无线电能传输系统因具有高可靠性、灵活、安全性能好等优点，近年来成为国内外研究的热点，并被应用于电动汽车、消费电子、植入式医疗等领域。

在很多应用中，进行无线电能传输的同时也需要进行数据通信，以实现反馈控制、状态监测等功能。射频通信是许多无线通信的无线电能传输系统采用的通信方式之一。但随着传输功率的增加，磁场干扰增强，射频通信的可靠性将会降低。

目前为止，已经提出了多种基于磁场耦合的无线能量数据传输（Wireless Power and Data Trans- mission, WPDT）技术。在一些小功率应用场合，通过频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）直接调制功率载波来实现电源侧向负载侧的数据传输，并通过负载调制键控（Load Shift Keying, LSK）来实现反向数据传输，功率传输与数据传输共用同一组耦合线圈。但由于直接对功率载波进行调制，这种通信方式对功率传输的干扰大，不适用于大功率场合，并且数据传输速率受到功率载波频率的限制，通信速率不高。

为了解决上述问题，提出通过两组耦合线圈分别传输能量和数据的技术。由于两组线圈分开放置，减小了数据传输对功率传输的干扰。并且数据载波能够工作在很高的频率，提高了数据的传输速率。但是由于这种结构增加了额外的数据耦合线圈，设备的体积以及成本增加。

另一种方案是多种载波通过同一耦合线圈进行传输。这种方案借鉴了电力线通信的思想。在发送数据时，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到功率传输电路上。高频信号经松耦合变压器传输到接收端，接收机通过耦合电路提取高频信号，再经滤波、放大、解调后还原成二进制数字信号。这项技术不需要增加额外的线圈，并且由于数据载波和功率载波频率不同，数据传输对功率传输的干扰较小。高频的数据载波还可以提高数据的传输速率。本文将采用这种方案进行研究。

载波信号的耦合方式主要有电容耦合和电感耦合，分别通过并联的耦合电容或串联的耦合电感传递载波。多数基于载波的无线能量数据传输系统都采用电感耦合。电感耦合对数据载波的衰减比较大，并且数据提取电路设计复杂。因此本文选用电容耦合，电容耦合属于直接耦合，电路简单，传输特性较电感耦合更理想，对载波的衰减更小。

本文提出一种基于电容耦合的无线能量数据传输系统，建立详细的通信模型并分析具体的电路，总结实际系统的设计步骤。所设计系统数据传输速率达到119kbit/s。比文献[5]（20kbit/s）、文献[6]（19.2kbit/s）中的数据传输速率高很多。在数据传输电路中加入限流电阻，减小了数据传输的功率损耗，同时数据传输增益可以灵活地调节，在大功率场合也能达到很高的信噪比。数据传输电路抗干扰能力强，在耦合系数降低60.2%的情况下依然能够正常工作。

图1 无线能量数据传输系统示意图

图6 无线能量数据传输系统设计流程

图11 无线能量数据传输系统样机

结论

本文主要提出了一种使用电容耦合和双边LCC补偿的新型无线能量数据传输系统。介绍了系统的设计步骤，设计并搭建了一个100W的样机，通过一系列实验验证了方案的可行性。

在线圈对正情况下实际测量的功率传输效率高达90.5%，数据传输速率119kbit/s。数据传输抗干扰能力强，在耦合系数降低60.2%的情况下，系统依然能够正常地工作。与加入数据传输电路相比，没有数据传输电路时的输入输出功率分别降低了4.3%和4.2%。数据传输对功率传输的干扰很小，数据传输增益可以通过电阻Rin-ser进行调节，以适应不同功率等级下的应用。