王冠琪
哈尔滨元申广电网络有限公司
【摘 要】为探究自激高频无线发射系统设计及其应用效果，本文以某设计项目为例，主要围绕自激高频无线发射系统展开分析，先简单介绍无线电能传输技术、磁耦合谐振式能量传输技术及其应用意义，而后总结三极管自激振荡和LC串联谐振的设计原理，提出电路设计构想，最后针对该系统的应用进行研究，通过应用该高频高压无线发射系统，空气中可以产生等离子电弧，进而发射高频电磁场，取得音乐播放器、演示装置的作用，具有重要的应用价值，值得加以推广。
【关键词】磁耦合谐振；电路设计；应用
利用无线电能传输技术，可以实现电能的有效传输，满足电能使用需求。在技术不断发展的今天，无线电能传输技术还可以应用到自激高频无线发射系统中。基于此，本文结合某项目进行探究，项目设计的自激高频无线发射系统功率效，可以利用低压直流电，实现高频高压电磁场的诞生，再将其作为该系统发射端，实现电能的有效传输。通过应用可知，系统电磁场较强，不仅可以隔空点灯、播放音乐，还能基于无线传电的功能作用下进行演示，成为相关演示装置，实现电磁场的可视化。为此，针对该系统的设计与应用就必要加以研究。
1概述
1.1无线电能传输技术
无线电能传输技术应用范围较广，目前得到较好的应用，就其技术发展而言，历经几个时期。1893年，由尼古拉?特斯拉提出该技术，该研究学者对其进行了试验验证，即使未连接导线，灯泡仍被点亮，体现无线电能传输技术的应用优势。在20世纪中叶后期，PeterGlaser基于该技术基础上提出建立空间太阳能电站的构想，以达到收集太阳能的目的，美国、日本等国家对此展开详细研究，2000年以后，取得一定的技术研究进展，MarinSoljacic等人发现可以加强外太空卫星的利用，结合磁耦合谐振原理达到无线电能传输目的，提高无线电能传输技术应用水平，试验结果显示两米范围内，能够电量60W的灯泡，传输效率约为40%，由此，无线电能传输技术得到实质性的研究进展，并引出了磁耦合谐振式能量传输技术。
1.2磁耦合谐振式能量传输技术
磁耦合谐振式能量传输技术是无线电能传输技术中的一种，相比于其他传输技术而言，它主要基于磁耦合谐振原理而诞生的技术，具有传输介质依赖效，且传输距离远、效率高的应用优势，目前，该技术已经成为研究热点之一。针对磁耦合谐振式能量传输技术本身而言，主要是将无线能量传输技术与共振技术相融合，提高传输效率与距离的同时，还不会产生人体健康危害，强磁场环境也未发生变化，进而满足能量传输的要求。所以该技术值得加以应用，本文自激高频无线发射系统设计中涉及该技术。
1.3磁耦合谐振式能量传输技术应用意义
现阶段，关于磁耦合谐振式能量传输技术的研究还有很多，仍然是无线输电领域学者着重研究的问题之一。而这与该技术本身应用优势有关。通过加强磁耦合谐振式能量传输技术的应用，可以加强相关电能传输装置的研发，进而提高传输装置的安全性能等，实现远距离的高效传输。未来发展过程中，该技术在充电系统、无线传感器网络应用等方面前景发展较好，而且在移动工具、家用电气以及航空航天等领域都存在非常大的应用价值，可以补充电磁理论，促进我国无线输电领域的良好发展，这具有重要的意义。
2自激高频无线发射系统设计
2.1设计原理
串联谐振为电压谐振。因此，当谐振电路中的品质因数Q值很大的时候，谐振线圈两端的电压可以升得很高，足以击穿空气，将空气电离。音频调制电路如图1所示，使用场效应管接成共漏极放大电路，即场效应管源极跟随器。R1和R2两个电阻作为分压电路，用以设置合适的静态工作点。以音频信号调制源极的输出电流，输出作为自激振荡电路的电源（VCC），通过初级线圈的耦合，次级产生的电流会随音频调制变化而变化，从而使次级放电端的电弧以音频信号的频率变化，电弧震动空气发声，可实现播放音乐的效果。
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2.2电路设计
自激振荡电路如图2所示。三极管的基极接一个电阻，用以设置静态工作点。集电极通过初级线圈后接电源，次级线圈一端接于LED阴极，另一端悬空。LED阳极接于三极管的发射极。LED用作指示灯及限幅。当次级反馈电位较低的负值时，LED可把基极的电压限制在LED的压降，过多的反馈电流将通过LED回流到地。次级线圈L 2一端处于悬空状态。次级线圈存在分布电容或对地等效电容，该电容与线圈电感_起构成LC振荡电路。振荡电路产生LC电磁振荡，振荡频率由次级线圈的电感L 2与等效电容C决定。由于初级线圈L1与次级线圈L 2同名端相反，电路开始起振后，次级产生反向电压时，反馈在三极管基极的电压为低电源的负值，基极的电流通过LED,LED导通，三极管被截止。三极管截止后，初级线圈L1中电流截止；由楞次定律知，此时次级线圈L 2感应产生正向电压，当电压值高于三极管的导通电压时，三极管导通，初级线圈L1再次通过电流；初级线圈L1通过电流，又使次级线圈L2耦合出反向电压使三极管截止；如此反复。可以看出，次级线圈的反馈电压在电路中为正反馈，集电极的电流与初级线圈L1构成次级LC回路的激励源。次线圈L 2和次线圈L 2悬空端与地之间的电容形成LC振荡，该振荡电路是一个开放电路，不断从耦合主线圈L1吸收能量，并向空间发射出去。
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3自激高频无线发射系统的具体应用
3.1产生等离子电弧及音乐播放
在该自激高频无线发射系统电路设计作用下，一旦连接电路，次级线圈悬空端电压发生变化，主要变得较高，进而向空气中不断放电，造成等离子电弧的产生，电弧产生时表现为火焰形态。根据所产生的等离子电弧就能实现电能的传输。例如，将VCC信号使用音频信号调制，等离体就会收到影响，产生音乐声音，类似离体的音乐播放喇叭，实现音乐播放。
3.2演示无线电能传输
首先，磁耦合谐振式无线传电方式需要用发射线圈与接收线圈发生谐振。发射线圈在发生LC串联谐振时，可产生较高的电压，建立较强的电磁场。发射端电感线圈中磁场有一部分交联到接收端的电感线圈，交变的磁场在接收线圈中感应出电流，因此能量传递到了接收端。接收端电容中的电场能和电感线圈中的磁场能也因为谐振不断地进行能量交换，最终把能量传递给负载。
其次，利用该系统可以实现装置演示，发挥其演示功能作用。例如，隔空点灯。该现象完全可以用该装置加以实现。当应用自激高频无线发射系统后，将会产生高频电磁常，实现电能的传递，进而与LED等发光器件相通，实现隔空点灯。此外，本文所设计的系统装置具有一定应用效果，能够在30㎝内点亮频闪管等，达到无线电能传输演示目的，未来值得加以利用。
4结语
现如今，对于自激高频无线发射系统的研究不在少数，通过进行该系统的研究，以便开发出传输效率较高、成本较低的系统，实现电路方面的优化设计。在本文系统项目设计过程中，基于LC串联谐振原理，技术人员主要三极管自激振荡方式进行电路设计，将初级线圈作为激励复杂，次级线圈两端具有不同用处，一端作为开路，另一端则负责反馈，构成较为简单的线路结构，使得电路设计可靠，提高电能传输效率，满足高频电磁场发射需要，促进我国电力事业的长远发展。
参考文献
[1]熊正烨,李铭士,王伟宏,等.自激高频无线发射系统设计及其应用研究[J].电子制作,2018,000(001):52-54.
[2]潘飞,潘建,庞胤铌,等.磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计[J].科技创新与应用,2020(13).
[3]徐亚东.应用于磁谐振式无线电能传输的高频功放的设计与实现[D].重庆大学,2019.