【正文】 .24 電源管理模塊的電路設(shè)計(jì) .....................................................................24 能量發(fā)射模塊的電路設(shè)計(jì) .....................................................................27 接收模塊的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) .............................................................................29 第 5 章 全文總結(jié)與展望 ........................................................................................33 無(wú)線充電技術(shù)的研究目 標(biāo) ...............................................................................33 無(wú)線充電技術(shù)的未來(lái)市場(chǎng) ...............................................................................34 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................36 致謝 .................................................................................................................................37 外文資料原文 .................................................................................................................38 外文資料譯文 .................................................................................................................44 第 1章 緒論 1 第 1章 緒論 無(wú)線電充電技術(shù)的概述 引言 伴隨社會(huì)信息化的進(jìn)程，數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)能夠隨時(shí)隨地保持溝通交流的移動(dòng)通信的服務(wù)內(nèi)容和質(zhì)量要求越來(lái)越高。伴隨著 3G 手機(jī)和智能手機(jī)的推廣和手機(jī)屏幕越來(lái) 越大的同時(shí)，手機(jī)功能也越來(lái)越強(qiáng)大，與此同時(shí)也導(dǎo)致手機(jī)的耗電量迅速攀升。根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，視頻播放的功耗是傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的 23 倍。待機(jī)時(shí)間的需求原來(lái)只局限于特定用戶群，但現(xiàn)在逐漸發(fā)展成一種普遍需求。手機(jī)待機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短很大程度取決于電池的性能，而根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，目前電池技術(shù)的發(fā)展在短期內(nèi)不會(huì)有重大突破，燃料電池還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化階段。一方面，單純以增大電池體積來(lái)增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間，會(huì)帶來(lái)手機(jī)便攜性下降的負(fù)面結(jié)果。另一方面，國(guó)家頒布的手機(jī)充電器的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在具體實(shí)施中遇到技術(shù)問(wèn)題，遲遲不能普及。人們需要隨時(shí)隨地 使用方便的充電裝置。 無(wú)線充電技術(shù)在很大程度上可以滿足人們這種需求。具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電技術(shù)將具有如下優(yōu)勢(shì)：方便、多機(jī)共用、換機(jī)不換充電器，大量節(jié)省原材料，保護(hù)環(huán)境，滿足特殊使用場(chǎng)合的需求，如防塵、防水、防爆。 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展 早在 100 年前，特斯拉用工作電壓 100MV、頻率 15OkHz 的電磁波發(fā)生器產(chǎn)生的 非定向電磁輻射成功地點(diǎn)亮了兩盞白熾燈。這就是最初的無(wú)線輸電實(shí)驗(yàn)室演示，從那時(shí)起無(wú)線輸電的概念問(wèn)世了。到了 20世紀(jì) 20年代中期，日本的 論述了無(wú)線輸電概念的可行性 。30 年 代初期美國(guó)的研究者也開始了不用導(dǎo)線點(diǎn)亮電燈的輸電方 案的探討 。隨著大功率、高效率真空電子管微波源的研制成功， 20世紀(jì) 60 年代初期 Raytheon 公司的 做了大量的無(wú)線輸電研究工作，從而奠定了無(wú)線輸電的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，使這一概念變成了現(xiàn)實(shí) 。在他的實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效率的半波電偶極子 半導(dǎo)體二極管整流天線，把它放在用來(lái)反射電磁波的導(dǎo)電平板之上，純電阻作為負(fù)載，用低噪聲、高效率的放大管和磁空管作為微波源，將頻率 為 的微波能量轉(zhuǎn)換為直流電。 Brown 在 20世紀(jì) 60至 70年代之間做了一系列實(shí)驗(yàn) ，實(shí)驗(yàn)方法不斷改進(jìn) (從喇叭天線、反射面天線到相控陣天線，從一般的二極管到勢(shì)壘二極管等 )，射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電的效率也不斷提高。電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 1977 所做的實(shí)驗(yàn)中使用 GaAsPt 肖特基勢(shì)壘二極管，用鋁條構(gòu)造半波電偶極子和傳輸線，輸入微波的功率為 8W，獲得了 %的微波 直流電整流效率。后來(lái)他改用印刷薄膜，在頻率 時(shí)效率為 85%。經(jīng)過(guò)多年的精心研究，他演示的直流直流的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 54%。自從 Brown 實(shí)驗(yàn)獲得成功以后，人們開始對(duì)無(wú)線輸電技術(shù)產(chǎn)生了興趣。斯坦福大學(xué)的 Duun 和他的同事也進(jìn)行了理論研究，并證明 了在半徑 lm 的圓波導(dǎo)中以低損耗的 TE001 模式傳輸 GW量級(jí)的高功率微波潛在的可行性。他們?cè)O(shè)想用圓波導(dǎo)傳輸?shù)奈⒉芰縼?lái)驅(qū)動(dòng)城市交通工具 (如封閉的有軌電車或地鐵 )。據(jù)估計(jì)，如果傳輸頻率 1OGHz 的 TEO01 波模，每傳輸 10O0km 的損耗約 5%。但是由于大截面圓波導(dǎo)加工的困難和實(shí)際傳輸過(guò)程中波導(dǎo)模式的轉(zhuǎn)換使得損耗增加，所以沒(méi)有得到工程上的實(shí)施。 美國(guó)在宇航局的支持下， 1975 年開始了無(wú)線輸電地面實(shí)驗(yàn)的五年計(jì)劃，由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室和 Lewis 科研中心承擔(dān)，將 3OkW 的微波無(wú)線輸送 ，微波一直流的轉(zhuǎn)換效率為 83%。從 80 年代末起，些無(wú)線輸電試驗(yàn)放在空間一地面、空間一空間之間進(jìn)行，現(xiàn)在空間站上的無(wú)線輸電試驗(yàn)正在進(jìn)行著。 1991 年華盛頓 ARCO電力技術(shù)公司使用頻率 35GHz 的毫米波，整流天線的轉(zhuǎn)換效率為 72%。 毫米波段的優(yōu)點(diǎn)是天線的孔徑較小，缺點(diǎn)是毫米波源的效率比厘米波低，器件的價(jià)格也較貴，還有波束傳播的雨衰問(wèn)題。由于無(wú)線通信頻率的擴(kuò)展，為了避免對(duì) 頻段通信潛在的干擾，美國(guó)宇航局傾向把 的頻率用于無(wú)線輸電。這兩個(gè)頻率點(diǎn)的大氣穿透性都很好，相應(yīng)元器件的轉(zhuǎn)換效率都很高，價(jià)格也便宜。 1998 年 印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 82%。前蘇聯(lián)在無(wú)線輸電方面也進(jìn)行了大量的研究。 20世紀(jì) 50 年代末期，在著名科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者的直接領(lǐng)導(dǎo)下，無(wú)線輸電理論和實(shí)驗(yàn)研究拉開了序幕。在他超越時(shí)代的研究中，專門設(shè)計(jì)了命名為 Planatron 的微波器件，用來(lái)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換微波功率。在他看來(lái)，未來(lái)微波電子學(xué)的主要研究方向就是微波電力工程，設(shè)計(jì)大功率、高效率的微波發(fā)生器和微波一直流電轉(zhuǎn)換器是無(wú)線輸電最緊迫 的問(wèn)題。在莫斯科大學(xué)， 研究組在無(wú)線輸電與衛(wèi)星太陽(yáng)能電站方面進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究 (包 括系統(tǒng)、子系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)和相關(guān)的微波器件的研制等 )。與微波公司合作， 他們研制出了一系列無(wú)線輸電器件，其中包括無(wú)線輸電的關(guān)鍵器件 —— 快回旋電子束波微波整流器。從 1996 年開始已將有關(guān)回旋波整流器的技術(shù)提供給日本京都大學(xué)的 Mat 一 sumoto、 Shinohara 等人，計(jì)劃在“自由號(hào)”國(guó)際空間站的日本模塊上進(jìn)行試驗(yàn)。 2021 年 6 月，麻省理工學(xué)院 (MIT)以 MarinSolijaeic 為首的研究團(tuán)隊(duì)首次演示了燈泡的無(wú)線供電技術(shù)，他們從 6 英尺的距離成功地點(diǎn)亮了一個(gè) 60W 燈泡。這個(gè)實(shí)驗(yàn)立即引起了人們第 1章 緒論 3 的極大關(guān)注并進(jìn)行了廣泛的報(bào)道。演示裝置包 括直徑為 3 英尺的匹配銅線圈，以及與電源相連的工作頻率在兆赫范圍的傳輸線圈。接收線圈在非輻射性磁場(chǎng)內(nèi)部發(fā)生諧振，并以相同的頻率振蕩，然后有效地利用磁感應(yīng)來(lái)點(diǎn)亮燈泡。他們還發(fā)現(xiàn)，既使兩個(gè)諧振線圈間有障礙物存在時(shí)，也能讓燈泡繼續(xù)發(fā)光。 國(guó)內(nèi)無(wú)線供電研究起步相對(duì)較晚，近年來(lái)也得到了一定數(shù)量的應(yīng) 用，比如變壓器松耦合 方案得到了不少的應(yīng)用，在礦井牽引車的供電以及在其它安全性要求較高的場(chǎng)合等。明天科技公司還推出了一系列的無(wú)線供電集成模塊，《電子世界》2021 第 5 期刊出了《無(wú)線電力傳輸 IC 及其應(yīng)用》，《無(wú)線電》 2021 第 6 期 刊出了《微距無(wú)線供電發(fā)射模塊 v0X06MP01》 ，掀起了一股無(wú)線供電熱潮。 無(wú)線充電技術(shù)的前景 與應(yīng)用 無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)在無(wú)繩電話等設(shè)備中投入實(shí)際應(yīng)用。目前，面向手機(jī)的非接觸式充電器，正在積極開發(fā) 2W3W級(jí)供電技術(shù)。手機(jī)非接觸式充電器開發(fā)廠商正致力于解決產(chǎn)品商業(yè)化時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。其中，尤其重要的是提高效率、 ID認(rèn)證機(jī)制的設(shè)置、降低電磁噪聲、充電時(shí)位置對(duì)準(zhǔn)等。為了滿足法規(guī)等要求，還需要特別注意安全性等方面的問(wèn)題。而且必須和現(xiàn)有的普通充電器一樣簡(jiǎn)便易用，不能因?yàn)榉墙佑|式充電而延長(zhǎng)充電時(shí)間。 無(wú) 線充電只需用一個(gè)發(fā)送端，就可以給多個(gè)用戶終端同時(shí)充電；可以制定統(tǒng)一的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)，這樣就可以為所有符合這一標(biāo)準(zhǔn)制造的可充電電池用同一充電裝置充電；充電器的接收端可以內(nèi)置到手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)通信工具內(nèi)部，這些移動(dòng)通信工具就可以在無(wú)線通信系統(tǒng)覆蓋的可充電范圍內(nèi)自由自在，隨時(shí)在有需要的時(shí)候充電。這項(xiàng)技術(shù)還具有其他一系列好處，包括更好的便攜性、更低的成本、通用性。一次無(wú)線充電將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，該技術(shù)有非常廣泛的市場(chǎng)和商業(yè)前景。 課題依據(jù)及選題依據(jù) 通常，對(duì)手機(jī)、筆記本等移動(dòng)設(shè)備的電池充電時(shí) 都是 需要一個(gè)充電器， 一端連在市電電源上，另外一端連在移動(dòng)設(shè)備上，頻繁的插拔不但使用不便，而且容易損壞 充電器 ，同時(shí)也不安全。在工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，比如水中，應(yīng)該盡可能的避免電器接觸。有時(shí)，需要對(duì)封閉容器內(nèi)的傳感器等電路供電，一般采用電池。然而電池的使用壽命畢竟有限，當(dāng)電量耗盡時(shí)，將封閉容器打開更換電池是比較麻煩的事情，有時(shí)也是不允許的。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 鑒于這種情況，本文提出了一種無(wú)線充電方案，是由電能發(fā)送端和電能接收端兩部分組成，無(wú)需任何物理上的連接，通過(guò)電磁耦合達(dá)到能量傳輸?shù)哪康?。這種無(wú)線充電技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用前景。比如無(wú)線充電器，只需 將手機(jī)、 PDA等移動(dòng)設(shè)備放上去，無(wú)需插拔連線就可以充電，給人們的生活帶來(lái)了很大的方便。 該課題可應(yīng)用于以下領(lǐng)域： 1． 手持設(shè)備： PDA， PDA尋呼機(jī)， PDA手機(jī)等。 2． 多媒體產(chǎn)品：數(shù)碼相機(jī)， MP3，機(jī)頂盒，筆記本電腦等。第 2 章 無(wú)線供電基本理論 5 第 2章 無(wú)線供電基本理論 引言 無(wú)線輸電技術(shù)一直是人們關(guān)心的課題，早在上世紀(jì)初， Nicola Tesla 就進(jìn)行過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線輸電的實(shí)驗(yàn)研究，雖然該項(xiàng)計(jì)劃因資金等原因中途夭折，然而，遠(yuǎn)距離無(wú)線輸電技術(shù) 的研究 一直在進(jìn)行著。特別是近年來(lái)，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，以及傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與 MEMS 器件的發(fā) 展，推動(dòng)了無(wú)線供電與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，并在理 論研究和實(shí)用化技術(shù)方面取得了初步的成果。下面將簡(jiǎn)要地介紹下無(wú)線供電主要采用 的 三種方案：電磁波方案、微波供電、以及本論文所采用的磁耦合供電方案，以及這種方案的相關(guān)例子。 電磁波方案 無(wú)線電傳播機(jī)制 電磁波，俗稱無(wú)線電波，是人們非常熟悉的一個(gè)概念。無(wú)線波的傳播是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，它與無(wú)線電傳播環(huán)境有密切的關(guān)系。對(duì)無(wú)線電波傳播的特性進(jìn)行研究，用它進(jìn)行電能的的傳送，前人也做了很多的實(shí)驗(yàn)。 無(wú)線電波的傳播與傳播經(jīng)歷的路徑、發(fā)射機(jī)頻率、收發(fā)天線高度等諸多因素有關(guān)，它是一個(gè)相當(dāng) 復(fù)雜的問(wèn)題。對(duì)傳播機(jī)制深入了解，并掌握傳播特性是研究傳播規(guī)律的基礎(chǔ)。 無(wú)線電波傳播機(jī)制十分復(fù)雜，富于變化。首先，在接收機(jī)和發(fā)送機(jī)相隔一定距離時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減，在距離發(fā)射機(jī)不同位置具有不同的衰減規(guī)律。除此之外，信號(hào)是經(jīng)過(guò)繞射、散射、反射、折射等方式進(jìn)行傳播的。繞射是當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之問(wèn)的無(wú)線路徑被具有尖利邊緣的礙障物阻擋時(shí)發(fā)生的。來(lái)自障礙物的二次波在整個(gè)空間，其至在障礙物體的后而都存在。當(dāng)視線條件不滿足時(shí)(NLOs)，繞射機(jī)制也允許無(wú)線電信號(hào)的接收。 高頻繞射，同反射一樣，與物體的幾何形狀以及在繞射點(diǎn)的 入射波的相位、幅度、極化都有關(guān)系，繞射現(xiàn)象可以用惠更斯原理來(lái)解釋，該原理認(rèn)為在一個(gè)波前的所有點(diǎn)能認(rèn)為是能產(chǎn)生二次小波的點(diǎn)源，這些小波在傳播方向集合起來(lái)產(chǎn)生新的波前。繞射是由二次小波傳到陰影區(qū)域而產(chǎn)生的。繞射場(chǎng)的大小是所有圍繞障礙物的二次小波的電場(chǎng)分量的矢量之和。 散射是在傳播路徑上存在障礙物，且物體尺寸與波長(zhǎng)可比擬時(shí)發(fā)生的。除了電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 無(wú)線電波在更多方向上進(jìn)行散射外，這種現(xiàn)象的特征類似于繞射。散射是很難預(yù)測(cè)的。它是由信道內(nèi)粗糙表面，小物體，或其它不規(guī)則體引起的。 反射是當(dāng)無(wú)線電波碰到尺寸比入射波長(zhǎng)大得多的障礙物時(shí)發(fā) 生的。在接收點(diǎn)，反射波既能減少又能增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，這主要取決于它們的相位。當(dāng)許多反射波存在，接收信號(hào)很不穩(wěn)定，該現(xiàn)象可稱為多徑衰落。 折射在宏蜂窩無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要。由于大氣的折射系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，無(wú)線電波不是沿直線傳播，而是沿著曲線傳播，因此發(fā)射機(jī)實(shí)際覆蓋面積更大一些，然而由于大氣系數(shù)的波動(dòng)，接收信號(hào)的強(qiáng)度一樣是波動(dòng)的。在室內(nèi)情況下