【正文】 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。 日本東京大學(xué)的教授們?cè)O(shè)計(jì)了一種塑料薄膜電源，很有創(chuàng)意，用途也十分廣泛。 最早使用電磁感應(yīng)原理傳輸能量的是電動(dòng)牙刷。 磁耦合方案的實(shí)例 應(yīng)用于無線供電或充電的裝置而言，其初級(jí)線圈與次級(jí)線圈處于兩個(gè)分離的各自部件中，因而線圈間的耦合是比較松散的。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(cè)達(dá)到諧振 時(shí)會(huì)產(chǎn)生高 頻的電磁輻射，利用合理設(shè)計(jì)的（能量接收 線圈 ）產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在經(jīng)過整流濾波之后向負(fù)載傳送穩(wěn)定的電能，還可以加載單片機(jī)控制單元得到穩(wěn)定的電流電壓， 整個(gè)非接觸式電源的基本結(jié)構(gòu)如圖 25所示。為了提高整個(gè)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(gè)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(dá)到縮小電源體積提高電能傳輸效率的目的。 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(fù)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(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)電能的非接觸式傳遞，而這一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是通過高頻電流向空間輻射電磁波 的形式來實(shí)現(xiàn)的，這就要求在耦 合變壓器中 其原邊（一級(jí)）線圈與副邊（二級(jí)）線圈之間相隔有一段較長(zhǎng)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。 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(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電能的非接觸式傳輸。 與此同時(shí)，非接觸式的電能傳輸技術(shù)迅速成為電氣自動(dòng)化領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，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。即變壓器耦合 無線供電。當(dāng)初級(jí)線圈兩端加上一個(gè)交變電壓時(shí)，磁芯中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電 路傳輸至輸出電路。 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。長(zhǎng)時(shí)間飛行的秘密就在于地面上有一個(gè)大型微波發(fā)射器，機(jī)身上也有一個(gè)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。 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(jī)照片 利用這一能量，這架小飛機(jī)能夠以 21公里海拔的高度，在 2公里的范圍內(nèi)飛行。 微波供電應(yīng)用實(shí)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。因此也以采用低頻居多。 其中 除了天線孔徑及對(duì)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。 (5)現(xiàn)有可用元件的先進(jìn)性 。 (3)與部件效率直接相關(guān)的散熱問題 。 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 。因此，目前已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的最大總效率為 54%，如果能將各個(gè)部分的傳輸效率更好地匹配，總傳輸效率將有可能達(dá)到 76%。但是微波供能方式將主要的功率源置于地面，在太空中只留有 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(gè)缺點(diǎn) 。在太空中，唯一的主要能源是太陽能。 (6)能量傳輸不受地球引力差的影響 。 (4)在真空中傳遞能量無損耗 。 (2)以光速傳輸能量 。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)。該項(xiàng)技術(shù)之所以會(huì)得到多家廠商的青睞，原因在于它獨(dú)特的電磁波接收裝置，能夠根據(jù)不 同的負(fù)載、電場(chǎng)強(qiáng)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。整個(gè)系統(tǒng)基本上包含了兩個(gè)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 )。 (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)。在多徑條件下，便形成多普 勒頻譜擴(kuò)展，對(duì)信號(hào)形成隨機(jī)調(diào)頻的 多普勒效應(yīng)。 (3)多普勒效應(yīng)。 (2)靠近發(fā)射機(jī)的情況移動(dòng)臺(tái)靠近發(fā)射機(jī)的情況下，快衰落信號(hào)包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性，是指含有一個(gè)直射波的 N個(gè)路徑傳播接收信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性?？焖ヂ涞慕y(tǒng)計(jì)特性 : (l)遠(yuǎn)離 發(fā)射機(jī)的情況移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)情況下，快衰落信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)，是指在無直射波的 N個(gè)路徑傳播時(shí)接收信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。 。 。當(dāng)接收機(jī)處于不同位置，具有不同的傳播特性。因此，在室內(nèi)無線設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)使第一 Fresnel 區(qū)域內(nèi)的障礙物盡可能少，以保障信號(hào)有效傳輸。即使只有幾分之一波長(zhǎng) 之差，也可能會(huì)引起信號(hào)改變 3OdB 左右。 當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間沒有可直達(dá)射線時(shí)，接收信號(hào)是上述信號(hào)的組合。由于大氣的折射系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，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(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。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。 反射是當(dāng)無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。散射是很難預(yù)測(cè)的。 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。繞射是由二次小波傳到陰影區(qū)域而產(chǎn)生的。當(dāng)視線條件不滿足時(shí)(NLOs)，繞射機(jī)制也允許無線電信號(hào)的接收。繞射是當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之問的無線路徑被具有尖利邊緣的礙障物阻擋時(shí)發(fā)生的。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。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)。對(duì)無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)。 電磁波方案 無線電傳播機(jī)制 電磁波，俗稱無線電波，是人們非常熟悉的一個(gè)概念。特別是近年來，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，以及傳感器無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與 MEMS 器件的發(fā) 展，推動(dòng)了無線供電與無線網(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。 2． 多媒體產(chǎn)品：數(shù)碼相機(jī)， MP3，機(jī)頂盒，筆記本電腦等。比如無線充電器，只需 將手機(jī)、 PDA等移動(dòng)設(shè)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。 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(dá)到能量傳輸?shù)哪康?。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。 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。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。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。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。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)。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(yīng)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。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。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。 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。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(guān)鍵器件 —— 快回旋電子束波微波整流器。在他看來，未來微波電子學(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)換器是無線輸電最緊迫 的問題。 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，無線輸電理論和實(shí)驗(yàn)研究拉開了序幕。 1998 年 印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 82%。由于無線通信頻率的擴(kuò)展，為了避免對(duì) 頻段通信潛在的干擾，美國宇航局傾向把 的頻率用于無線輸電。 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%。 美國在宇航局的支持下， 1975 年開始了無線輸電地面實(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 的微波無線輸送 ，微波一直流的轉(zhuǎn)換效率為 83%。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%。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。經(jīng)過多年的精心研究，他演示的直流直流的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 54%。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。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。30 年 代初期美國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 。這就是最初的無線輸電實(shí)驗(yàn)室演示，從那時(shí)起無線輸電的概念問世了。具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無線充電技術(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。人們需要隨時(shí)隨地 使用方便的充電裝置。一方面，單純以增大電池體積來增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間，會(huì)帶來手機(jī)便攜性下降的負(fù)面結(jié)果。待機(jī)時(shí)間的需求原來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。伴隨著 3G 手機(jī)和智能手機(jī)的推廣和手機(jī)屏幕越來 越大的同時(shí)，手機(jī)功能也越來越強(qiáng)大，與此同時(shí)也導(dǎo)致手機(jī)的耗電量迅速攀升。最后就本論文涉及的核心內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，旨在說明本課題研究的成果、價(jià)值 以及 意義。其 內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè) 方面：概述了無線充電技術(shù)原理及無線充電技術(shù)的發(fā)展情況，針對(duì)影響無線充電系 統(tǒng)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，特別突出了能量發(fā)射模塊和電源管理模塊 的設(shè)計(jì)特點(diǎn) ,通過不斷的測(cè)試和論證， 為提高 整套系統(tǒng)的傳輸 效率 和充電效率提出了幾種解決方案。而具有統(tǒng) 一標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器具有如下優(yōu)勢(shì)：方便、多機(jī)共用、換機(jī)不換充電器，這些優(yōu)勢(shì)可以有效地解決上述問題。這種方式 既 浪費(fèi)資源、增加產(chǎn)品的成本， 且 不利于環(huán)保 的要求。摘 要 I 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種不同功能的便攜式電子產(chǎn)品充斥著當(dāng)今社會(huì)，如手機(jī)、 PDA、數(shù)碼播放器和相機(jī)、筆記本電腦等。在實(shí)際運(yùn)用這些設(shè)備中，每個(gè)產(chǎn)品都對(duì)應(yīng)一個(gè)與之匹配的充電器。其問題的關(guān)鍵所在就是充電器不具備通用性，更為重要的是，絕大部分電子產(chǎn)品都是傳統(tǒng)的有線充電模式，對(duì)使用者來說充電比較麻煩。 基于此，本論文在無線充電方面做了一些研究。通過針對(duì)該設(shè)計(jì)存在的不 足，對(duì)未來的無線充電技術(shù)進(jìn)行展望。 關(guān)鍵字 ： 無線傳能 ， 無線充電 ， 電磁感應(yīng) ABSTRACT ABSTRACT II ABSTRACT With the development of science and technology, a variety of portable electronic products bee more and more popular, such as mobile phones, PDA, digital cameras and players, PC and so on. In reality, each electronic product has a matched charger. However, it will not only increase the cost of products and waste resource, but also be harmful to the environment. What’s more, as all those chargers are not universal, it causes troubles to the users. Moreover, the majority of electronic chargers are wired, so charger is relatively inconvenient for the users. The wireless charger with a unified standard has the following advantages: convenience, shared charg