【文章內(nèi)容簡介】 ，大氣的折射的影響可忽略不計。 當(dāng)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(guān)系 :當(dāng)?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(zhuǎn)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(dāng)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(shè)備安裝時，應(yīng)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(guān)的。當(dāng)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(guān)。 。當(dāng)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(yīng)，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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)分布為萊斯 (Rician)分布。 (3)多普勒效應(yīng)。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(yīng)。在靜止環(huán)境下，如果不考慮多徑效應(yīng)以及多普 勒效應(yīng)，電波傳播特性則簡單一些。 (4)應(yīng)用情況： 電磁波奠定了廣播、電視和現(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)。 電磁波 無線 供電應(yīng)用實例 美國一家公司 PowerCast開發(fā)了一項技術(shù)，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(zhuǎn)換為直流電能。該項技術(shù)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(yīng)的 調(diào)整，電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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(zhuǎn)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(chǔ)。 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(yīng)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罩小５俏⒉ü┠芊绞綄⒅饕墓β试粗糜诘孛?，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(shè)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(zhuǎn)換 發(fā)射天線 接收并轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)換效率理論最大值 為 76%，而直流 直流轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)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(dāng)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(yīng)用實例 微波供電一般應(yīng)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(xué)學(xué)士學(xué)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(zhuǎn)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(shù)主要利用了電磁感應(yīng)耦 合原理。 電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)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(zhuǎn)化。電磁感應(yīng)是電磁學(xué)中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(guān)感應(yīng)電能傳輸技術(shù)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(xué)電子與電氣工程系電力電子學(xué)研究中心以 對其展開研究，并將 其正式定名為感應(yīng)耦合 電能傳輸技術(shù) (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(shù)進行了一系列的深入研究，系統(tǒng)地探索了諧振技術(shù)在 ICPT技術(shù)中的應(yīng)用，電流傳輸頻率與系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間的關(guān)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(shù)，為此， 蘭皇家學(xué)會勛 章以表彰他在此領(lǐng)域的突出成就。 與此同時，非接觸式的電能傳輸技術(shù)迅速成為電氣自動化領(lǐng)域中的研究熱點，日本、德國、法國及美國等國家的科學(xué)家相繼在該領(lǐng)域里展開了科學(xué)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(yīng)禍合電能傳輸?shù)囊恍┑湫?應(yīng)用。 磁耦 合供電工作原理 非接觸式感應(yīng)耦 合電能傳輸技術(shù)利用了現(xiàn)代的電磁理論如電磁感 應(yīng)理論與 變壓器理論，結(jié)合了當(dāng)今最新的電力電子技術(shù)與微機實時控制技術(shù)，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(yīng)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(guān)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(yīng)， 在副邊（二級）線圈中得到的感應(yīng)電動勢在通過交 直或交 直 交等變換后向用電設(shè)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 非接觸式電源技術(shù)與傳統(tǒng)的電源能量供應(yīng)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(shè)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(shè)計的（能量接收 線圈 ）產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計簡單，效果明顯，更為具體的設(shè)計思路和理論基礎(chǔ)將在第四章作詳細解釋。 磁耦合方案的實例 應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(xué)的教授們設(shè)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(dǎo)可控的有機晶體管，上面是感測兼容電子設(shè)備接近的銅線 圈，再上面是接通或關(guān)閉電源的 MEMS開關(guān)，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(dāng)物體處于薄膜 2． 5cm范圍內(nèi)時，最靠近的 MEMS開關(guān)接通電源，電感線圈就利用感應(yīng)原理向 各個 設(shè)備供電。據(jù)稱，該項技術(shù)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(xué)學(xué)士學(xué)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(zhuǎn)切割磁場產(chǎn)生的，這個常識讓我們得之 當(dāng)兩個設(shè)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(dāng)向其中的發(fā)送線圈加