【文章內(nèi)容簡介】 ，大氣的折射的影響可忽略不計。 當發(fā)射機與接收機之間沒有可直達射線時，接收信號是上述信號的組合。因此，接收信號電平隨時間特別是收發(fā)之間位置變化而變化的。即使只有幾分之一波長 之差，也可能會引起信號改變 3OdB 左右。物體對信號的影響與它到接收機、發(fā)射機之間的距離有密切關系 :當?shù)孛婊蚪ㄖ锏任挥?Fresnel 區(qū)域 (一個以發(fā)射機和接收機為橢圓焦點形成的旋轉橢圓體 )外，物體對接收點的總電場產(chǎn)生額外的反射和散射貢獻，只會引起接收信號產(chǎn)生較小的畸變，而當物體處于 Fresnel 區(qū)域特別是第一 Fresnel 區(qū)域時，會對接收信號產(chǎn)生一個明顯的擾動。因此，在室內(nèi)無線設備安裝時，應使第一 Fresnel 區(qū)域內(nèi)的障礙物盡可能少，以保障信號有效傳輸。 無線電傳播特性 電波傳播特性是與信號傳播所經(jīng)歷的路徑密 切相關的。當接收機處于不同位置，具有不同的傳播特性。在移動通信環(huán)境下，電波傳播特性有以下特點 : ，不可避免地存在損耗，它與收發(fā)距離有關。 。當移動臺在移動過程中，周圍地形地物會對電波傳播路徑進行阻擋，形成電磁場的陰影，引起接收點場強中值起伏變化，這種現(xiàn)象稱為陰影效應，表現(xiàn)為慢衰落。 。由于移動體周圍的局部散射體引起的多路徑傳播，使到達接收機輸入端的信號相互疊加，其合成的信號幅度表現(xiàn)為快速起伏變化，即快衰落，或稱短期衰落?？焖ヂ涞慕y(tǒng)計特性 : (l)遠離 發(fā)射機的情況移動臺遠離發(fā)射機情況下，快衰落信號包絡統(tǒng)計，是指在無直射波的 N個路徑傳播時接收信號的包絡統(tǒng)計特性。每條路徑的信號幅度為高斯分布，相位在 02π內(nèi)為均勻分布，則合成信號的第 2 章 無線供電基本理論 7 包絡分布為瑞利 (Ravleigh)分布。 (2)靠近發(fā)射機的情況移動臺靠近發(fā)射機的情況下，快衰落信號包絡的統(tǒng)計特性，是指含有一個直射波的 N個路徑傳播接收信號的包絡統(tǒng)計特性。若每條路徑的信號幅度為高斯分布，相位在 O一 2π內(nèi)為均勻分布，則合成信號的包絡分布為萊斯 (Rician)分布。 (3)多普勒效應。由于移動體的運動速度和方向會使接收 的信號產(chǎn)生多普 勒頻 移。在多徑條件下，便形成多普 勒頻譜擴展，對信號形成隨機調(diào)頻的 多普勒效應。在靜止環(huán)境下，如果不考慮多徑效應以及多普 勒效應，電波傳播特性則簡單一些。 (4)應用情況： 電磁波奠定了廣播、電視和現(xiàn)代通信技術的基礎。 電磁波 無線 供電應用實例 美國一家公司 PowerCast開發(fā)了一項技術，可為各種電子產(chǎn)品充電或供電，包括耗電量相對較低的電子產(chǎn)品，諸如手機、 MP3隨身聽、溫度傳感器、助聽器，甚至汽車零部件和醫(yī)療儀器。整個系統(tǒng)基本上包含了兩個部件，稱為 PowerCaster的發(fā)射器模塊和稱為 PowerHarvester的接收器模塊，前者可插入在插座上，后者則嵌入在電子產(chǎn)品上 (見圖 )。 圖 電磁波無線供電實例 發(fā)送器發(fā)射安全的低頻電磁波，接收器接收發(fā)射頻率的電磁波，據(jù)稱約有 70%的電磁信號能量轉換為直流電能。該項技術之所以會得到多家廠商的青睞，原因在于它獨特的電磁波接收裝置，能夠根據(jù)不 同的負載、電場強度來做相應的 調(diào)整，電子科技大學學士學位論文 8 以維持穩(wěn)定的直流電壓。 微波供電方案 微波無線電能傳輸特性 微波無線電能傳輸主要包括了能量的轉換和傳輸兩部分，整個能量傳輸過程中涉及 的都是大功率信號，與一般的無線通信收發(fā)系統(tǒng)相比，具有自己的獨特性。本節(jié)主要介紹了微波無線電能傳輸 (WPT)的特性及理論基礎。 作為一種點對點的能量傳輸方式，微波 WPT具有以下特點 : (l)能量源和耗能點之間的能量傳輸系統(tǒng)是無質(zhì)量的 。 (2)以光速傳輸能量 。 (3)能量傳輸方向可迅速變換 。 (4)在真空中傳遞能量無損耗 。 (5)波長較長時在大氣中能量傳遞損耗很小 。 (6)能量傳輸不受地球引力差的影響 。 (7)工作在微波波段，換能器可以很輕 這些特性絕大部分都是非常明顯的，但是最后一個特性在空間應用中特 別重要。在太空中，唯一的主要能源是太陽能。所有其它的能源，如燃料電池，電池組，核能，甚至可以吸收太陽能的天線陣列都必須克服重力才能傳輸?shù)教罩?。但是微波供能方式將主要的功率源置于地面，在太空中只留?只 占系統(tǒng)質(zhì)量很小部分的微波接收和整流設備，從而避免了這個缺點 。 微波無線電能傳輸空間傳輸理論 一個微波能量傳輸系統(tǒng)的幾個基本組成部分 (如圖 ) ： 圖 微波傳輸系統(tǒng)組成方框圖 直流 微波轉換 發(fā)射天線 接收并轉換成直流 天線 天線 第 2 章 無線供電基本理論 9 盡管各個部分各自的相關試驗中分別 都能達到最大的效率，卻不能在一個完整的系統(tǒng)中同時實現(xiàn)各自的最大值。因此，目前已被實驗證實的最大總效率為 54%，如果能將各個部分的傳輸效率更好地匹配，總傳輸效率將有可能達到 76%。 其中直流 直流轉換效率理論最大值 為 76%，而直流 直流轉換效率實驗值 為 54%。 頻率的選擇 如果沒有任何限制地為能量傳輸選擇最佳頻率，需要考慮如下的一些方面 : (1)天線孔徑大小 。 (2)頻率對系統(tǒng)整體效率的影響 。 (3)與部件效率直接相關的散熱問題 。 (4)惡劣氣象條件下的可靠性問題 。 (5)現(xiàn)有可用元件的先進性 。 (6)所選頻率 對其他電磁波譜的影響。 其中 除了天線孔徑及對其他頻譜的影響兩因素外，以上其他所有因素均以選擇較低頻率為宜。對于一些類似于太陽能衛(wèi)星方面的應用，需 要考慮到大氣層對微波傳輸?shù)挠绊?。因此也以采用低頻居多。但事實上，可供選擇的微波頻率相當有限，目前所用的頻率均屬于 ISM(工業(yè)，科技，農(nóng)用 )頻段，分別為 、 。 微波供電應用實例 微波供電一般應用在空間，像太陽能電站等，很多前人提出了很多的使用方案。在 19世紀八十 年代， 由 加拿大的通信研究中心制造了一個小型飛機 如圖 ，這種飛機能夠接收從地球而來的能量源 。 電子科技大學學士學位論文 10 圖 基于微波供電的小型飛機照片 利用這一能量，這架小飛機能夠以 21公里海拔的高度，在 2公里的范圍內(nèi)飛行。最重要的是，這架飛機能夠一次飛行數(shù)個月的時間。長時間飛行的秘密就在于地面上有一個大型微波發(fā)射器，機身上也有一個圓型的硅整流二極管天線，能夠?qū)⒔邮盏降奈⒉ㄞD換成直流電。 磁耦合無線供電方案 磁耦合無線供電基本理論 非接觸式無線供電技術主要利用了電磁感應耦 合原理。 電磁感應現(xiàn)象是電磁學中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象 之間的相互聯(lián)系和轉化。電磁感應是電磁學中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應的基本原理進行工作的，變壓器由一個磁芯和二個線圈，即初級線圈與次級線圈組成。當初級線圈兩端加上一個交變電壓時，磁芯中就會產(chǎn)生一個交變磁場，從而在次級線圈上感應一個相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電 路傳輸至輸出電路。 最早的有關感應電能傳輸技術是日本國家研究院與 Yaskawa電氣公司于 20世紀八十年代聯(lián)合提出的，到了九十年代初期，新西蘭奧克蘭大學電子與電氣工程系電力電子學研究中心以 對其展開研究，并將 其正式定名為感應耦合 電能傳輸技術 (Inductive Coupled Power Transfer，簡稱 ICPT〕。即變壓器耦合 無線供電。在這之后， 合電第 2 章 無線供電基本理論 11 能傳輸技術進行了一系列的深入研究，系統(tǒng)地探索了諧振技術在 ICPT技術中的應用，電流傳輸頻率與系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間的關系，多負載控制問題、電路品質(zhì)因數(shù)對于整個系統(tǒng)的影響、電流諧振環(huán)問題、 10KHz的 ICPT系統(tǒng)實現(xiàn)問題等，在理論上與實踐上取得了的重大突破，并獲得了多項專利技術，為此， 蘭皇家學會勛 章以表彰他在此領域的突出成就。 與此同時，非接觸式的電能傳輸技術迅速成為電氣自動化領域中的研究熱點，日本、德國、法國及美國等國家的科學家相繼在該領域里展開了科學研究，并且取得了一系列的成果。如日本的工廠行車、電動機車，德國 BWM公司的裝配機器人、美國及英國的無線充電器等產(chǎn)品都是非接觸式感應禍合電能傳輸?shù)囊恍┑湫?應用。 磁耦 合供電工作原理 非接觸式感應耦 合電能傳輸技術利用了現(xiàn)代的電磁理論如電磁感 應理論與 變壓器理論，結合了當今最新的電力電子技術與微機實時控制技術，實現(xiàn)了電能的非接觸式傳輸。其原理框圖如圖 24所 示 : 圖 24 非接觸式電源的電能傳輸框圖 利用交流工頻電源作為非接觸式電源的能量供應源，可采用兩相或者三相的工頻電源，具體情況根據(jù)實際的電源容量要求進行合理的選擇，工頻電源在經(jīng)過整流環(huán)節(jié)之后向逆變電路提供平穩(wěn)的直流電 流，該直流電流經(jīng)過逆變電路的高頻逆變之后向耦 合變壓器的原邊 提供高頻交變電流，耦 合變壓器作為非接觸式電源的關鍵部位，其原邊 （一級） 線圈中通過的高頻電流向外界輻射電磁能量并在副邊線圈中產(chǎn) 生電磁感應， 在副邊（二級）線圈中得到的感應電動勢在通過交 直或交 直 交等變換后向用電設備提供 U、 I參數(shù)適合的電源，從而完成非接觸式電源的整個能量傳輸過程。 交流電源 整流電 路 逆變電 路 線圈或者天線的能量耦合 UI 變換 負載 電子科技大學學士學位論文 12 非接觸式電源技術與傳統(tǒng)的電源能量供應模式相比較最為突出的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)電能的非接觸式傳遞，而這一點的實現(xiàn)是通過高頻電流向空間輻射電磁波 的形式來實現(xiàn)的，這就要求在耦 合變壓器中 其原邊（一級）線圈與副邊（二級）線圈之間相隔有一段較長的空氣磁路，這也是耦 合變壓器與傳統(tǒng)的變壓器之間的區(qū)別。根據(jù)磁路的歐姆定律及安培環(huán)路定律，考慮到空氣的磁阻遠大于鐵芯的磁阻，因此磁路的磁動勢降 主要分布在空氣磁路部分，隨著空氣段磁路磁阻的增加，需要在耦 合變壓器的原邊產(chǎn)生較大的激磁電流，而激磁電流的增大一方面會增加整個變壓器的體積，另一方面會降低整個變壓器的能量傳送效率。為了提高整個電源系統(tǒng)的電能傳輸效率，縮小器件的體積，提高能量 密度，這就要求在耦 合變壓器的原邊中通過高頻電流，利用高頻化來提高整個電源系統(tǒng)的能量密度，在電路中加入整流及高頻逆變環(huán)節(jié)，提高 耦 合變壓器的原邊中的電流頻率，從而減小激磁電流， 從而 達到縮小電源體積提高電能傳輸效率的目的。 本文所介紹的非接觸式電源主要由原邊整流電路部分、高頻逆變 電路部分、 原邊諧振回路部分 、副邊 （二級） 能量接收線圈的整流及穩(wěn)壓部分、 用電設備 等五部分所組成。工頻交流電流經(jīng)過整流及濾波電路之后向高頻逆變器提供平穩(wěn)的直流電源，直流電源在經(jīng)過高頻逆變之后向原邊 諧振回路 輸送高頻交變電流，逆變器輸出的 交變電流在 原邊 （ 能量發(fā)射線圈 ） 中 經(jīng)過調(diào)測達到諧振 時會產(chǎn)生高 頻的電磁輻射，利用合理設計的（能量接收 線圈 ）產(chǎn)生感應電動勢，該感應電動勢在經(jīng)過整流濾波之后向負載傳送穩(wěn)定的電能，還可以加載單片機控制單元得到穩(wěn)定的電流電壓， 整個非接觸式電源的基本結構如圖 25所示。 圖 25 非接觸式電源的基本框圖 交流電源 直流電源 電源管理 功放 震蕩 轉換 充電電池或者發(fā)光二極管 能量發(fā)射單元 能量接收單元 第 2 章 無線供電基本理論 13 選擇本方案作為課題的突破點的原因在于設計簡單，效果明顯，更為具體的設計思路和理論基礎將在第四章作詳細解釋。 磁耦合方案的實例 應用于無線供電或充電的裝置而言，其初級線圈與次級線圈處于兩個分離的各自部件中，因而線圈間的耦合是比較松散的。該系統(tǒng)相當于一個分離式疏松耦合變壓器， 一般都 選用 Ferrite芯增加其耦合效率、減少漏磁。 最早使用電磁感應原理傳輸能量的是電動牙刷。電動牙刷經(jīng)常接觸水，不采用直接充電方案，在充電座和牙刷 中 各有 — 個線圈，當牙刷放在充電座上時就有磁耦合作用，類似一個變壓器，感應電壓整流后就可對鎳鎘電池充電，整個電路消耗功率約 3w，如圖 26所示。 日本東京大學的教授們設計了一種塑料薄膜電源，很有創(chuàng)意，用途也十分廣泛。例如，可將它鋪在地板。卜或桌子上，或嵌入在墻壁上，為圣誕樹上發(fā)光二極管、裝飾燈供電，為魚缸水中燈泡或小型電視供電。薄膜電源由四層塑料薄膜組成，最低一層是電導可控的有機晶體管，上面是感測兼容電子設備接近的銅線 圈，再上面是接通或關閉電源的 MEMS開關，最上面一層是傳送電 能的銅線 圈 。制作工藝采用了絲網(wǎng)印刷和類似于噴墨打印的新 工 藝。它的丁作過程是這樣的；當物體處于薄膜 2． 5cm范圍內(nèi)時，最靠近的 MEMS開關接通電源，電感線圈就利用感應原理向 各個 設備供電。據(jù)稱，該項技術的效率是很高的，電源傳輸效率可 81． 4％。目標的價位每平方米約 100美元。 圖 26 磁耦合方案研制的無線充電牙刷 電子科技大學學士學位論文 14 第 3章 無線充電系統(tǒng)原理解析 引言 電流是由線圈旋轉切割磁場產(chǎn)生的，這個常識讓我們得之 當兩個設備中分別使用了一個具備振蕩電路特性的線圈組成一對收發(fā)天線，讓其中一個天線發(fā)送能量，另一個天線則接收能量。 當向其中的發(fā)送線圈加