利用网络分析仪进行无线充电测试

利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充 电（WPT）测量

随着云计算系统和高集成移动终端的发展，如今在指掌之间即可享用各种类型的数字内容和应用程序。随之而来的是移动终端的耗电量急剧增加，从而提出更方便、更灵活的电池充电需求。近来，作为一种现实的解决方案，无线充电（WPT）技术已引起广泛关注并被广泛地讨论和研究。

通过电感耦合在线圈 / 谐振器之间实现功率无线充电的理论已众所周知（图 1）。当今市场上已有很多商用产品采用磁感应方式进行无线充电。此外，使用磁共振方法进行无线充电的需求也在增长，这主要是因为它的充电范围比较灵活，而且能够同时给多个设备进行充电。与通过有线线路进行充电相比，无线充电的传输损耗更大。因此，WPT 无线充电系统的效率是 WPT 技术所面临的一个挑战，在很大程度上取决于系统中使用的元器件的质量。为了保证系统的性能和互操作性，至关重要的是指定测试要求并根据要求进行测试。在本应用指南中，我们将着力介绍 WPT 系统中使用的元器件、测量要求，以及对应的 Keysight ENA 系列网络分析仪解决方案。

WPT 系统中的元器件测量需求

图 2 所示为 WPT 中使用的元器件和每个元器件的测量要求。在功率发射机模块中，先由功率放大器将功率放大，然后以无线方式传输到接收机模块。功率放大器和发射机线圈 / 谐振器之间插入了匹配电路用于阻抗匹配，以便更有效地传输功率。通过发射机线圈 / 谐振器产生的磁场进行无线传输，发射机线圈 / 谐振器耦合在接收机线圈 / 谐振器上。接收机线圈 / 功率谐振器接收的功率会由直流 - 直流转换器进行整流，然后为负载供电或为电池充电。

在线圈 / 谐振器耦合后，即可测量功率传输效率和发射机与接收机模块之间的阻抗匹配。测量可在低功率状态下进行，也可在实际运行条件（高功率）下进行，以便评估整个系统的功率传输性能。同样重要的是，要对 WPT 系统中使用的各个元器件进行测试，从而确保功率传输的稳定性。例如，在高功率状态下对功率放大器进行 S- 参数测量评估，以保证稳定的功率和磁场的产生。匹配电路和线圈 / 谐振器需要进行阻抗、电容、电感和 Q 因子测试以便进行高效的功率传输。需要控制好环路增益性能和直流 - 直流转换器的输出阻抗，以确保功率完整性。

利用 Keysight ENA 系列网络分析仪测试 WPT 系统和元器件

表 1 所示为无线充电系统中所用元器件的测量要求，和基于 Keysight ENA 系列网络分析仪的对应测量解决方案。下文会对表中的各列进行说明。

无线充电效率测量

功率传输效率是 WPT 系统的一个关键性能因素。图 3 是在发射机和接收机线圈 / 谐振器之间进行功率传输效率测量的测量配置。Keysight ENA 系列网络分析仪提供软件解决方案，通过 50 欧姆的 S-参数测量来分析 WPT 系统的实时电压、电流和功率传输效率（图4）。用户还可以定义任意负载阻抗，来仿真连接电池后的功率传输效率。电阻（R）、电抗（X）和频率（f）的测量结果可以用二维或三维呈现，帮助用户更方便地了解负载阻抗的相关性。

阻抗匹配测量

为了实现高功率传输效率，在功率发射机和接收机模块放到一起或互相靠近时，要确保线圈 / 谐振器之间的阻抗相互匹配。如果阻抗不匹配，功率传输效率可能会降低。图 5 描述了 WPT 系统中阻抗匹配测量的测量配置。当功率接收机模块与发射机线圈 / 谐振器耦合时可以进行测量。功率传输频率下的阻抗和电容可以实时显示。用户还可在另一窗口同时显示 WPT 谐振器的谐振特性。

系统运行条件下的阻抗匹配测量（高功率测量）

在系统运行条件下，还要测量 WPT 系统的功率传输效率和阻抗匹配，以确保 WPT 系统的运行性能。由于系统在运行时需要的输入功率通常会超过网络分析仪的最大输出功率，因而需要用额外的功率放大器来提高被测件的功率输入。图 7 为系统在工作状态下进行阻抗匹配测量的配置情况。E5072A 可以直接接入所有的内部源和接收机，从而消除功率放大器温度漂移的影响，提高测量精度。测量系统中插入了高功率衰减器，用以防止仪器因高功率输入而受损。

功率放大器的测量

功率放大器是 WPT 功率发射机的一个关键部件，需要表征其振幅、相位和随频率而变的增益压缩等技术指标，以保障 WPT 发射机模块的稳定运行。对功率放大器的测试具有一定挑战性，因为此时需要的输出功率通常会超过标准网络分析仪的测量能力。测试功率放大器时，功率放大器的温度漂移不但会直接影响到 S- 参数的测量结果，而且还可能导致被测件输入电平的变化，从而引起意外错误。

E5072A 网络分析仪可以直接接入所有的内部源和接收机，从而消除功率放大器温度漂移的影响，提高测量精度（图 8）。该仪器也可以进行功率和接收机校准，通过接收机测量来调整频率扫描或功率扫描的源电平。与使用功率计和功率传感器的常规方法相比，E5072A 的接收机调平功能提供了更高的源电平精度和更大的吞吐量。图 9 为 E5072A 中的功率放大器向导，可用来协助功率放大器的测量。

线圈 / 谐振器 / 匹配电路测量

线圈或谐振器中的 LC 谐振电路是 WPT 系统中的功率传输 / 接收天线。这些元器件会直接影响功率传输效率，因此需要用阻抗、电感、电容和 Q 因子 仔细地进行表征。WPT 系统中匹配电路的阻抗特性对保证最大功率传输也很重要。E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪提供选件 005 用于阻抗分析。该独特选件使分析仪能够测量电子元件（如电容、电感和谐振器）的阻抗参数。利用 S- 参数或增益 - 相位测试端口，选件 005 可以支持多种测量方法，如反射法、串行直通法（series-thru）和分流直通法。

由于每种方法的阻抗范围不同且都具有良好的精度，因此选件 005 可在极广的阻抗范围内进行 WPT 元器件的测试和测量。网络分析仪与阻抗分析仪能力的结合进一步增强了分析仪 E5061B 作为通用研发工具在 WPT 元器件测试方面的多功能性。固件支持基本的阻抗分析功能，包括夹具补偿和等效电路分析。直流偏置阻抗测量也可以通过 E5061B-3L5 提供的内置直流偏置源进行。有各种 7 毫米和 4 端对夹具可供选择。

直流 - 直流转换器测量

从发射机传输到接收机线圈 / 谐振器的功率会由直流 - 直流转换器进行整流。为了给 WPT 系统中的负载或电池提供稳定的功率，需要对直流 - 直流转换器的反馈回路、相位裕量以及增益裕量进行测量。直流 - 直流转换器的输出阻抗需设计为毫欧阻抗，特别是在低频范围内，以便调节输出电压，避免配电网络（PDN）出现功率完整性问题。图 12 是利用 E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪的增益相位测试端口测量环路增益的配置示 例。图 13 是环路增益测量结果的示例。图 14 是利用 E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪和选件 005 来测量直流 - 直流转换器输出阻抗的配置图，图 15 为测量结果。

在本应用指南中，我们将着力介绍 WPT 无线充电系统中使用的元器件、测量要求，以及对应的 Keysight ENA 系列网络分析仪解决方案。请下载此文档以了解更多信息。