【文章內(nèi)容簡介】 ；相隔一段距離的接收端包含另一個(gè)導(dǎo)線繞制并與電容并聯(lián)的線圈 (接收線圈 )，以及消耗線圈電磁能的負(fù)載。 能量傳輸系統(tǒng)的工作原理 導(dǎo)線繞制的線圈可視為電感與電容相連構(gòu)成諧振體，諧振體包含的能量在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線圈為中心以空氣為傳輸媒質(zhì)的時(shí)變磁場(chǎng)；與該諧振體相隔 一定距離的具有相同諧振頻率的諧振體感應(yīng)磁場(chǎng)，所感應(yīng)的磁場(chǎng)能同樣在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，同時(shí)兩個(gè)諧振體之間不斷地有磁場(chǎng)能交換，因此產(chǎn)生以兩個(gè)線圈為中心以空氣為媒質(zhì)的時(shí)變磁場(chǎng)。 兩諧振體內(nèi)電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能振蕩交換的同時(shí)諧振體之間也存在著以相同頻率振蕩的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統(tǒng)。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 5 能量傳輸過程及其遵循的準(zhǔn)則與方程 源線圈通正弦電流，線圈電感周圍產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，同時(shí)向電容充電；接收線圈感應(yīng)磁場(chǎng)，線圈電感產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)向其電容充電。當(dāng)正弦電流的頻率與線圈的諧振頻率相等時(shí)，源線 圈電流方向改變的同時(shí)，交變磁場(chǎng)方向改變，接收線圈感生電動(dòng)勢(shì)，接收線圈的電容放電。正弦電流的方向周期性變化，接收線圈的電流被逐漸放大，直到接收線圈的電磁能達(dá)到最大。若系統(tǒng)沒有負(fù)載 (包括線圈的寄生電阻 )消耗能量，源線圈與接收線圈兩側(cè)所包含的能量交替達(dá)到最大值 (各時(shí)刻兩線圈包含的能量之和 )；若 根據(jù)全電流定律，源線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)應(yīng)遵循方程： 式中 源線圈的傳導(dǎo)電流密度； 源線圈的位移電流密度； 源線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，接收線圈感生電動(dòng)勢(shì)應(yīng)遵循方程 : 式中 接收線圈感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度； 源線圈與接收線圈鉸鏈的磁場(chǎng) 同時(shí)，接收線圈需滿足各向同性介質(zhì)的本征方程： 公式表示接收線圈中，電場(chǎng) 與電流密度 的關(guān)系。 若系統(tǒng)沒有負(fù)載消耗能量，應(yīng)用矢量磁位計(jì)算源線圈與負(fù)載線圈鉸鏈的電磁能為： 式中 源線圈與接收線圈振蕩交替的磁場(chǎng)能 /電場(chǎng)能； 源線圈在接收線圈位置產(chǎn)生的矢量磁位。 由上式得到源線圈與接收線圈之間交替的無功功率為： 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 6 式中 接收線圈包含的無功功率； 源線圈與接收線圈的耦合磁鏈。 磁場(chǎng)為單一頻率激勵(lì)源時(shí)，功率表達(dá)式 (25)簡化為集中參數(shù)形式： (26) 式中 源線圈激勵(lì)的磁場(chǎng)變化角頻率； 分別為源、接收線圈的電流； 2 方案設(shè)計(jì)與論證 總體方案設(shè)計(jì)與說明 在不采用專用器件（芯片）的前提下，設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸供電系統(tǒng)的電路如下圖所示，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)小型電器供電或充電等功能。 圖 非接觸供電系統(tǒng)框圖 非接觸 供電系統(tǒng)由電源、振蕩器、功率放大 、耦合線圈、 AC/DC 轉(zhuǎn)換電路、充電電路這幾個(gè)部分組成。 D 功放 AC/DC 耦合線圈 耦合線圈 振蕩器 充電電路 電源 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 7 電源是為了能給敷在提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會(huì)保持穩(wěn)定。 振蕩器 是 在無需外加激勵(lì)信號(hào)的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)化成具有一定波形、一定頻率和 一定幅度的交變能量的電子電路 。振蕩器是將 直流電變換成交流電的器件 。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器，這是無線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。 磁耦合諧振式無線能量是以時(shí)變電磁場(chǎng)為媒介，當(dāng)外加激勵(lì)源的頻率與系統(tǒng)的諧振頻率相同，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合諧振的前提。 通過 AC/DC 轉(zhuǎn)換電路后，電流由原來的交流變?yōu)橹绷鳌?成 為直流后，要想實(shí)現(xiàn)充電，則可以通過有存儲(chǔ)電量的元器件作為電路的輸出方法。利用充電電路可以實(shí)現(xiàn)充電的功能。 下面選擇整體電路中的高頻振蕩電路與功率放大電路的實(shí)施方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。 高頻振蕩電路方案的設(shè)計(jì)與論證 方案一： 采用西勒振蕩電路 振蕩器接通電源后，由于電路中的 電流從無到有變化，將產(chǎn)生脈動(dòng)信號(hào)，因任一脈沖信號(hào)包含有許多不同頻率的諧波，因振蕩器電路中有一個(gè) LC 諧振回路，具有選頻作用，當(dāng) LC 諧振回路的固有頻率與某一諧波頻率相等時(shí)，電路產(chǎn)生諧振。雖然脈動(dòng)的信號(hào)很微小，通過電路放大及正反饋使振蕩幅度不斷增大。當(dāng)增大到一定程度時(shí)，導(dǎo)致晶體管進(jìn)入非線性區(qū)域，產(chǎn)生自給偏壓，使放大器的放大倍數(shù)減小，最后達(dá)到平衡，即 AF=1，振蕩幅度就不再增大了。于是使振蕩器只有在某一頻率時(shí)才能滿足振蕩條件。 采用 LC 諧振回路產(chǎn)生所需的頻率。優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生任意所需載波，缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度比較低 。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 8 圖 西勒振蕩電路 方案二 ： 采用晶體振蕩電路 采用有源晶振。有源晶振只要加上電源 配合合適的外部電路 就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。優(yōu)點(diǎn)是電路 比較 簡單，頻率穩(wěn)定 度高 。缺點(diǎn)就是不能產(chǎn)生任意頻率的載波 。 圖 晶體振蕩器 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 9 方案論證：本設(shè)計(jì)對(duì)頻率沒有具體要求，而且無需產(chǎn)生多個(gè)頻率，所以采用方案二。而且具有電路簡單，頻率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。 功率放大電路方案的設(shè)計(jì)與論證 方案一，采用集成芯片。 現(xiàn)有許多高頻大功率的集成放大器 (如 AD815)可以用來設(shè)計(jì)高頻功放。集成功放具有穩(wěn)定度高，需要調(diào)整的參數(shù)少的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是效率較低（集成功放一般采用線性放大），不滿足系統(tǒng)對(duì)功耗及傳輸距離的要求。 方案二，采用分立元件的功率放大器。 為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇在丙類工作狀態(tài)下工作 采用分立元件的高頻電路受分布參數(shù)影響大，而且不易調(diào)整，但其電路結(jié)構(gòu)比較靈活，對(duì)應(yīng)于不同要求的信號(hào)，可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的放大器以獲得最大的效率，而且輸出功率可以設(shè)計(jì)的較大，價(jià)格也相對(duì)低廉。采用功放管，前級(jí)的緩沖級(jí)，一是控制能量發(fā)射模塊的增益，二是給提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率。 方案論證：本題目要求不能采用專用芯片和模塊。能量發(fā)射模塊功率上限為5W，需要較大功率的功放管，故選用方案二。 3 設(shè)計(jì)原理及主要電路參數(shù)的計(jì)算 電源設(shè)計(jì) 整流電路 當(dāng)負(fù)載僅需要幾十瓦或幾百瓦的功率時(shí)，常常采用單相整流電路。整流 電路是利用二極管的單向?qū)щ娦?，把交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電的電路。 由圖可看出，電路中采用四個(gè)二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓 U2 的正半周內(nèi)，二極管 D D3 導(dǎo)通， D D4 截止，在負(fù)載 RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反， D D3 截止， D D4 導(dǎo)通，流過負(fù)載 RL 的電流方向與正半周一致。因此，利用變壓器的武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 10 一個(gè)副邊繞組和四個(gè)二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)直流電壓和電流。橋式整流的名稱只是說明電路連接方法是橋式的接法，橋式整流二極管：大家常用的一般是由 4只單個(gè)二極管封裝在一起的元件，取名橋式整流二極管 ,整流橋或全橋二極管。 圖 橋式整流電路及工作波形 由此可見，在交流電壓 V2 的整個(gè)周期始終有同方向的電流流過負(fù)載電阻RL，故 RL 上得到單方向全波脈動(dòng)的直流電壓。在橋式整流電路中 ，由于每兩只二極管只導(dǎo)通半個(gè)周期，故流過每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半。在V2 的正半周期， D1 和 D3 導(dǎo)通時(shí)，可將它們看成短路，這樣 D2 和 D4就并聯(lián) 在 V2 上，其承受的反相峰值電壓為： 22VVRM? 二極管所能承受的最高反向電壓就是電源電壓的最大值，即 22VVRM? 。 流過每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，即 : LLOOD RVRVII ???武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 11 濾波電路 濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同來實(shí)現(xiàn)濾波。電容 C 對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以 C 應(yīng)該并聯(lián)在載波兩端。在整流器的輸出端并聯(lián)一個(gè)容量很大的濾波電容 C。 圖 電容濾波電路 其工作原理為：當(dāng)接入交流電源后，當(dāng)電壓為正半周期時(shí)，電壓通過 13，24 向電容 C 充電；當(dāng)電壓為負(fù)半周期時(shí)，電壓通過 23， 14 向電容 C充電。 充電常數(shù)為： 可調(diào)輸出電壓三端集成穩(wěn)壓電路及分析 由可調(diào)輸出電壓三端集成穩(wěn)壓器 CW317 組成的穩(wěn)壓電路如圖所示。 圖 可調(diào)輸出電壓三端集成穩(wěn)壓電路 CRc int??武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 12 直流穩(wěn)壓源的輸出可以通過調(diào)節(jié) R2的大小來實(shí)現(xiàn)，通過仿真可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在 0～ 36V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以，滿足設(shè)計(jì)要求中供電部分輸入 36V 以下的直流電壓的要求。 高頻振蕩器設(shè)計(jì) 原理說明 晶振是晶體振蕩器的簡稱。它用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共 振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶 振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電 壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（ VCO）。 晶振在數(shù)字電路的基本作用是根據(jù)電路設(shè)計(jì)，在某個(gè)時(shí)刻專門完成特定的任務(wù)，如果沒有一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，整個(gè)數(shù)字電路就會(huì)成為“聾子”，不知道什么時(shí)刻該做什么事情了。 晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 晶振，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低 的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致 使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感， 晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無源晶振兩個(gè)大類。 電路設(shè)計(jì) 利用非門與晶振設(shè)計(jì)如下電路圖。 前一個(gè)邏輯門用來產(chǎn)生震蕩，后一個(gè)用來產(chǎn)生方波，電阻的作用是：使得反相器工作于線性放大區(qū)，負(fù)載電容的作用是使武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 13 得晶振的震蕩更加穩(wěn)定。電路的輸出頻率只與晶振頻率有關(guān)，與 R、 C 的數(shù)值無關(guān)。 圖 晶體震蕩電路 高頻功率放大器設(shè)計(jì) 原理說明 高頻功率放大器用于發(fā)射級(jí)的末