【正文】 .24 電源管理模塊的電路設計 .....................................................................24 能量發(fā)射模塊的電路設計 .....................................................................27 接收模塊的簡單設計 .............................................................................29 第 5 章 全文總結與展望 ........................................................................................33 無線充電技術的研究目 標 ...............................................................................33 無線充電技術的未來市場 ...............................................................................34 參考文獻 .........................................................................................................................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 無線電充電技術的概述 引言 伴隨社會信息化的進程，數字化時代的到來，人們對能夠隨時隨地保持溝通交流的移動通信的服務內容和質量要求越來越高。伴隨著 3G 手機和智能手機的推廣和手機屏幕越來 越大的同時，手機功能也越來越強大，與此同時也導致手機的耗電量迅速攀升。根據相關調查數據顯示，視頻播放的功耗是傳統(tǒng)語音業(yè)務的 23 倍。待機時間的需求原來只局限于特定用戶群，但現在逐漸發(fā)展成一種普遍需求。手機待機時間的長短很大程度取決于電池的性能，而根據市場調研，目前電池技術的發(fā)展在短期內不會有重大突破，燃料電池還沒有達到實用化階段。一方面，單純以增大電池體積來增加手機待機時間，會帶來手機便攜性下降的負面結果。另一方面，國家頒布的手機充電器的統(tǒng)一標準，在具體實施中遇到技術問題，遲遲不能普及。人們需要隨時隨地 使用方便的充電裝置。 無線充電技術在很大程度上可以滿足人們這種需求。具有統(tǒng)一標準的無線充電技術將具有如下優(yōu)勢：方便、多機共用、換機不換充電器，大量節(jié)省原材料，保護環(huán)境，滿足特殊使用場合的需求，如防塵、防水、防爆。 國內外研究發(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)生器產生的 非定向電磁輻射成功地點亮了兩盞白熾燈。這就是最初的無線輸電實驗室演示，從那時起無線輸電的概念問世了。到了 20世紀 20年代中期，日本的 論述了無線輸電概念的可行性 。30 年 代初期美國的研究者也開始了不用導線點亮電燈的輸電方 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 60 年代初期 Raytheon 公司的 做了大量的無線輸電研究工作，從而奠定了無線輸電的實驗基礎，使這一概念變成了現實 。在他的實驗中設計了結構簡單、高效率的半波電偶極子 半導體二極管整流天線，把它放在用來反射電磁波的導電平板之上，純電阻作為負載，用低噪聲、高效率的放大管和磁空管作為微波源，將頻率 為 的微波能量轉換為直流電。 Brown 在 20世紀 60至 70年代之間做了一系列實驗 ，實驗方法不斷改進 (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壘二極管等 )，射頻能量轉換為直流電的效率也不斷提高。電子科技大學學士學位論文 2 1977 所做的實驗中使用 GaAsPt 肖特基勢壘二極管，用鋁條構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。后來他改用印刷薄膜，在頻率 時效率為 85%。經過多年的精心研究，他演示的直流直流的轉換效率達到 54%。自從 Brown 實驗獲得成功以后，人們開始對無線輸電技術產生了興趣。斯坦福大學的 Duun 和他的同事也進行了理論研究，并證明 了在半徑 lm 的圓波導中以低損耗的 TE001 模式傳輸 GW量級的高功率微波潛在的可行性。他們設想用圓波導傳輸的微波能量來驅動城市交通工具 (如封閉的有軌電車或地鐵 )。據估計，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加工的困難和實際傳輸過程中波導模式的轉換使得損耗增加，所以沒有得到工程上的實施。 美國在宇航局的支持下， 1975 年開始了無線輸電地面實驗的五年計劃，由噴氣發(fā)動機實驗室和 Lewis 科研中心承擔，將 3OkW 的微波無線輸送 ，微波一直流的轉換效率為 83%。從 80 年代末起，些無線輸電試驗放在空間一地面、空間一空間之間進行，現在空間站上的無線輸電試驗正在進行著。 1991 年華盛頓 ARCO電力技術公司使用頻率 35GHz 的毫米波，整流天線的轉換效率為 72%。 毫米波段的優(yōu)點是天線的孔徑較小，缺點是毫米波源的效率比厘米波低，器件的價格也較貴，還有波束傳播的雨衰問題。由于無線通信頻率的擴展，為了避免對 頻段通信潛在的干擾，美國宇航局傾向把 的頻率用于無線輸電。這兩個頻率點的大氣穿透性都很好，相應元器件的轉換效率都很高，價格也便宜。 1998 年 印刷電偶極子整流天線陣轉換效率達到了 82%。前蘇聯在無線輸電方面也進行了大量的研究。 20世紀 50 年代末期，在著名科學家、諾貝爾獎金獲得者的直接領導下，無線輸電理論和實驗研究拉開了序幕。在他超越時代的研究中，專門設計了命名為 Planatron 的微波器件，用來產生和轉換微波功率。在他看來，未來微波電子學的主要研究方向就是微波電力工程，設計大功率、高效率的微波發(fā)生器和微波一直流電轉換器是無線輸電最緊迫 的問題。在莫斯科大學， 研究組在無線輸電與衛(wèi)星太陽能電站方面進行了大量的理論與實驗研究 (包 括系統(tǒng)、子系統(tǒng)的設 計和相關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線輸電器件，其中包括無線輸電的關鍵器件 —— 快回旋電子束波微波整流器。從 1996 年開始已將有關回旋波整流器的技術提供給日本京都大學的 Mat 一 sumoto、 Shinohara 等人，計劃在“自由號”國際空間站的日本模塊上進行試驗。 2021 年 6 月，麻省理工學院 (MIT)以 MarinSolijaeic 為首的研究團隊首次演示了燈泡的無線供電技術，他們從 6 英尺的距離成功地點亮了一個 60W 燈泡。這個實驗立即引起了人們第 1章 緒論 3 的極大關注并進行了廣泛的報道。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內部發(fā)生諧振，并以相同的頻率振蕩，然后有效地利用磁感應來點亮燈泡。他們還發(fā)現，既使兩個諧振線圈間有障礙物存在時，也能讓燈泡繼續(xù)發(fā)光。 國內無線供電研究起步相對較晚，近年來也得到了一定數量的應 用，比如變壓器松耦合 方案得到了不少的應用，在礦井牽引車的供電以及在其它安全性要求較高的場合等。明天科技公司還推出了一系列的無線供電集成模塊，《電子世界》2021 第 5 期刊出了《無線電力傳輸 IC 及其應用》，《無線電》 2021 第 6 期 刊出了《微距無線供電發(fā)射模塊 v0X06MP01》 ，掀起了一股無線供電熱潮。 無線充電技術的前景 與應用 無線充電技術已經在無繩電話等設備中投入實際應用。目前，面向手機的非接觸式充電器，正在積極開發(fā) 2W3W級供電技術。手機非接觸式充電器開發(fā)廠商正致力于解決產品商業(yè)化時出現的問題。其中，尤其重要的是提高效率、 ID認證機制的設置、降低電磁噪聲、充電時位置對準等。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題。而且必須和現有的普通充電器一樣簡便易用，不能因為非接觸式充電而延長充電時間。 無 線充電只需用一個發(fā)送端，就可以給多個用戶終端同時充電；可以制定統(tǒng)一的無線充電標準，這樣就可以為所有符合這一標準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置到手機、筆記本電腦等移動通信工具內部，這些移動通信工具就可以在無線通信系統(tǒng)覆蓋的可充電范圍內自由自在，隨時在有需要的時候充電。這項技術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。一次無線充電將是未來的發(fā)展趨勢，該技術有非常廣泛的市場和商業(yè)前景。 課題依據及選題依據 通常，對手機、筆記本等移動設備的電池充電時 都是 需要一個充電器， 一端連在市電電源上，另外一端連在移動設備上，頻繁的插拔不但使用不便，而且容易損壞 充電器 ，同時也不安全。在工作環(huán)境惡劣的場合，比如水中，應該盡可能的避免電器接觸。有時，需要對封閉容器內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，當電量耗盡時，將封閉容器打開更換電池是比較麻煩的事情，有時也是不允許的。 電子科技大學學士學位論文 4 鑒于這種情況，本文提出了一種無線充電方案，是由電能發(fā)送端和電能接收端兩部分組成，無需任何物理上的連接，通過電磁耦合達到能量傳輸的目的。這種無線充電技術有著非常廣泛的應用前景。比如無線充電器，只需 將手機、 PDA等移動設備放上去，無需插拔連線就可以充電，給人們的生活帶來了很大的方便。 該課題可應用于以下領域： 1． 手持設備： PDA， PDA尋呼機， PDA手機等。 2． 多媒體產品：數碼相機， MP3，機頂盒，筆記本電腦等。第 2 章 無線供電基本理論 5 第 2章 無線供電基本理論 引言 無線輸電技術一直是人們關心的課題，早在上世紀初， Nicola Tesla 就進行過遠距離無線輸電的實驗研究，雖然該項計劃因資金等原因中途夭折，然而，遠距離無線輸電技術 的研究 一直在進行著。特別是近年來，便攜式電子產品大量涌現，以及傳感器無線網絡技術與 MEMS 器件的發(fā) 展，推動了無線供電與無線網絡技術的研發(fā)，并在理 論研究和實用化技術方面取得了初步的成果。下面將簡要地介紹下無線供電主要采用 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例子。 電磁波方案 無線電傳播機制 電磁波，俗稱無線電波，是人們非常熟悉的一個概念。無線波的傳播是一個復雜的問題，它與無線電傳播環(huán)境有密切的關系。對無線電波傳播的特性進行研究，用它進行電能的的傳送，前人也做了很多的實驗。 無線電波的傳播與傳播經歷的路徑、發(fā)射機頻率、收發(fā)天線高度等諸多因素有關，它是一個相當 復雜的問題。對傳播機制深入了解，并掌握傳播特性是研究傳播規(guī)律的基礎。 無線電波傳播機制十分復雜，富于變化。首先，在接收機和發(fā)送機相隔一定距離時，信號強度會發(fā)生衰減，在距離發(fā)射機不同位置具有不同的衰減規(guī)律。除此之外，信號是經過繞射、散射、反射、折射等方式進行傳播的。繞射是當接收機和發(fā)射機之問的無線路徑被具有尖利邊緣的礙障物阻擋時發(fā)生的。來自障礙物的二次波在整個空間，其至在障礙物體的后而都存在。當視線條件不滿足時(NLOs)，繞射機制也允許無線電信號的接收。 高頻繞射，同反射一樣，與物體的幾何形狀以及在繞射點的 入射波的相位、幅度、極化都有關系，繞射現象可以用惠更斯原理來解釋，該原理認為在一個波前的所有點能認為是能產生二次小波的點源，這些小波在傳播方向集合起來產生新的波前。繞射是由二次小波傳到陰影區(qū)域而產生的。繞射場的大小是所有圍繞障礙物的二次小波的電場分量的矢量之和。 散射是在傳播路徑上存在障礙物，且物體尺寸與波長可比擬時發(fā)生的。除了電子科技大學學士學位論文 6 無線電波在更多方向上進行散射外，這種現象的特征類似于繞射。散射是很難預測的。它是由信道內粗糙表面，小物體，或其它不規(guī)則體引起的。 反射是當無線電波碰到尺寸比入射波長大得多的障礙物時發(fā) 生的。在接收點，反射波既能減少又能增強信號強度，這主要取決于它們的相位。當許多反射波存在，接收信號很不穩(wěn)定，該現象可稱為多徑衰落。 折射在宏蜂窩無線電系統(tǒng)設計中十分重要。由于大氣的折射系數不是一個常數，無線電波不是沿直線傳播，而是沿著曲線傳播，因此發(fā)射機實際覆蓋面積更大一些，然而由于大氣系數的波動，接收信號的強度一樣是波動的。在室內情況下