CN112422159A - 用于携能通信的电-磁正交耦合装置及携能通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于携能通信的电‑磁正交耦合装置及携能通信系统，包括平行且同轴设置的一对耦合线圈，一对耦合线圈构成的寄生电容C_a和一对屏蔽层构成的寄生电容C_b；传能交流激励电压通过耦合线圈传输电能至供电接收负载；发射端的通信信号电压连接端子A1、B1，端子B1通过发射端共模耦合电路与发射线圈连接，再通过寄生电容C_a和接收端共模耦合电路与端子B2连接，端子A2、B2连接通信接收负载，端子A2通过接收端的屏蔽层接地。本发明实现了电磁正交耦合，能量通过磁场传输、通讯信息通过电场传输，两者在同一耦合装置下得以同时传输且互不干扰，使无线信息传输和无线能量传输在无线携能通信系统中可以独立运行。

Description

用于携能通信的电-磁正交耦合装置及携能通信系统

技术领域

本发明属于携能通信技术领域，涉及一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置及携能通信系统。

背景技术

近年来，无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer, SWIPT)在很多领域得以广泛的应用。它可以同时传输信号和能量，即在与无线设备进行信息交互的同时，为无线设备提供能量。如植入式医疗设备常常需要对设备无线充电的同时读取其中存储的病症信息；电动汽车在无线充电的同时可能还需要传输一些状态信息和控制数据；新型的航天无接触分离机构需要同时传输电能和状态信息，等等。

无线携能通信可采取多种能量和数据的传输载体形式，包括激光、电磁波、磁场耦合等方式。在远距离情况下，多采用激光或电磁波作为载体，其效率较低；在近距离条件下，采用磁耦合方式更具优势。它们共性的原理是将携带信息的能量载体跨越空气间隙耦合至副边接收端设备，再转换成能量并从中解调出数据。其中磁耦合SWIPT传输效率最高，是目前应用最广的一类，它利用携带调制信息的交变电流驱动发射线圈，激发的磁力线跨越空气间隙耦合至副边的接收线圈，供后续电源和解调电路使用。

然而，传统的各类无线携能通信系统都是从无线能量传输(Wireless PowerTransfer, WPT)系统发展而来的。无线能量传输和无线信息传输(Wireless InformationTransmission, WIT)公用了同一个耦合装置，所以能量和数据必须携带于同一个场分量中进行传输。例如采用磁耦合装置的SWIPT系统，能量和信息都必须采用磁场传输方式，因为耦合装置只能传递磁场能量。

这就导致二者同时通过耦合装置时必须解决相互干扰的问题，特别是要避免高功率的电能对微弱的通信信号的干扰。这不仅增加了系统设计的复杂度，还不得不在能量转换效率与信息传输速率之间折中。为了解决这一问题，需要借助各种正交化的手段将信息和能量解耦，目前主要有三类技术途径：

第一类技术途径是频域上正交传输，多用于以电磁波为载体的SWIPT系统。例如采用调制的方式，用不同频率的载波分别传递信息和电能，在频域上将能量和数据区分开，实现同时传输。例如专利《AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器》（CN104135454A,2014.11.05），采用动态功率分配方法，将接收信号以可调的功率比进行分离，以分别进行能量收集和信息解码。

第二类技术途径是空间上分隔传输，多见于磁耦合方式。将耦合盘划分空间区域，一个区域传输能量，另一个区域传输信息。这种方法能够在一定程度上缓解WIT和WPT系统的相互干扰，实现独立传输。例如专利《一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法》（CN101478182A,2009.07.08），采用两套平行传输环，在旋转结构中同时进行能量和信息传输。

第三类技术途径是时域上交替传输，适用于各类耦合方式。数据和能量根据需要在不同时隙交替传送。这种方式能够对信息和能量进行分时传输，且互不干扰。例如专利《一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法及接收机》（CN105897321A,2016.08.24），对每个携能通信设备分配传输时隙，实现对传输功率和信息量的分配占比调节。

在实现本发明的过程中，发明人发现上述各类技术途径虽然分别在频域、空域、时域上实现了信息和能量的正交化，能满足能量和信息同时传输的需求，但仍面临以下问题：

（1）数据传输对能量传递的影响。数据传输占用了能量传输的资源，会导致能量传输的性能受损。例如采用空间分隔方式，由于数据传输占用了一部分耦合器面积，必然导致能量传输效率的下降。采用时间交替的传输方式，信息时隙挤占了能量传输时间，也会影响能量传输的功率。

（2）能量传输对信息传输的干扰。现有技术虽然采用了多种正交分离方式，但是干扰情况仍不能完全被消除。例如采用空间分隔方式，两个系统同时近距离工作，必然会产生相互干扰的情况；采用频域正交的方式，大功率传能所产生的谐波和杂散干扰会影响信息传输。

（3）依赖特殊设计的通信体制，通用性较差。由于要同时满足大功率和信息的传输，通信体制和常规通信差别较大，移植性和通用性受限。例如将数据调制在功率载波上，调制速率就受到载波频率限制，若需要高速通信则需要特殊高阶调制方式；由于是在双向通信中，需要引入负载调制等特殊的方法，和现有的通信系统往往不兼容，对于新的系统设计需求，通常要重新考虑整个通信体制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，实现了电磁正交耦合，能量通过磁场传输、通讯信息通过电场传输，两者在同一耦合装置下得以同时传输且互不干扰，使无线信息传输和无线能量传输系统在无线携能通信中可以独立运行，降低了接收器的设计难度和成本，提高了兼容性和通用性，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种携能通信系统，包括上述用于携能通信的电-磁正交耦合装置。

本发明所采用的技术方案是，一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，包括平行且同轴设置的一对耦合线圈，即发射线圈和接收线圈，用于将电能通过磁场传输，发射线圈和接收线圈相互远离的一侧均设有金属的屏蔽层，屏蔽层平行于耦合线圈的平面，一对耦合线圈构成寄生电容C_a，一对屏蔽层构成的寄生电容C_b；耦合线圈与对应屏蔽层之间设有磁性体，耦合线圈与对应的屏蔽层相互绝缘；

传能交流激励电压通过耦合线圈传输电能至供电接收负载；

发射端的通信信号电压连接端子A1、B1，端子A1通过发射端的屏蔽层接地，端子B1通过发射端共模耦合电路与发射线圈连接，用于提供高频通信信号，再通过寄生电容C_a和接收端共模耦合电路连接，接收端共模耦合电路与端子B2连接，端子A2通过接收端的屏蔽层接地，端子A2、B2连接通信接收负载；接收端共模耦合电路和发射端共模耦合电路结构相同。

进一步的，所述发射端共模耦合电路包括发射线圈的中心抽头和共模耦合电容，信号通过共模耦合电容将高频电压施加在发射线圈的中心抽头上，通过中心抽头接收发射端通信信号携带的高频电压耦合信号。

进一步的，所述发射端共模耦合电路包括同轴缆，同轴缆末端的中心导体在发射线圈远离接收线圈一侧的中心处空绕一匝，中心导体与发射线圈之间形成分布电容C_d，通过分布电容C_d将高频电压施加在发射线圈上，进而通过一对耦合线圈构成的寄生电容C_a向接收线圈耦合信号。

进一步的，所述发射端共模耦合电路包括一组Y电容，以平衡对称方式向发射线圈两端注入共模信号，通过一对耦合线圈构成的寄生电容C_a向接收线圈耦合信号。

进一步的，所述发射线圈和接收线圈均为密绕的平板线圈，其形状为圆形或方形。

进一步的，所述发射线圈和接收线圈之间存在间隙，间隙不超过发射线圈和接收线圈正对面较短边长或半径的30%。

进一步的，所述耦合线圈分别贴近对应的磁性体，或被对应的磁性体包覆且两个耦合线圈正对的一面暴露出来。

进一步的，所述屏蔽层为发射端外壳和接收端外壳，发射端外壳设于发射线圈远离接收线圈的一侧，接收端外壳设于接收线圈远离发射线圈的一侧，磁性体为发射端磁性体和接收端磁性体，发射端磁性体设于发射线圈与发射端外壳之间，接收端磁性体设于接收线圈与接收端外壳之间。

进一步的，所述发射端外壳、接收端外壳结构相同，发射端外壳或接收端外壳为平行于耦合线圈的金属平板或包覆结构；包覆结构中，发射端外壳或接收端外壳为五面封闭的立方型金属壳体，用于包覆发射端磁性体或接收端磁性体，耦合线圈设于未封闭的一面，用于信号和电能的传输。

一种携能通信系统，包括上述用于携能通信的电-磁正交耦合装置；发射端通信系统的天线通过发射端的通信模块与端子B1连接，发射端通信系统的数据流依次经过接口电路、扩频/编解码模块、调制解调模块输送至端子B1；端子B2通过接收端的通信模块连接接收端通信系统的天线，无线传输的数据流依次经过调制解调模块、扩频/编解码模块、接口电路输送至接收端的通信系统；

电源经过EMI滤波器和保护电路后，经过DC/AC变换器，将电能由直流变换为交流后经端子C1和D1驱动发射线圈，发射线圈将交变电能转化为交变磁场，接收线圈接收到交变磁场后，将磁能转化为电能，交变的电能经由端子C2和D2运送到整流器之后，变为直流的电能，对直流电能进行稳压、EMI滤波后输出；

发射端电源经过EMI滤波之后，作为辅助电源为发射端通信模块进行供电，接收端通过整流之后的电能作为辅助电源为接收端的通信模块进行供电。

本发明的有益效果是：

（1）数据传输速率和能量传输效率得以提升。由于本发明改变了传统磁耦合结构中，传能与传信息都必须携带于磁场分量的前提，因此无需考虑从共享耦合盘的空间、频带、传输时间上分配传输资源，无需对信息和能量传输进行折衷化的设计。而且两个场分量同时传输，也相当于拓展了传输信道资源，因此在同等有效耦合面积下，可以同时提升耦合效率和信息传输速率。

（2）信息和能量传输互不干扰。由于本发明中能量和信息传输的场分量载体不同，而且具有互不干扰的正交性，可以有效地避免传输电能的杂散谐波干扰对弱信号通信部分的影响。在高功率的电能传输应用时尤为有利。

（3）无需依赖特殊通信体制，具备更好的通用性。由于磁场耦合和电场耦合之间的独立性，加之封闭的近场传输环境，使得通信系统独享了一个专用的双向信道。因此任何一种现有的通信体制都可以兼容该耦合结构，直接进行数据传输，无需考虑与能量传输的信道资源分配关系。特别是在携能的双向数据通信中，无需引入复杂的负载调制等回送信息方式，大幅简化了设计，节省了电路元件，提高了兼容性和通用性，具有灵活性好、空间位置偏移量大的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的等效电路与结构。

图2a是本发明实施例中心电容耦合电路。

图2b是本发明实施例同轴缆耦合电路。

图2b1是同轴缆耦合电路中同轴缆的结构示意图。

图2c是本发明实施例Y电容耦合电路。

图3是本发明实施例中信息与能量同时耦合传输的原理。

图4是本发明实施例中电磁场正交性的原理。

图5是本发明实施例携能通信系统的结构框图。

图中，1.发射端外壳，2.发射端磁性体，3.发射线圈，4.间隙，5.接收线圈，6.接收端磁性体，7.接收端外壳，8.发射端共模耦合电路，9.接收端共模耦合电路，10.传能磁场，11.通讯电场，12.返回电力线，13.感生电场。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有携能通信存在问题的本质原因是WIT和WPT系统公用了同一个耦合装置，使得二者不具有完全的独立性。不但需要在设计时综合考虑相互之间的影响，而且设计的难度和复杂度也会随传输的功率、速率提高而急剧增加。若能够在时/空/频域之外寻找一种新的正交耦合方式，让耦合装置可以同时传递两个正交场，分别携带信息和能量，则可以实现物理解耦。这将使两类传输信号在时间、空间乃至频率上均可重叠，消除两者之间的性能影响和制约，让传能和通信系统可以独立设计、任意组合，简化设计、大幅降低系统复杂度同时提高能量和信息传输性能。本发明向耦合线圈施加差模激励电流产生磁场的同时，巧妙利用共模耦合电路向耦合线圈正中心注入电压信号，共模电压改变线盘中心电位从而产生电场，跨过空气间隙将共模电压耦合至接收线圈，实现了电场和磁场的同时耦合，同时具有电场和磁场双重耦合的能力，且磁场和电场传输互不干扰。

本发明实施例一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，结构如图1所示，左为等效电路图，右为结构简图；包括平行且同轴设置的一对耦合线圈，即发射线圈3和接收线圈5，用于将电能通过磁场传输；发射线圈3和接收线圈5相互远离的一侧均设有金属的屏蔽层，屏蔽层平行于耦合线圈的平面，一对耦合线圈构成寄生电容C_a，一对屏蔽层构成的寄生电容C_b；耦合线圈与对应的屏蔽层之间绝缘，耦合线圈与对应屏蔽层之间设有磁性体；耦合线圈分别贴近对应的磁性体，或被对应的磁性体包覆且两个耦合线圈正对的一面暴露出来，磁性体起到增大结构互感减少磁泄露，提高耦合线圈之间的互感，提高能量传输效果。

发射线圈3和接收线圈5均为密绕的平板线圈，其形状为圆形或方形；线材具有指定宽度，并且呈现扁平状，使得发射线圈3和接收线圈5均为密绕线圈；线圈直径根据初次级电流的大小来选择，宽度根据匝数和线径确定。

发射线圈3和接收线圈5之间存在间隙4，间隙4的距离可根据实际要求的耦合电容情况进行调整；优选的，间隙4不超过发射线圈3和接收线圈5正对面较短边长或半径的30%，间隙4过大会降低功率传输功能。

具体的，发射线圈3远离接收线圈5的一侧设有发射端外壳1，接收线圈5远离发射线圈3的一侧设有接收端外壳7，发射端外壳1、接收端外壳7均平行于发射线圈3或接收线圈5的平面，发射线圈3与接收线圈5构成寄生电容C_a，发射端外壳1与接收端外壳7构成寄生电容C_b，发射端外壳1、接收端外壳7的厚度为mm级别。

发射线圈3与发射端外壳1之间设有发射端磁性体2，接收线圈5与接收端外壳7之间设有接收端磁性体6，发射端外壳1、接收端外壳7结构相同，均为平板结构或包覆结构；包覆结构中，发射端外壳1或接收端外壳7为包覆层，一般采用铝壳，用于包覆发射端磁性体2或接收端磁性体6；发射端磁性体2和接收端磁性体6采用磁性材料，可为铁氧体，起到屏蔽和增强耦合效果，防止磁感线直接穿过金属壳，在金属壳上产生涡流。

发射端外壳1或接收端外壳7为平行于耦合线圈的金属平板或五面封闭的立方型金属壳体，耦合线圈设于未封闭的一面，用于信号和电能的传输。五面封闭的立方型金属壳体结构可以更好屏蔽整个耦合结构，防止耦合结构和外部互相电磁干扰。

发射端磁性体2或接收端磁性体6可为以平板结构，也可为其他扁平类结构，只要在线圈和金属板之间起到屏蔽磁感线作用即可；扁平罐状包覆效果更好。

发射端外壳1、接收端外壳7通过感应涡流抵消功率传递区域外磁场，除了起到屏蔽作用，其间的寄生电容C_b还作为电场耦合的返回路径，对信息传输形成了闭合回路。

传能交流激励电压连接端子C1、D1，端子C1和D1分别与发射线圈3的两个线圈接头连接；接收线圈5的两个线圈接头分别连接端子C2和D2，端子C2、D2连接供电接收负载；

发射端的通信信号电压连接端子A1、B1，端子A1通过发射端的屏蔽层接地，端子B1通过发射端共模耦合电路8与发射线圈3连接，用于提供高频通信信号，通过发射线圈3和接收线圈5构成的寄生电容C_a和接收端共模耦合电路9连接，接收端共模耦合电路9与端子B2连接，端子A2通过接收端的屏蔽层接地，端子A2、B2连接通信接收负载；发射端的屏蔽层、接收端的屏蔽层均接地。

其中，接收端共模耦合电路9和发射端共模耦合电路8结构相同，发射端共模耦合电路8或接收端共模耦合电路9包括但不仅限于以下三类方案：

如图2a，发射端共模耦合电路8包括发射线圈3的中心抽头，发射端的通信信号携带的高频电压通过B1直接耦合施加在发射线圈3的中心抽头上。该方法最为简单，但需要在发射线圈3上引出中心抽头；图2a中虚线框中的电容是抽头与端子B1之间的分布电容或共模耦合电路中的电容元件，起到使发射线圈3整体电压相对于外壳抬高的作用。发射线圈3和接收线圈5可视为平板电容器，之间的电容是寄生电容C_a；两屏蔽层可视为平板电容器，之间的电容是寄生电容C_b，两个电容都是为通信功能提供回路。

如图2b、图2b1，采用同轴缆传输信号；发射端共模耦合电路8包括同轴缆，同轴缆末端的中心导体在发射线圈3远离接收线圈5一侧的中心处空绕一匝，中心导体（空绕线圈）与发射线圈3之间形成分布电容C_d，通过分布电容C_d将高频电压施加在发射线圈3上，进而通过两线圈之间的寄生电容C_a向接收线圈5耦合信号。同理，接收端共模耦合电路9的同轴缆末端剥开的中心导体在接收线圈5靠近接收端外壳7一侧的中心处空绕一匝，同轴缆末端的中心导体与接收线圈5之间形成分布电容C_e，接收线圈5通过分布电容C_e将高频电压施加在中心导体（空绕线圈）上，进而将耦合信号供给通信接收负载；其优点是无需附加的电路元件，体积相对更小；端子A1、端子A2不连接同轴缆，只接地。

如图2c，以Y电容方式向发射线圈3、接收线圈5两端注入共模信号，其优点是电能线圈无需制作中心抽头。发射端共模耦合电路8包括一组Y电容，以平衡对称方式向发射线圈3两端注入共模信号，通过两线圈之间的寄生电容C_a向接收线圈5耦合信号。

本发明装置的电磁耦合原理如图3所示，以图2a的中心抽头耦合形式为例进行说明。传能交流激励电压通过端子C1、端子D1连接于发射线圈3的两端，驱动发射线圈3产生传能磁场（磁力线H），磁力线H跨越间隙4耦合到接收线圈5；接收线圈5的两端通过端子C2、端子D2与供电接收负载连接，将传输的电能输出供给负载使用，从而完成电能传输。

通信信号电压的一端通过端子A1与发射端外壳1连接，端子A1接地，通信信号电压的另一端通过端子B1与发射线圈3的中心抽头连接，再通过寄生电容C_a与端子B2连接，端子A2、B2连接通信接收负载，接收端外壳7通过端子A2与通信接收负载连接，端子A2接地。通信信号通过端子B1提供高频电压，将高频电压通过分布电容C_d加载于发射线圈3上，发射线圈3、接收线圈5均为密绕线圈，可近似视为平行金属板电容器，通过交变电压使得电荷的在线圈构成的平面板上聚集，从而抬高发射线圈3平面的电压，使得发射线圈3整体电压相对于发射端外壳1抬高，在发射线圈3和接收线圈5之间产生通讯电场11，即交变电场；通讯电场11跨过间隙4后，被接收线圈5和接收端共模耦合电路9以共模电压的方式感应出来，驱动通信接收负载，最后从发射端外壳1和接收端外壳7之间的返回电力线12回流，形成完整的闭合回路，从而实现了信息的传递；发射端外壳1和接收端外壳7均接地，两个信号地存在电压差，从而在发射端外壳1和接收端外壳7之间形成返回电力线12；由于发射线圈3和接收线圈5是对称的，所以通信激励电压和负载两端是可以互换的，因此利用该结构亦可实现双向通信。

图4是本发明的耦合装置剖面中电力线和磁力线分布示意图，说明了电场耦合和磁场耦合过程不会发生互相干扰，即满足“正交性”；本发明从两方面来保证正交性：

一方面，根据电磁场基本理论，在空间中电场和磁场会互相转换，本发明从电力线和磁力线夹角上正交化设计，避免了磁场转换的电场对信息传输的干扰。当发射线圈3通过电流时，在磁性体及间隙4内产生了传能磁场10，传能磁场10跨越间隙4实现了电能传输，同时也会在空间中产生感生电场13，感生电场13的方向垂直于纸面方向。通讯电场11在发射线圈3与接收线圈5之间，感生电场13和通讯电场11正交，沿通讯电场11方向不产生干扰电势，从而从物理原理上避免了磁场对通信的干扰；同理，通信过程中通讯电场11产生的磁力线不仅很微弱，而且传能磁场10产生的感生电场13与通讯电场11垂直，亦不会互相影响。

另一方面，本发明发射线圈3和接收线圈5同时施加有共模和差模两种信号分量，在电路上共模和差模可以互不干扰。传能交流激励电压以差模的形式加载在发射线圈3上，产生激励磁场的驱动电流；发射线圈3与发射端外壳1是绝缘的，传能的驱动电流不会从外壳回流。通信信号电压以发射端外壳1和接收端外壳7为参考地，以共模的方式施加于发射线圈3上，对于电能驱动器两个输出端子C1和D1的相对电压是相等的，之间无电压差，因此也不会从电能驱动端回流。

综上，由于本发明提出的“电-磁正交”原理，既实现了电场（信息）和磁场（能量）的传输公用一对耦合盘线圈，又保证了电/磁场的正交性，可以在近场区实现互不干扰、互不影响的同时传输信息和能量。所以本发明使得传能系统和通信系统可独立设计，即使通信和能量信号的传输在时间、空间乃至频率上重叠的情况下，亦可同时正常工作。

本发明实施例携能通信系统，如图5所示，用于滑动分离机构；将本发明的发射端外壳1与DC/AC变换器和调制电路连接，接收端外壳7与整流器和解调器连接，当发射线圈3和接收线圈5相互靠近时，不仅耦合了磁场能量实现电能传输，还通过线圈中心注入电压信号实现了信息传输，实现了如下指标要求的系统：

（1）输出电压：28V±5%

（2）最大传输功率：>50W

（3）电能传输效率：>60%-70%

（4）通信端传输速率>115200bps

在频率40kHz、间隙10mm的情况下，选择初级19匝、次级22匝的利兹线作为电能发送接收线圈；选取铁氧体长70×宽50×高8mm和长60×宽40×高8mm作为磁性耦合材料，金属铝壳作为屏蔽体，进行电能传输；应用于其他实际系统中时，线圈、磁性体和屏蔽体的参数可根据指标进行设计调整、材料根据需要进行选择，可以使用铁氧体、铝和利兹线。

数据信号的耦合，利用容性耦合的方式加载（图2b），将射频信号通过中心抽头容性耦合的方式耦合至发射线圈3的中心。端子A1通过发射端外壳1接地GND1，发射端通信系统的天线通过发射端的通信模块与端子B1连接，发射端通信系统的数据流依次经过接口电路、扩频/编解码模块、调制解调模块输送至端子B1；端子A2通过接收端外壳7接地GND2，端子B2通过接收端的通信模块连接接收端通信系统的天线，无线传输的数据流依次经过调制解调模块、扩频/编解码模块、接口电路输送至接接收端的通信系统。

端子C1和D1连接电能发送激励源的DC/AC变换器，端子C2和D2连接接收端的整流器；电源经过EMI滤波器和保护电路后，经过一个DC/AC变换器，将电能由直流变换为交流后经由端子C1和D1驱动发射线圈3，发射线圈3将交变电能转化为空间中的交变磁场，接收线圈5接收到交变磁场后，将磁能转化为电能，交变的电能经由端子C2和D2运送到整流器之后，变为直流的电能，对直流电能进行稳压、EMI滤波后输出。其中，DC/AC变换器在驱动耦合线圈的部分，采用了谐振方式，提高线圈上的发射电流，同时降低驱动器开关损耗。欠压锁闭电路通过采集发射端的电源电压，对DC/AC变换器实现欠压锁闭的功能，保证DC/AC变换器的正常启动。

发射端电源经过EMI滤波之后，可作为辅助电源为发射端通信模块进行供电，接收端通过整流之后的电能作为辅助电源为接收端的通信模块进行供电。发射端的通信模块，将通过接口电路的数据流进行扩频和编码后进行调制，将调制后的信息经由端子B1通过容性耦合到线盘上。接收端的通信模块经由端子B2通过容性耦合将从线盘上接收到的信息进行解调，进行扩频解码后通过接口电路输出数据流。整体上完成了电源和数据的同时传输，实现了系统要求的所有指标。

文献An Inductive and Capacitive Combined Parallel Transmission ofPower and Data for Wireless Power Transfer Systems建立了一个40w的原型，数据传输速率仅达到了230kbps，并且信息能量传输有干扰。而本发明在实际应用测试中最大传输功率几十到上千W，通信端传输速率>115200bps。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，包括平行且同轴设置的一对耦合线圈，即发射线圈（3）和接收线圈（5），用于将电能通过磁场传输，发射线圈（3）和接收线圈（5）相互远离的一侧均设有金属的屏蔽层，屏蔽层平行于耦合线圈的平面，一对耦合线圈构成寄生电容C_a，一对屏蔽层构成的寄生电容C_b；耦合线圈与对应屏蔽层之间设有磁性体，耦合线圈与对应的屏蔽层相互绝缘；

传能交流激励电压通过耦合线圈传输电能至供电接收负载；

发射端的通信信号电压连接端子A1、B1，端子A1通过发射端的屏蔽层接地，端子B1通过发射端共模耦合电路（8）与发射线圈（3）连接，用于提供高频通信信号，再通过寄生电容C_a和接收端共模耦合电路（9）连接，接收端共模耦合电路（9）与端子B2连接，端子A2通过接收端的屏蔽层接地，端子A2、B2连接通信接收负载；接收端共模耦合电路（9）和发射端共模耦合电路（8）结构相同。

2.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述发射端共模耦合电路（8）包括发射线圈（3）的中心抽头和共模耦合电容，信号通过共模耦合电容将高频电压施加在发射线圈（3）的中心抽头上，通过中心抽头接收发射端通信信号携带的高频电压耦合信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述发射端共模耦合电路（8）包括同轴缆，同轴缆末端的中心导体在发射线圈（3）远离接收线圈（5）一侧的中心处空绕一匝，中心导体与发射线圈（3）之间形成分布电容C_d，通过分布电容C_d将高频电压施加在发射线圈（3）上，进而通过一对耦合线圈构成的寄生电容C_a向接收线圈（5）耦合信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述发射端共模耦合电路（8）包括一组Y电容，以平衡对称方式向发射线圈（3）两端注入共模信号，通过一对耦合线圈构成的寄生电容C_a向接收线圈（5）耦合信号。

5.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述发射线圈（3）和接收线圈（5）均为密绕的平板线圈，其形状为圆形或矩形。

6.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述发射线圈（3）和接收线圈（5）之间存在间隙（4），间隙（4）不超过发射线圈（3）和接收线圈（5）正对面较短边长或半径的30%。

7.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述耦合线圈分别贴近对应的磁性体，或被对应的磁性体包覆且两个耦合线圈正对的一面暴露出来。

8.根据权利要求1所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述屏蔽层为发射端外壳（1）和接收端外壳（7），发射端外壳（1）设于发射线圈（3）远离接收线圈（5）的一侧，接收端外壳（7）设于接收线圈（5）远离发射线圈（3）的一侧，磁性体为发射端磁性体（2）和接收端磁性体（6），发射端磁性体（2）设于发射线圈（3）与发射端外壳（1）之间，接收端磁性体（6）设于接收线圈（5）与接收端外壳（7）之间。

9.根据权利要求8所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置，其特征在于，所述发射端外壳（1）、接收端外壳（7）结构相同，发射端外壳（1）或接收端外壳（7）为平行于耦合线圈的金属平板或包覆结构；包覆结构中，发射端外壳（1）或接收端外壳（7）为五面封闭的立方型金属壳体，用于包覆发射端磁性体（2）或接收端磁性体（6），耦合线圈设于未封闭的一面，用于信号和电能的传输。

10.一种携能通信系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的一种用于携能通信的电-磁正交耦合装置；发射端通信系统的天线通过发射端的通信模块与端子B1连接，发射端通信系统的数据流依次经过接口电路、扩频/编解码模块、调制解调模块输送至端子B1；端子B2通过接收端的通信模块连接接收端通信系统的天线，无线传输的数据流依次经过调制解调模块、扩频/编解码模块、接口电路输送至接接收端的通信系统；

电源经过EMI滤波器和保护电路后，经过DC/AC变换器，将电能由直流变换为交流后经端子C1和D1驱动发射线圈（3），发射线圈（3）将交变电能转化为交变磁场，接收线圈（5）接收到交变磁场后，将磁能转化为电能，交变的电能经由端子C2和D2运送到整流器之后，变为直流的电能，对直流电能进行稳压、EMI滤波后输出；

发射端电源经过EMI滤波之后，作为辅助电源为发射端通信模块进行供电，接收端通过整流之后的电能作为辅助电源为接收端的通信模块进行供电。

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