毕业设计（论文）-中短距离小功率无线电力传输系统设计.doc

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1、本科毕业论文（设计）题 目 中短距离小功率 无线电力传输系统设计 指导教师 职称 讲师 学生姓名 学号 专 业 通信工程（无线移动通信方向） 班 级 院 （系） 电子信息工程学院 完成时间 II 中短距离小功率无线电力传输系统设计摘 要移动互联网的井喷式繁荣，移动互联设备（MID）层出不穷的涌现，电池技术瓶颈的限制已难以满足人们的用电需求；物联网的深入发展，越来越广泛的网络节点能量供给等都要求更为先进的无线能量传输技术的发展，尤其是中短距离中小功率的无线电能传输的发展。两者共同昭示着无线电能传输光明的未来。本文对无线电能传输（WPT）做出了简要但系统的介绍，并对其中的微波输能技术(MPT)做出

2、了深入的探讨，在此基础上建立起了中短距离中小功率无线电力传输系统模型，即为MPT-MDSP式系统的模型。这种系统是由发射和接收两部分组成，发射部分用声表面波射频发生电路将DC转变成RF并通过特制天线辐射出去，接收部分再通过接收天线接收RF能量，用整流电路将RF转变成DC，供应用电设备。关键词 无线电能传输（WPT)/微波输能 (MPT) /天线 MIDDLE DISTANCE & SMALL POWER WIRELESS POWER TRANSPOTAION SYSTEMABSTRACTThe Wireless Power Transportation (WPT) shows a outsta

3、nding necessity in our todays daily life .For one thing The Mobile Internet device (MID) comes out one after another because of The prosperity of Mobile Internet.The limitations of the technology bottleneck in battery capacity can not fit peoples requirement in these devises .For another the booming

4、 of Internet of Things brings large quantity of net nodes .These nodes cannot be charged easily.However,WPT will be the best way to solve this problem.Especially,the Middle Distance & Small Power Wireless Power Transportation System(WPT-MDSP) will plays a great role in these scopes.In this paper ,I

5、made a brief but clear introduction of the WPT,and a thorough discussion in Microwave Power Transportation (MPT) ,which was used to leed to the applied system WPT-MDSP .This system contains two parts,the eradiation part and the Receive part .The first part works for changing Direct-current（DC） into

6、Radiofrequency （RF）,the other does the converse work.Both of them are designed for exclusive use. They works together to charge the Electrical equipment.Key words Wireless Power Transportation (WPT)/ Microwave Power Transportation (MPT)/AntennaIII目 录 摘 要IABSTRACTII1 无线能量传输概述11.1 研究背景及意义11.2 研究历程及现状2

7、1.3 无线输能的方式及比较31.4 本文的主要内容及行文结构42 中短距离小功率无线电力传输系统简述52.1 WPT-MDSP系统定义52.2 MDSP系统发展状况52.3 MPT-MDSP系统的技术构成62.3.1 MPT系统组成和关键技术62.3.2 MPT-MDSP系统的技术构成73系统的发射系统设计73.1微波源前端电路设计73.2微波功率发射源设计83.3发射天线设计103.3.1天线的主要技术指标103.3.2 433M八木定向天线设计134系统的接收系统设计144.1接收天线设计144.2负载匹配205能量传输效率分析205.1 WPT-MDSP系统的能量传输效率研究方法205

8、.2一种系统效率的分部研究法216系统的优化升级方案构思236.1系统体积的缩小236.2系统能量传递效率的提升246.3系统的智能化改进及安全性24致 谢. .26参考文献. .271 无线能量传输概述1.1 研究背景及意义 21世纪是信息、通信技术飞速发展的时代。移动互联技术如井喷式的发展：人与人之间的通信日臻完美；人与物，物与物之间的通信方兴未艾。一方面，已经发展起来的移动互联网已经很大程度上的优化着我们的美好生活，让我们随时随地，每时每刻都能与我们的亲朋好友进行着文字、图片、语音、视频各种交流，手指轻轻一滑，我们的欢声笑语便能传遍整个世界。另一方面，物联网似乎蕴含着更大的能量：我们所在

9、意的植物能是会说话的，比如农场里的作物温度，湿度，CO2浓度等，都能通过无线传感网告诉我们。同样，我们所在意的动物，食物，建筑物，交通工具等等，都能通过无线传感网告诉我们他们的状态、“心情”。前者的背后稍加抽象的思维我们便会发现这种大发展大繁荣主要源于两种革命式的变化：一是信号的无线化：从传统的有线电话，到现在的3G/WIFI/4G等的发展。二是，手持终端的无线化：从有线电话，到“大哥大”再到现在的手机甚至“平板手机”。现今人们的需求催生了高性能大屏幕的智能平板手机，但电池技术的瓶颈让我们不得不忍受电池电量不足的痛楚：如果我们能看惯一堆扯来扯去的电线，能适应一天至少冲一次电，那么出差的时候关机

10、或者拿个备用机似乎也变得不可避免。能量能不能无线化传输呢？后者的大发展当然也要一定程度的解决无限能量传递的问题，无线节点寿命如果只取决于电池的寿命的话，无线传感网的发展阻力将大大增加。物联网的发展大势所趋，无线节点的供电势必会推动无限能量传输的发展。当然，能量可以实现无线传输。而且无线能量传输已经开始了较为广阔的应用，尽管我们并不常听闻。我国随着经济的快速发展，能源战略问题也日益突出。中国科学院在名为中国未来能源战略咨询报告中建议太阳能经济实惠，是解决中国乃至世界能源危机的最佳方式。早在20世纪50年代，美国等西方国家就开始了利用太阳能卫星将太空的太阳能转换成微波传输到地面，再转换成电能的无线

11、输能研究。在军事上，如高空永久飞行通信平台，微型侦察机等卫星武器，还如条件恶劣地区的电力传输，以及电动汽车的供能等众多应用。所以，无线能量传输技术是一种潜在新兴的并且将会大有可为的技术。“他被美国技术评论评为未来十大科研方向之一”2。1.2 研究历程及现状事实上无线能量传输有着年轻而又悠久的历史。年轻是因为他并没有成熟被大规模应用而为世人所熟知。但，他却有百年的历史！在这里不得不提这位“被遗忘的天才”尼古拉斯特斯拉( NikolaTesla)。1890年，他做了无线电能传输的实验，利用地球看作似一个巨型的内导体，再利用环绕在地球表面的电磁波进行大规模无线能量传输。2历史上的通古斯大爆炸，传说便

12、是他用这种方式产生的巨大能量。后来，因财力不足而实验失败，他的实验资料都被美国中情局尘封，而不为世人流传。此后关于无线能量传输的研究便中断了。近代，直到20世纪60年代，无线电能传输才再次新兴起来。3 1964年William CBrown研发出了将微波能转变成电能的硅整流二极管天线。1967年美国雷声公司和美国空军合作共同进行了世界上第一次电力微波实验，实验成功用微波向直升飞机提供足够的电力。1968年美国提出了上文所说的空间太阳能发电（SSP）的概念。1979年美国NASA 和美国能源部共同提出了有重大意义的空间太阳能计划，并建立了SPS太阳能卫星基准系统。1994年科研工作者用微波将4K

13、W的能量传输了42米之遥。1995年美国NASA建立起了250MW的（SPS）空间太阳能动力系统。2001年5月，法国G Pignolet 用磁控管方式的微波发射源点亮了40米外的200W电灯泡。2003年欧盟在留尼旺岛建立了一个2.45G频段的微波电能传输装置，为1Km外的格朗巴桑村进行了电能供应。2最近几年，世界和国内无线电能传输的发展如火如荼。尤其是在2007 年 6 月，美国麻省理工学院（MIT）在该领域有了巨大突破，利用磁共振无线输电技术（ERPT），研制出的无线电能供应装置成功点亮相距大约 2.1m远的60W 电灯泡后4，我国的研究机构都给于了深刻的重视。在国外比如Power ca

14、st ，英特尔，微软，摩托罗拉，苹果等公司都有很深入的研究。在国内青岛海尔集团，香港城市大学，华南理工，东南大学，上海大学，哈工大等院校也开始了一定深度的研究。2010年8月国际成立了无线充电联盟，并发布了QI无线充电标准，为大规模的商用拉开了帷幕。据估计2020年，无线电力传输的产业规模将达到500-1000亿。21.3 无线输能的方式及比较无线能量传输（WPT）经过百年的研究发展，大致形成了四种主要的方法。电磁感应的方式（ICPT），微波输能的方式(MPT)，磁耦合共振的方式(ERPT)，空间太阳能的方式(SPT)。 图1-1 无线输能技术方式ICPT(Inductively Coupled Power Transportation)电磁感应式无线电能传输，是一种古老的无线电能传输方式，追溯起来，早在特斯拉发明了变压器的时候就已经实现了。是以磁场为媒介，利用变压器耦合，通过初级线圈和次级线圈耦合产生感应电流，电能可以穿过非金属材料传输，从而实现无电气连接的能量传输。这种传输方式已经用到了我们生活中，除了变压器，还有电动牙刷，以及最近QI的无线充电标准，在