随着物联网（IoT）和智能电网技术的快速发展，对高压输电线路进行实时和可靠的监测变得越来越重要[1,2]。为了获取电压、电流、温度和机械应力等关键物理参数，目前需要在塔架、绝缘体和导体上部署各种传感器、倾角计和成像设备[3,4]。然而，由于高压环境、强烈的电磁干扰和结构限制[5]，前端监测设备的长期稳定运行面临两大挑战：缺乏可持续的供电路径以及通信方法易受电磁干扰的影响，导致数据传输不可靠。
目前，塔架安装设备的典型供电方式包括太阳能、风能以及通过电流互感器（CT）进行能量收集。前两种方法严重依赖天气条件，难以保证连续和可靠的电力供应。虽然基于CT的供电方式相对稳定，但其物理结构无法穿过绝缘体的裙部，因此不适合为塔架上的分布式终端设备供电。此外，传统的短距离通信技术（如RFID和蓝牙）在强电场干扰下稳定性较差，限制了它们在这种环境中的长期在线运行能力。在这种情况下，无线电力传输（WPT）作为一种无接触且具有优异电气绝缘能力的供电解决方案，被认为非常适合高压输电线路的应用[6,7]。特别是多米诺谐振器阵列结构通过中继线圈建立了多级磁耦合路径[5,[8],[9],[10]，具有较高的传输效率和良好的嵌入式部署兼容性[11,12]。然而，大多数现有的WPT系统主要关注电力传输，未能满足工程应用中的数据通信实际需求。
为了解决上述挑战，近年来同时无线电力和数据传输（SWPDT）成为研究热点[[13],[14],[15],[16]]。现有研究主要探讨了三种技术方法：基于附加耦合结构的数据链路[17]、直接应用于电力传输通道的调制技术以及利用共享谐振结构的信息注入方法[18,19]。其中，频移键控（FSK）因其实现简单、抗干扰能力强且易于与磁耦合网络集成而在实际应用中得到广泛应用。
现有文献在FSK-based SWPDT系统的结构设计和信号解调方面取得了显著进展。例如，参考文献[16]利用耦合器的自谐振原理建立信息传输通道；参考文献[20]采用双谐振电路拓扑结构抑制电力和数据信号之间的干扰；参考文献[21]利用高阶电路提高系统传输增益，并允许灵活设计数据传输通道的中心频率。在多中继SWPDT系统的背景下，[22,23]通过双频段谐振结构实现了电力和数据信号的频域复用，而[24]引入了线圈复用结构以提高调制速率和链路容量。这些工作为系统级工程应用奠定了坚实基础。
然而，在多中继WPT系统中，强烈的交叉耦合使得参数匹配和非相邻线圈之间的互感难以控制。即使是微小的错位也会显著影响输出性能，从而增加系统建模、优化和调谐的复杂性。这不仅增加了实现难度，还限制了系统的稳定性和可扩展性。因此，有效抑制或避免多中继结构中的交叉耦合是实现高效同时无线电力和数据传输的关键挑战。尽管在调制策略、频域解耦和系统架构方面取得了进展，但现有的多中继SWPDT系统在信息通道的可扩展性、结构集成和多频调制灵活性方面仍存在局限性。特别是当系统嵌入高压输电线路绝缘体内时，构建多个频率隔离的信息通道以克服单通道带宽限制并提高带宽利用率仍然具有挑战性。
为了解决这些挑战，本文提出了一种适用于高压复合绝缘体内嵌入式部署的多中继SWPDT系统架构。该架构采用高阶补偿网络生成多个自然分布的谐振频率。通过利用这种拓扑结构的频率响应，分别为电力传输和数据调制创建了独立的通道，实现了频域解耦和协同的电力-数据传输，而无需额外的耦合结构。主要贡献如下：
(1) 采用高阶补偿拓扑结构实现一个电力传输通道和三个独立的数据通道，无需引入额外的耦合结构。
(2) 提出了一种模块化的中继线圈设计，其中交错排列的DD线圈和方形线圈分别作为补偿电感和谐振电感。这种设计消除了非相邻线圈之间的交叉耦合，适用于35 kV复合绝缘体的嵌入，有限元仿真确认电场分布满足绝缘要求。
(3) 实施了多频FSK调制策略，通过三个信息通道传输串行数据，在相同的符号速率下实现了两倍的数据传输速率。
本文的其余部分组织如下：第2节介绍系统架构和工作原理；第3节分析电力和数据通道的频域特性及关键参数设计；第4节提供实验验证；第5节总结本文。
