简介：为了给那些拥有封闭金属外壳容器的内部传感器供电，我们需要合理地应用跨金属无线电源技术。但由于金属的电磁屏蔽效应，传统的无线传输技术不能支持跨金属的能量传输。压电超声无线电源技术可以在保证金属完整性的基础上促进电能无线传输，通过发射端压电换能器发出超声波，通过换能器进一步转化为电能。基于上述问题，需要加强对共振频率自适应跟踪超声无线电源技术的研究，提高技术的普遍性。

一、压电超声能量传输原理

压电超声无线传输结构主要由压电金属结构、频率传输装置、负载和整流滤波组成。通过发出相应的频率信号，传感器在电致膨胀的影响下形成振荡，传感器的整体频率范围一般超过20KHZ。该频率的超声波大于人耳听觉，具有良好的穿透性和方向性，在金属介质中传输时不会造成太大的损失。超声机械波到达接收系统，通过传感器进行处理和转换，在压电效应下转化为电能，结束整流滤波向后负荷供电，支持跨金属能量传播。整个结构的核心是同轴设置的两个压电传感器，其整体运行性能将直接影响无线电源的功率和效率。

二、谐振频率跟踪方案分析

压电复合金属结构对应的机械共振频率具有较高的整体振幅频率特性，相应的阻抗相位角主要保持在零度，类似于晶体振荡器。深入研究无线电源跨金属通信技术，可以基于自激振荡构建振荡电路，促进共振频率的自适应跟踪，减少复杂的反馈跟踪过程。共振跟踪技术有三种，即反射阻抗匹配、相位检测和电压跟踪技术。

在电压跟踪技术中，整个声学系统进入谐振状态，达到最高运行功率。在这种情况下，传感器两侧的电压也增加到最高值。因此，电压检测是否突破最高值可以帮助检测系统进入谐振状态。利用扫描技术的最高电压频点进行检测，然后通过数字频率合成进行频率输出，全面跟踪谐振频率。该技术的主要优点是操作原理简单，主要问题是系统结构复杂，跟踪时间长。

相位检测技术，当谐振电路进入谐振状态时，会产生电路阻力，电压电流的相位差变为零。借助锁相环电路在系统相位方面的控制功能，借助相位合理锁定系统频率，支持谐振频率实现自适应跟踪。该技术方法相对复杂，整体跟踪精度和跟踪速度相对较差。

在反射阻抗匹配技术下，在无线传输系统中，接收端通过等效处理与发射端对应的阻抗并联。该技术方案相对简单，但应提前了解系统电路模型。

上述技术方案有不同的优缺点，但普遍存在相同的缺陷，整体频率跟踪范围较小。当频率超过数KHZ水平时，相应的技术方法无法操作。结合宽频条件下的谐振频率高速跟踪，合理设计自激振荡电路，合理适应温度和厚度变化下形成的谐振点波动，促进最佳谐振点的振荡频率独立运行，实现自适应跟踪目标[1]。

三、谐振频率自适应跟踪超声无线供电技术

(1)自激振荡经典电路

自激振荡电路主要包括稳定系统、反馈网络、频率选择系统、放大电路等组件，实际上属于放大电路，具有一定的正反馈性能，使用反馈网络输入放大电路，使用频率选择网络合理选择特定频率信号，促进放大电路输入交流信号，可根据相应范围、频率传输交流信号。由于缺乏自激振荡能力，一般模式的正反馈电路需要满足相应的电路条件。自激振荡电路的整体运行过程分为三个环节：稳定性、平衡性和振动性。不同的环节有不同的相应条件。振动环节，根据相关振幅条件，通过反馈和放大输入电压，可以进一步扩大，成功形成振荡。由于自激振荡电路没有外部输入信号，初始信号主要由上电环节对应的电平变化和电子运动形成。相位平衡条件与振动相位条件相同，属于正反馈电路的基本条件。在稳定设计方面，由于自激振荡电路的振动环节不断增加输出电压，需要采取有效措施控制电压输出增长，促进放大处理增益和反馈增益的乘积从超过1变为等于1，这也是自激振荡电路基础稳定的基本条件。压电结构的某些运行特征与晶体振荡器相似，因此主要分析晶体振荡器电路，相应的频带较窄，无法实现宽频下的谐振跟踪。同时，由于相应振荡电路的输出阻抗较高，不能与负载直接连接，晶体振荡电路的输出信号级一般用于支持功率级输出[2]。

(二)自激谐振频率跟踪电路

对于晶体振荡形式的电路，结合有效功率输出为零、谐振频带狭窄的现象，进行优化改进。具体变化如下。一是更换晶体振荡器，成为压电复合结构。二是将射极电阻转化为电感，有效改善三极管截止和饱和现象，进一步扩大谐振强度。三是进一步增加电容连接基极和射极，形成两极反馈。第四是在集电极和基极之间增加复合结构，通过共振处理基极电压，不断提高，使其超过电源电压，确保复合结构两侧形成足够的电压。与电源连接后，谐振启动模块发出初始振荡信号，通过压电金属结构筛选，三极管放大，形成固定频率波形。在运行状态下，电流向三极管对应的基极流入，完全导通三极管，电源正极通过发射和集电两结进入射极。由于射极没有直接接地，电感会在一定程度上阻碍电流。射极部分的电流通过电阻和电容返回基极。在这种情况下，内部三极管呈现全饱和状态。后期基极电位逐渐降低，促进三极管逐渐停止。在三极管接近截止日期的情况下，循环电源电压通过电阻重新进入基极，实现反复循环，形成电路振荡

[3]。

该电路符合基反射的相同条件，三极管基极的相应电抗性能与射极电极一致，射极基极的电抗性能与基极集电极相反，符合基本振动条件。由于压电复合结构与晶体振荡器相似，在实际运行中具有感性特征，只有结构性质才会影响振荡频率。与晶体振荡电路相比，谐振跟踪电路技术的主要优势如下。首先，它有更大的运行带宽。压电换能器系统的性质将直接影响谐振跟踪电路的整体运行带宽。通过分析，风险换能器的最低运行带宽为200KHZ。二是整体运行效率高。在电路谐振中，整个复合结构直接参与谐振，可以发挥电器和谐振电路的功能，有效降低能耗。第三，相应的电阻值相对较小，电路输出端也是整个结构的输出侧，因此相关的输出阻抗不受电路元件电阻值的影响，主要受复合结构的影响。由于与复合结构相关的传输阻抗为100欧姆级，电路的整体功率传输性能满足基本运行要求。与传统技术不同，新型谐振频率自适应跟踪技术将压电复合结构作为电路谐振的重要环节，通过自激振荡措施实现谐振频率自适应跟踪，提高电能传输效率，确保稳定传输。

结论：综上所述，目前大多数无线电源设备和无线电源技术一般基于空气介质传输电磁能量，跨金属相关电磁屏蔽功能介质无线电源技术相对较少，需要进一步加强跨金属无线电源技术研究，提高技术普遍性，实现功率输出无线电源电路测试。