LD-FBG组件的主要技术指标包括输出光功率和峰值光波长。通常,这两个指标会随环境温度和额定工作电流的不同而变化。我们对不同环境温度、不同额定工作电流下的输出光功率及其稳定性、峰值光波长及其稳定性进行了试验测试,测试结果分别如表2和表3所示。从表2、3可以看出,在-20、25和75 ℃温度,额定工作电流条件下,最大输出光功率变化<0.3 dB,而最大峰值光波长变化<0.1 nm。
4 分析与讨论
4.1 低温玻璃焊料耦合固定技术的特点
低温玻璃焊料耦合固定技术有以下特点:(1) 采用低温玻璃焊料并用薄膜型加热元件加热,焊后几乎不会产生光纤微位移和残余应力不均衡等问题,耦合效率高,热稳定性好,产品一致性和可靠性都较好。(2) 采用了具有隔热槽的垫片,可起到热聚集、热隔离作用,不仅可保证玻璃焊料快速熔化,而且组装后的LD管芯位置几乎不会变化。(3) 由于玻璃焊料和光纤熔融浸润性好,耦合光纤无需作金属化处理。(4) 玻璃焊料熔融温度较低,在320～350 ℃范围内;耦合固定所用设备、工具简单。
当然,低温玻璃焊料固定耦合光纤,要采用马鞍形玻璃焊料,每个的成本为3～5美元。
4.2 几种光纤耦合固定方法的比较
光纤耦合固定方法有好几种,如紫光胶耦合固定法、多光束激光熔焊耦合固定法和低温玻璃焊料耦合固定法。其中后两种方法均已实用化,并被广泛采用,这两种方法的对比如表4所示。
4.3 组件温度稳定性问题
大功率980 nm F-P LD-FBG组件的温度稳定性包括峰值波长稳定性和输出光功率稳定性。通常,通过优化光纤端面反射率和采用双FBG反射率,使LD增益谱峰值波长与FBG波长相一致,这样,即使组件没有TEC,在25～75 ℃范围内,波长的最大变化也<0.4 nm[5]。
当温度变化较大时,对于没有TEC或温度补偿的980 nm F-P LD-FBG组件,不仅LD阈值电流会发生变化,其输出光功率也将发生变化。为此,我们制作的大功率980 nm F-P LD-FBG组件都设置了TEC。实际测量的结果在表2、表3中已经列出。测试结果表明,在-20、25和75 ℃,额定工作电流下,最大输出光功率变化<0.3 dB,而最大光波长峰值变化<0.1 nm。
5 结束语
大功率980 nm LD-FBG组件是长距离、大容量光通信系统所用EDFA中的关键部件,耦合固定技术和温度特性是两个最重要的问题。产品制作和测试表明,对于具有TEC的980 nm LD-FBG组件,采用低温玻璃焊接耦合固定技术时,光纤耦合固定微位移小、残余应力小;在-20～+75℃温度范围内,光波长峰值最大变化<0.1 nm,最大光功率变化<0.3 dB。该产品将有广阔的应用前景。
摘要：基于EDFA(掺铒光纤放大器)所用大功率泵浦源组件制作中的光纤耦合固定和温度特性问题,介绍了大功率980nm LD-FBG(激光器-光纤布拉格光栅)组件的内部结构和主要技术指标,重点报告了低温玻璃焊接耦合固定技术和大功率980nm LD-FBG组件的温度特性,列表比较了低温玻璃焊接的特点和激光焊的异同。温度试验表明,在-20～+75℃温度范围内,采用TEC(热电致冷器)的大功率980nm LD-FBG组件,最大光波长峰值变化<0.1nm,最大光功率变化<0.3dB。
关键词：LD-FBG组件,低温玻璃焊接,耦合固定技术
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太阳能耦合热泵干燥技术 篇2
随着世界能源的不断减少和环境的日趋恶化, 热泵干燥因其具有节能环保、耗电量较少、污染环境少, 而广泛应用于干燥行业。太阳能无污染的特点与热泵系统的耦合, 普通的热泵系统加上太阳能辅助加热技术的联合干燥方式, 能够降低干燥过程的电能消耗。太阳能-热泵联合干燥系统的优化设计意义深远[1]。
1 热泵干燥系统
热泵干燥系统包含热泵系统和干燥系统, 热泵系统是由蒸发器、压缩机、节流阀、冷凝器等部件组成的封闭回路。热泵系统内的制冷工质, 在蒸发器中吸收来自干燥过程所排放废气的热量后, 废气中的大部分水蒸气在蒸发器侧被析出直接排掉, 制冷工质由液体蒸发为饱和蒸汽, 后经压缩机压缩升温升压后进入冷凝器中, 在高压的制冷工质冷凝放热, 放出谔谔冷凝热量加热来自蒸发器的低温干空气, 低温干空气加热到要求的温度后进入到干燥室内, 用以干燥物料并循环使用;降温降压并液化后的制冷工质经节流阀再次回到蒸发器内, 如此封闭循环从而达到除湿干燥的目的[2]。
2 太阳能-热泵干燥干燥系统
1.太阳能集热器2.集热器风机3.主风机4.干燥室5.干燥物料6.排风机7.余热回收风机8.热泵蒸发器9.热泵压缩机10.热泵节流阀11.热泵冷凝器12.隔板
如图1所示, 太阳能-热泵联合干燥装置系统主要由三大部分组成:热泵加热、太阳能和除湿部分Ⅰ、风机和风道部分Ⅱ, 干燥部分Ⅲ。
太阳能-热泵联合干燥系统的工作流程如下:室外空气经太阳能、热泵联合加热与除湿后, 被处理后的热、干空气经集热器风机与风道部分Ⅱ送入干燥作业部分Ⅲ, 对物料进行干燥处理。干燥后的空气升温升湿后通过余热回收风机和通道回收至蒸发器侧进行余热回收。该设计的联合干燥系统具有以下特征: (1) 根据当地地区气候特征设计太阳能集热器, 提高集热器的集热与蓄热能力; (2) 热泵冷凝器与蒸发器之间安装了可拆除的隔板, 根据干燥模式的不同需求控制蒸发器与冷凝器之间的关闭和连通; (3) 集热器通道与热泵通道并行连接, 可根据外部环境的改变二改变系统的运行模式; (4) 干燥室内设排风机与余热回收通道, 温度较高而湿度较大的空气通过余热回收通道回收[3,4]。
3 太阳能-热泵联合干燥的优点
太阳能-热泵联合干燥主要用于谷物、果蔬、木材、药材等产品的干燥。太阳能热泵联合干燥系统优点很多, 主要具有以下几个方面: (1) 太阳能热泵联合干燥可以提高干燥的质量, 因为热泵干燥可以控制产品的含水率, 从而可以避免自然干燥中虫子、雨水, 灰尘等的危害和污染; (2) 太阳能热泵联合干燥可以缩短干燥的时间和节省场地, 如果采用自然干燥需要把产品铺开, 这样会占用很大的空间还需要干燥较长的时间, 而采用太阳能热泵联合干燥只需要把产品放入干燥室, 这样就节省了大量的场地; (3) 太阳能热泵联合干燥可以减少果蔬或谷物的腐烂, 由于果蔬或谷物含水量较高, 如不及时干燥就会腐烂, 而采用自然干燥受天气影响较大, 干燥时间长农产品的腐烂几率也会增大; (4) 有很多农产品干燥需要燃烧常规燃料, 如果采用太阳能热泵联合干燥可以更加节省燃料, 更加节能和环保[5,6]。
太阳能-热泵联合干燥系统也存在一些缺点:首先, 和自然干燥相比太阳能热泵;联合干燥需要消耗部分电能;其次, 太阳能热泵联合干燥对室外气象依赖较大, 而且, 太阳能热泵干燥系统的初期投资比较大。
摘要：太阳能耦合热泵干燥的联合干燥系统, 可以极大地降低干燥过程的电能消耗, 采用太阳能热泵干燥更加节能和环保。
关键词：太阳能,热泵干燥
参考文献
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耦合固定技术 篇3
近年来,技术进步与环境的关系一直是学术界讨论的焦点,同时也是始终尚未达成共识的问题。 总体来看,一种比较有代表性的观点认为,技术进步对环境具有关键性的改进作用,其背后的影响机理在于随着技术的不断进步,人类对能源使用的效率不断提高,对环境改善的意识不断增强,进而对环境形成了较强的改善作用[1,2,3]; 而另一派观点与之完全对立,根据众多国家和长期的时间序列数据观察,技术进步对二氧化碳具有显著的正向影响, 故一个显然的结论是技术进步是引致环境污染的重要原因[4,5,6,7]。实质上,随着研究的逐步深入,历史审视的方法给予技术进步与环境关系研究一个更广阔的思路。有些学者通过考察迄今为止的人类文明史,发现技术对环境的影响贯穿于人类文明史的始终,但有重大影响的主要在工业技术时期。在工业技术时期环境问题产生并达到顶峰,在信息技术时期环境污染又趋于减少[8]。
上述对技术进步与环境的关系仅仅是对问题理解的第一个层面,理解第二个问题的层面是环境的改善是否对技术进步有显著的推动作用。随着研究的深入,研究基于环境治理对技术进步是否具有反作用的文献也竞相涌现,典型的是 “波特假说”的争论。一般认为,环境规制会提高企业的生产成本, 进而减少技术进步的投入,但在1991年,随着 “波特假说”的提出,人们对技术进步和环境保护之间关系的认识开始有所转变。波特[9]认为良好的环境保护制度安排有利于激励企业技术创新,也有利于提高生产效率,这种由技术进步实现的效益所得可以弥补企业造成的成本负担。然而, “波特假说” 在学术界并未通过一致的检验,典型的如Lanjouw等[10]在1996年基于美、日、德3国企业的专利数据发现,随着环境规制程度的不断增强,企业专利数量有不断增长的趋势。此前,Jaffe等[11]也发现, R&D支出与环境治理成本之间存在正相关关系。但另一方面,“波特假说”也受到学术界广泛的质疑, 典型的如Gray等[12]发现环境规制会给企业带来沉重负担,企业的技术进步也会受到较大的限制。
有关技术进步与环境的探讨近年来衍生出很多分支。从系统的角度来审视,单纯地看待技术进步对环境的影响或者从环境规制的角度讨论技术进步都是有失偏颇的,两者的相互关系应该是一个长期动态耦合的系统,而这恰恰契合了现代系统耦合理论的基本观点。所谓耦合,主要指子系统间在良性机制的作用下形成相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系[13]。从现有技术进步与环境治理的实证文献来看, 基于现代经济增长理论和计量方法验证两者的互动关系是目前实证研究的主流。本文尝试从耦合理论的视角出发,通过探讨和测算当前中国技术进步与环境治理的耦合程度和协调关系,进而为当前探讨技术进步与环境治理提供一个新的理论视角。
2理论模型
分析技术进步和环境的耦合效应一方面关注技术进步和环境的关联程度,这方面主要用耦合模型来测度,另一方面则要考察技术进步和环境子系统的总体协同程度,这方面主要采用协调度模型来测度。
2.1技术进步与环境的耦合模型
参照杨碧云等[13]的做法,设X、Y为技术进步子系统和环境子系统的序参量,αij、βij分别是技术进步子系统稳定临界点序参量的上、下限值,δij、γij分别是环境子系统稳定临界点序 参量的上、下限值。设表示技术进步子系统中第i个指标的第j个变量参数值, m和n分别为变量参数个数和指标个数表示环境子系统中第i个指标的第j个变量参数值, m’ 和n’ 分别为变量参数个数和指标个数 。 令u、v分别表示技术进步子系统和环境子系统对耦合系统的贡献,则两个子系统的有序功效模型分别是:
其中 ;
其中 。
令分别为各层和各个指标的权重,则各系统作业层的贡献模型分别为:
总作业层综合贡献模型分别为:
上述大小根据熵值赋权法确定,技术进步和环境的耦合模型可以表示为:
根据耦合度的大小不同,可以将技术进步子系统和环境子系统耦合的演变分为6个阶段: 表示两个子系统无关联,呈无序状态发展;表示两个子系统呈低水平耦合状态表阶示系统进入颉颃阶段;表示进入磨合阶段;表示进入高水平耦合阶段, C=1表示进入有序互动的理想结构 。
2.2技术进步与环境的协调度模型
由于技术进步子系统和环境子系统之间存在交错、动态和不平衡的特征,为了全面测度两个子系统之间的协同性,还需要进一步引入协调模型:
其中, C即技术进步子系统和环境子系统的耦合度,a和b分别代表技术进步子系统和环境子系统的贡献系数 。 与耦合模型类似,根据耦合协调发展度的大小,将技术进步子系统和环境子系统的协调也划分为6个阶段, 其中:表示不能协调表示低度协调;表示中表示高度协调;C=1表示极度协调, 表示完全协调 。
3实证分析
3.1系统评价指标体系的选择
基于数据的可比性和可得性,技术进步子系统主要选取万名企业就业人员发明专利拥有量、万人发明专利申请数、万人输出技术成交额和企业平均吸纳技术成交额为衡量指标,环境子系统选择废水中化学需氧量排放降低率、二氧化硫排放降低率、 废水中氨氮排放降低率、空气达到二级以上天数占比重为主要指标。由于环境子系统的主要衡量指标均为反向指标,为测算技术进步对环境改善的正向效应,所以在数据处理时统一用100减去指标值的差值来表示。相关基础指标汇总如表1所示。
3.2数据来源及权重确定
( 1) 数据来源。本文选择的相关数据均来源于 《2013年中国区域创新监测报告》,时间序列数据选取2008—2012年数据,截面数据选取中国31个省 ( 区、市) 的数据。时间序列数据和截面数据的统计性描述分别如表2和表3所示。
( 2) 功效值和协调度的测算。在计算功效值时需要确定指标的上下限值,此处参照我国 “十二五”规划现状及预期指标值,并结合相关专家意见设定。测算协调度需要对技术进步对环境子系统的贡献系数a和b进行设置,基于现有文献研究的成果,结合专家指导意见,本文认为在总系统中,技术进步和 环境子系 统的贡献 系数相同,因此设定。
( 3 ) 权重计算 。 按照熵值赋权法的基本原理, 确定时间序列数据和截面数据的权重方法如下: 首先,对指标做归一化处理,令然后计算熵值:据此得到信息效用价值最后测算指标x i的熵权其中, x ij表示样本i的第j个指标的数值, n和p分别表示样本与指标个数 。 将原始数据代入上式中, 分别得到时间序列数据和截面数据中的权重,如表4所示 。
3.3技术进步与环境子系统耦合的时间序列分析
基于上述耦合模型和协调度模型,可以测算出2008—2012年我国技术进步与环境子系统的耦合程度和持续发展度 ( 见表5) 。总体来看,2008—2012年我国技术进步与环境子系统的耦合程度和协调程度呈逐步上升的趋势,但耦合度总体仍处于颉颃阶段,而两个子系统的持续发展度却实现了由低度协调向中度协调、再向高度协调发展的跳跃。结合技术进步与环境子系统的耦合机制来看,尽管技术进步与环境的相互促进作用正在不断增强,但当前测算的耦合度结果尚难以支持技术进步对环境有显著改善作用的结论; 同时,这也说明目前在我国大力提倡低碳经济发展和加快产业转型升级的大背景下, 推广低碳技术的应用和促进经济结构调整仍然任重道远。
此外,从耦合的持续发展度指标上看,在2011年以后,技术进步子系统与环境子系统才真正进入高度协调阶段,这无疑表明 “波特假说”并非适用于技术进步的每个阶段和各个区域, “波特假说” 只有在技术进步达到一定阶段或超越一定的门槛才具有合理性。值得注意的是,本文对技术进步与环境耦合的实证分析也在一定程度上印证了蒋伏心等学者的研究结论。蒋伏心等学者[14]利用非线性门槛回归模型对江苏省2003—2010年的制造业行业做了面板数据分析,结果发现,环境规制与技术进步之间是一种折线对应关系: 当环境规制强度小于临界值时,环境规制会阻碍技术进步; 当大于门槛值时, “波特假说” 才会产生作用。本文通过实证发现, 环境规制在起步期不仅难以有效推动技术进步,而且双方尚难以形成良好的互动关系。
3.4技术进步与环境子系统耦合的截面数据分析
根据上述模型测算我国各省 ( 区、市) 技术进步与环境子系统的耦合强度和协调程度,如表6所示。北京、天津、辽宁、上海、江苏等14个地区的耦合度处于颉颃阶段,其中,北京、天津、上海、 江苏、海南5个省 ( 市) 的耦合度高于0. 4,耦合度处于低水平阶段的地区有17个,略高于耦合度处于颉颃阶段的地区数量,说明绝大多数地区的技术进步环境偏向效应还太显著,绝大多数地区的实证检验也难以支持技术进步对环境有显著改善作用的结论。
从技术进步与环境耦合的持续发展度指标来看, 北京是全国唯一一个耦合持续发展度处于高度协调阶段的地区,除北京外,天津、内蒙古、江苏等9个地区的两者关系处于中度协调阶段,其他21个地区均处于低度协调水平,说明全国绝大多数地区的技术进步尚未与环境形成长期的相互促进关系,技术进步与环境的协同机制仍需改善优化。
将我国31个省 ( 区、市) 按地理区位划分为东部、中部和西部地区 ,然后取各区域耦合关联度和持续发展度的平均值,根据上述耦合关联度和持续发展度标准进行划分,归纳结果如表7所示。从表7可以看出,东部地区平均耦合关联度和持续发展度最高,其中,耦合关联度处于颉颃阶段,持续发展度处于中度协调阶段; 中部地区和西部地区耦合关联度均处于低水平耦合阶段,耦合持续度指标值落入低度协调阶段。较现有文献研究的结论相比,本文的结论与之有所差异。国内有学者研究发现,东部地区和中部地区随着环境规制强度的增加,企业的生产技术逐步提高,两者呈 “U” 型曲线分布, 而西部地区则由于受环境规制形式的影响,难以形成在统计意义上有显著意义的 “U”型关系[15]。本文发现,按东部、中部和西部划分,全国技术进步与环境耦合呈 “东西较高,中部塌陷”的格局。归其原因,这可能是受产业结构和产业转移的影响。
将我国31个省 ( 区、市) 按照三产占国民经济的比重重新划分为4种类型 ,然后测算不同类型省 ( 区、市) 的平均耦合关联度和持续发展度值,归结不同类型的耦合关联度和持续发展度如表8所示。 从表8可以看出,全国基本呈现出 “三产比重越高, 耦合关联度和持续发展度越高”的趋势,两者总体呈现出正相关关系。事实上,原毅军等[16]的研究也发现第三产业结构变动对环境治理作用具有积极和显著的作用,这与本文得到的结论相似,同时也恰恰印证了东中西部技术进步与环境耦合格局的产业结构成因。从产业转移的角度来看,由于近年来东部劳动力成本和资源环境的约束不断增强,导致一些技术水平较低、环境规制强度要求较低的产业向中部转移,叠加东部产业升级的影响,东部技术进步与环境的耦合强度和协调程度逐步增强。受梯度转移的空间区位限制,中部受影响较大,而西部由于总体尚未完全步入承接产业转移的阶段,所以全国的技术进步与环境耦合强度分布呈现出 “东西较高,中部塌陷”的格局。
4结论与建议
4.1结论
技术进步与环境有复杂的耦合关系,基于上述分析,可以得到如下结论:
( 1) 从时间序列数据来看,2008—2012年我国技术进步与环境子系统的耦合程度和协调程度呈逐步上升的趋势,但耦合度总体仍处于颉颃阶段,而两个子系统的持续发展度却实现了由低度协调向中度协调、再向高度协调发展的跳跃,现有实证结果难以证明 “波特假说”在技术进步各个阶段中的合理性。
( 2) 从截面数据实证结果来看,我国绝大多数的地区的技术进步环境偏向效应还太显著,技术进步总体尚未与环境形成长期的相互促进关系,两者的协同机制仍需改善优化。按东部、中部和西部划分,全国技术进步与环境耦合呈 “东西较高,中部塌陷”的格局,这与目前我国产业转移和产业结构的空间布局有较大联系。
4.2相关政策建议
基于上述结论,提出如下相关政策建议:
( 1) 以低碳经济发展为契机,强化环境友好型、资源节约型技术的研发和应用推广力度,在树立技术是环境治理的根本推动力的同时,要理顺技术进步与环境治理的联动机制,增强环境规制对技术进步的促进作用,促进技术进步与环境治理的协同发展。
耦合固定技术 篇4
1 单个耦合谐振电路的模型
1.1 非耦合谐振和耦合谐振电路
如图1和图2所示, 分别为非耦合和耦合谐振电路的模型。
分别对图1、图2中的耦合电路模型计算有关效率, 电路中各参数设为已知。其中, 信号源内阻为R1, 初级电路电阻为R2, 次级电路电阻为R3, 终端负载为R4, 线圈耦合系数为K, 初级和次级电路的电感、感抗、电容、等效负载、效率分别为L1和L2、X1和X2、C1和C2、Z1和Z2、η1和η2, 交流信号角频率为ω。
1.1.1 非耦合谐振电路效率计算
非耦合谐振电路的等效负载Z1的计算公式见式 (1) , 效率η1的计算公式见式 (2) :
1.1.2 耦合谐振电路效率计算
耦合谐振电路的等效负载Z2的计算公式见式 (3) , 效率η2的计算公式见式 (4) :
由此可以计算得到负载获得的功率Pload:
对于理想变压器, L1和L2都可视作无穷大, R1和R2都为0, 且耦合系数K=1[2]。
由式 (4) 、式 (5) 可见, 提高效率的关键是使电路具有足够大的感抗和等效损耗电阻之比, 这就需要线圈的品质因素Q值很大。
由图1、图2可见, 电路基于利用变压器原理, 利用电感耦合实现电压变化效果。图中, 耦合谐振电路在初级和次级增加电容 (在实际条件下是利用线圈的寄生电容) 来使初级和次级电路回路产生谐振, 可实现等效阻抗的虚部为零, 避免了非耦合谐振情况下由于非零虚部导致的非零的无功功率对负载获得的功率的减小, 从而提高了其性能。另外, 非耦合谐振电路中的无线功率传输也只适合很窄的输入频率范围, 不能满足在射频范围内的多数情况。
1.2 足够大耦合系数的实现方式
除上述电容对功率和效率的作用外, 为实现最大耦合, 通过对耦合线圈的材料和初级次级线圈间距进行适当选择, 可得到较大耦合系数以实现更高传输效率。通常以品质因数Q值来衡量线圈材料, 以两线圈距离衡量功率传输效率, 由此可得到传输效率η和负载所获得的功率Pload与系统参数之间的关系:电感线圈Q值越高, 则η和Pload越大;两电感线圈距离越小, 则η和Pload越大[3]。
2 接收天线和整流电路的集成化模型
电容式快速充电的两个核心部分:接收天线和整流电路的集成化模型;耦合谐振电路。充电效率也主要取决于二者效率之积。
2.1 信号接收天线的模型
通过与圆极化、线极化和椭圆极化原理的比较, 本文设计的天线采用抛物线结构模型天线, 利用其单一聚焦的特点, 旨在当接收由耦合谐振电路传递的射频信号时, 能够最大限度地将传递功率维持在一个较高的数值, 从而提高整流效率。接收天线可以在整流电路中等效为内阻为RS的微波信号源, 在接收天线末端放置一个电容C, 以起到隔断直流分量和匹配的作用。
2.2 整流电路的设计
整流电路作为一种将微波能量转换为直流供负载使用的模型, 其整流效率也对整流天线的转换效率有反馈作用。电路采用微带线结构以抑制回波, 从而消除纹波现象的不稳定性。在整流电路中, 二极管需要有较快的开关速度, 并且有较低的导通电压以允许较高功率微波输入, 连接方式采用串联方式可避免并联或者其他方式产生的通孔现象, 减少微带线的对地耦合。因此, 选用MA4E1317肖特基二极管。其基本参数:结电容Ci0为0.02 p F;导通电压Vbi为0.7 V;反向击穿电压Vbr为7 V;寄生串联电阻为4Ω。二极管后的微带线起到滤波器作用, 滤除了基频信号, 保留了直流信号以供电源充电。天线-整流电路原理图如图3所示。
3 电容式快速充电系统的设计、仿真与制作
3.1 去极化
在充电过程中, 经过整流电路转换为直流的电流通过蓄电池时, 其正负极板表面电荷电位会发生偏移。为最大限度消除极化电压, 可在连续充电过程中以适当频率停顿充电, 此时蓄电池中流过一个与充电电流脉冲方向相反的大电流脉冲。这样可快速充电, 并可增加蓄电池可接受的充电电流, 达到大幅度削减充电时间的目的[4]。原理图如图4所示。
3.2 耦合谐振电路的仿真
在这一阶段中, 信号从初级输入, 经过变压器后到达负载的总输出功率效率设为ηtotal=η2{1-[ (Z2-R1) / (Z2+R1) ]2}, 即电阻失配源输出功率的变化率与理想情况下负载获得的输出功率的百分比之积。其中的{1-[ (Z2-R1) / (Z2+R1) ]2}与耦合系数K有关。
利用Multisim仿真可得到不同K值下输出功率 (d Bm) 的对应值关系, 如图5所示。
同样利用电路仿真软件Multisim, 仿真理想情况下负载获得的输出功率的百分比与负载、次级电路等效电阻的关系如图6所示。
3.3 天线-整流电路的仿真
3.3.1 ADS环境下的仿真
在图3中, 利用ADS2009 Update1软件仿真得到整流二极管的输入阻抗为固定值 (285.82-j1.63) Ω, 调节微带线的长和宽 (见表1) 、电感L和电容C, 使二极管的输入阻抗匹配至50Ω。被等效为内阻为RS的微波信号源的接收天线可以在整流电路中再次等效为一个功率源, 其内阻也为50Ω。基片的参数如下:介电常数ε=2.55, 厚度H=0.8 mm, 电感L=10×10-3μH, 电容C=10 p F, tanθL=2×10-3, RL=R1=258Ω。
(mm)
设置“命令Goal”对目标值进行优化, 再由仿真可得到负载电压和整流效率随频率和负载变化而变化的曲线, 如图7和图8所示。
3.3.2 仿真结果分析和优化
根据整流电路的原理, 设Pin为输入功率, Pout为输出功率, R1=RL为负载, V1为负载两端电压, 可得到RF-DC转换效率公式:
在实际应用中, 由于等效电路存在不连续性, 等效阻抗的虚部被不恰当地引入, 在仿真图中这种不连续性是源于在各个分支或者微带线、短截线中引入了串/并联电抗, 使无用功率过大, 造成输出功率损耗。此外, ADS软件无法对电路中存在的寄生参量如寄生电容和电感进行仿真, 影响结果的准确性。为解决此问题, 可在等效电路中加入不连续性等效电路, 通过调节微带线长和宽、特性阻抗值等方法抵消掉寄生电抗的效应。
在ADS2009中生成天线-整流电路的版图, 综合各种因素, 调整并选用L=2.5×10-3μH对整流电路中不连续性引起的电抗进行补偿。原负载值RL=258Ω, 但电感变化, 采用此值会使阻抗失配, 因此对其影响进行仿真分析发现, 减小感值后匹配负载值会相应增大, 故采用3个负载值 (248Ω、298Ω、341Ω) 进行仿真, 为使二极管不被击穿, 设置输入功率Pin=20.2 d Bm, 以5.8 GHz附近的频率为自变量, 绘出坐标图9。
在图9中加“标记”可以读出, 298Ω是最佳匹配负载, 且在5.61 GHz, RF-DC转换效率达到最大值68.1%。
根据二极管整流作用原理, 当其输入功率接近其击穿电压下的额定功率时其整流作用可最大限度实现, 因此, Pin=20.2 d Bm不仅能保证整流效果最佳, 而且可使输出功率Pout达到最大, 满足了电容式快速充电“快速、高效”的特点。
3.4 实际制作与结果分析
根据上述的仿真、设计过程及数据, 本文实际制作了一个工作频率为5.8 GHz的谐振耦合-天线-整流-去极化的集成化系统, 电路参数与3.2节相同。该系统中电感L的自谐振频率可进行调整, 具体是通过改变线圈直径、匝数、线径、线长等方法[5]。对该系统进行实际测试可得:在输入功率Pin=20.2 d Bm的情况下, 当负载RL=298Ω, 即负载匹配时的频率-功率传输效率曲线, 如图10所示。
由图10可见, 最大的功率传输效率值出现在5.58 GHz时, 可高达61%以上。
以上实际制作及测试的结果与设计、仿真值相比较, 可见二者存在一定差异, 这是因为实际系统中存在高频辐射损耗, 理论设计、计算中不能精确仿真该因素。此外, 电感L为手工绕制, 也存在一定误差。忽略这些使结果产生偏差的因素, 本系统的实测结果与设计、仿真值有较好的一致性, 同时本系统也综合体现了电容式快速充电的理念。
本文基于微波无线中距离输能、射频与直流转换等射频与微波基础知识, 介绍了对电容式快速充电电路的设计过程, 并推导出基于谐振耦合技术的电容式快速充电无线输能系统的效率表达式, 由此提出了对谐振耦合-天线-整流-去极化的整个系统的优化设计, 并利用系统仿真软件和计算机模拟对系统创建了各个分支的电路模型。实际制作的电容式快速充电集成化系统的实测结果表明, 实测值与设计值较为吻合, 从而也验证了该设计方法的可行性和正确性。
随着微波输能产业的发展, 以电容作为输能的中心环节, 其重要性会得到更深入的认识, 本文提出的相关理论、设计过程和实验结论, 具有很强的实用性, 适于进行推广应用[6]。
参考文献
[1]KLONTZ K W, DIVAN D M, NOVOTNY D W, et al.Contactless power delivery system for mining application[J].IEEE Trans.on Industry Application, 1995, 31 (1) :27-35.
[2]MANOLATOU C, KHAN M J, Fan Shanhui, et al.Coupling of modes analysis of resonant channel add-drop filters[J].IEEE Journal of Quantum Electronics, 1999, 35 (9) :1322-1331.
[3]宾斯, 劳伦斯.电场及磁场问题的分析与计算[M].余世杰, 陶民生, 译.北京:人民教育出版社, 1980.
[4]陈坚, 陈辉明, 董文辉.一种新颖的无接触充电电路[J].电源技术应用, 2005, 8 (4) :17-19.
[5]肖志坚, 韩震宇, 李绍卓.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用, 2007, 26 (12) :114-116.