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 Couple

15、d 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，在电动汽车充电中的应用以及Lumia920、Nexus4等最新的几款手机中的应用。这种传输功率大，效率高但是传输距离很近，一般不超过10cm。MPT(Microwave Power Transportation)微波输能技术，最早

16、是由赫兹（1857-1894）提出的，他论证了电磁波可以在高压电弧产生经只有空间传播后能在接收设备商检测到的理论1， 而后一直到1964年威廉姆布朗（William CBrown）研发出了硅整流二极管天线后能将微波能转变成电能，将直流电能转化成了400W左右的微波能，传输了7.4米，在接收端被接收到了104W直流电能。3SPS（Solar Power Satellite）的发展也是MPT发展很重要的一部分。上世纪70年代，美国、日本进行了大规模深入研究，以应对出现的能源危机，如上文所述。它是把直流电能转化成微波通过天线传输出去，然后经过整流天线，将微波能转变成直流能量的技术。在中国，1994年

17、，由林为干首先引进微波输能的概念，3而后的研究也不很系统，主要分布在整流天线的方向上研究。但从国内外多年的研究来讲，是一种相对较成熟的技术了。它可以进行中远程距离的能量传输，而且传输功率也可以有很大的范围，但是效率不很高，微波的危害还没有研究清楚，对人体和坏境的破坏还有待于深入研究。ERPT（Electro-magnetic Resonant Power Transportation）磁耦合共振能量传输技术，他是一种新技术，2007年美国MIT教授马林 尔贾希克，做的两个共振线圈隔空输能将一个60W的灯泡在2米左右的距离内点亮的实验，然后将成果发表在了科学上开始的。MIT的学者认为，相同谐振频

18、率的物体构成耦合共振系统可以很高效率的传递能量，而对周围非同频率谐振的物体影响甚小。4 但也有人说是特斯拉实验的一种改进。即便如斯，这种技术100多年来也鲜有研究。一经发表，便在世界范围内产生了巨大的影响。日本东京大学，美国匹兹堡大学，华盛顿大学，英国哥伦比亚大学，中国香港理工，哈工大，东南，华工，浙大等院校都积极的开展研究。丰田的电动汽车充电系统，海尔的无尾电视，英特尔的“无限共振能量连接”都是基于这种技术的应用，一时占据着无线能量传输的最高位而风光无限好。当然，传输距离，线圈大小，谐振频率的控制等也有诸多待解决的问题。SPT（Solar Power Transportation ）太阳能能

19、量传输，当然，空间太阳能的传输可以利用MPT的SPS方式，也可以利用太阳能电池板的光电效应来实现能量的传递和转化。前一种方式归并到MPT，不再累述。后一种方式，太阳能受天气影响的不可靠性等原因使研究不多，这里也不深入。 表1 WPT技术的四种方式比较技术/项目传输距离传输功率效率优点缺点ICPT近/分米级大/千瓦高功大效率高距离短MPT可近可远可大可小低距离远灵活效率低ERPT中/米级中/瓦高没有辐射距离短SPT远/千米级大/兆瓦中清洁新能源应用范围 1.4 本文的主要内容及行文结构本文题目为中短距离小功率无线电力传输系统设计，主要内容是基于MPT方式的中短距离中小功率的无线电能传输,是针对于

20、家用电器以及无线互联设备，比如平板电脑、手机等设备供电而进行的前期研究。主要包括，微波功率发生器，微波源前端电路设计，发射天线设计，接收天线设计，整流滤波电路设计。全文分为6章。第1部分，主要讲无线能量传输的一些基础知识。从整体上形成一个体系和清晰的概念。第2部分中短距离小功率无线电力传输系统概述，主要是对基于MPT技术的我所设计的“二中”系统有一个清晰的定位和认识。以及在该系统中的关键技术。 第3部分发射系统的设计。包括微波发射源的设计，功率发射源控制电路的设计，发射天线的设计。是全文的重点章节。 第4部分接收系统的设计。包括接收天线的设计，整流滤波电路的设计，以及负载的匹配。第5部分能量传

21、输效率分析。第6部分系统的优化升级方案。最后还有本文的总结和展望。力求文章脉络清晰，研究资料翔实，研究方法可靠，语言通俗易懂2 中短距离小功率无线电力传输系统简述2.1 WPT-MDSP系统定义 中短距离小功率无线电力传输系统（WPT-MDSPS）是无线电力传输在中、短距离，中、小功率电子设备方面的应用。如在家用电器上的应用，在移动设备上的应用。本文所述系统试图针对手机、平板等移动互联设备的电能无线补偿。2.2 MDSP系统发展状况 从特斯拉建造了艾弗里铁塔，或者是发明出了交流发电机开始起，无线电能传输便拉开了序幕。如前所述，无线电能传输系统大都在空间域大功率能量传输的发展。但近几年，随着移动

22、互联网爆炸式发展，移动互联设备如雨后春笋般的涌现。其本身的移动性，和对电池电量不断提升的要求，迫切的催生着无线电能传输在中短距离小功率方面的应用。2007年马林 尔贾希克，做的两个共振线圈隔空输能将一个60W的灯泡在2米左右的距离内点亮的实验后，磁耦合共振技术(ERPT)在无线能量传输上的应用如火如荼。尤其是在MDSP系统上的应用，迅速成为WPT技术中的新秀和宠儿。Intel、Apple、及国内的Haier等公司都开始了合作研究并推出了产品。马林 尔贾希克和他的伙伴也成立了一家Witricity 的风投公司，推动者这项技术的商用。2012年12月3日各大网站纷纷报道了“苹果公司最新公布的隔空充

23、电年专利”5，一时众说纷纭，推测苹果会将项技术用于新一代的iphone上。其实这也不足为奇，2012年三星推出的Galaxy S和Note系列旗舰手机，诺基亚最新旗舰机Lumia920,谷歌Nexus4等最新一代的机皇大都配备有无线充电功能。而他们用的是Qi标准的电磁感应（ICPT）技术。“2010年无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）于8月31日上午在北京钓鱼台国宾馆发布Qi无线充电国际标准”6，标志着该技术的成熟和商用。 更早，在马林 尔贾希克得意的领着美国天才奖的时候，另外一家Powercast的公司已推出了一款似乎更为便捷的无线能量传输装置7，他用

24、射频能量为周围1米左右的小功率用电器提供能量。而这家公司的产品技术和本文有着几乎相同的思路，但我不得不声明这是我知道这家公司之后才知道的。2.3 MPT-MDSP系统的技术构成本文是基于MPT式的中小功率中短距离无线电力传输。 图2-1微波输能技术原理图2.3.1 MPT系统组成和关键技术 MPT系统涉及微波的多个研究领域，包括微波功率发生器、波束控制、接收天线、整流天线组阵技术、空间功结合”3。MPT系统由三部分组成，第一部分：微波功率发生器，将直流DC变成微波能量RF。第二部分：发射和传播部分，将微波能量传播出去。第三部分：微波接收和整流部分，将接收到的微波能量RF，整流成直流DC。 图2

25、-2MPT系统组成框图2.3.2 MPT-MDSP系统的技术构成MPT-MDSP是MPT技术在特定方向的应用。本文就这种应用对MDSP系统作如下设计：1、微波功率源：用433M声表面波晶振和功率放大电路发射出10W左右的433MHZ的微波能量。2、发射天线：增益为12DB，阻抗为50欧姆的430MHZ八木定向天线。3、接收天线：增益为20DB，阻抗为50欧姆的430MHZ的立体正方形天线。4、整流电路：将接收天线的微波能量滤波，全波整流桥整流，稳压管稳压，得到电压3V左右的直流能量。5、负载匹配：负载为LED红色灯珠，工作电压2.73.3V，功率1W。3系统的发射系统设计图3-1 发射系统框图

26、3.1微波源前端电路设计 微波源的前端电路是一种将市电转换成低压稳定的直流电的电路。通信设备和多媒体设备的发展，这种技术已经十分成熟。各种品牌的手机充电器都是起到这样的作用。下面是全波整流型超力通CLT760A 手机充电器电路，可以用作微波发射源的前端电路。其电路图3-2如下： 图3-2微波发射源的前端电路 它的工作原理是： 先将220V市电经过D1、D2、D3、D4 桥式整流，输出200V 左右的直流电，再经变压器（T）初级线圈（L1）加到Q1的集电极，同时，另一路经启动电阻R2为Q1的基极提供一个偏置电压，使Q1 导通。 这种充电器稍加改善便可作为MDSP系统微波发射源的前端电路，将输出额

27、定电压设置为12V，输出额定电流为1 A.输出功率为10W左右。3.2微波功率发射源设计 在MPT系统中微波源通常用价格便宜，效率较高的磁控管。9而在MDSP系统中，由于是中小功率，磁控管的功率太大，由安全性和实用性等方面考虑，选择了大功率射频功率放大电路。该微波功率源，采用433MHZ的声表面波（SAW）谐振器，然后经功率放大器，产生功率433MHZ,10W左右的微波能量。其电路图3-3如下： 图3-3 SAW谐振器型振荡电路原理图 该电路为共基极电路, 其起振条件为: （1） 上式中, Pce为晶体管TR1 的集电极回路接入系数, RP 为输出回路的谐振阻抗, hf e为晶体管TR1的电流

28、放大倍数, hie为晶体管TR1的输入电阻。”10 对于SAW谐振式振荡器, 双边带相位噪声/ 载波比可以近似的表示为： （2） 然后，选择功放管，设计两级功率放大电路，以及合适的电阻，电感，电容，选频网络。在电路输出端发射出10W左右433MHZ微波能。3.3发射天线设计3.3.1天线的主要技术指标 由绪论中几种无线电能传输技术的比较可知，MPT方式其效率是较低的，而其提升效率的关键就在天线技术的提升，所以天线技术在该系统中处于十分重要的地位。天线的馈电点阻抗： 天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。它具有电阻分量Rin和电抗分量X in.即: Zin=Rin + j X i

29、n (3)天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线阻抗计算或者说匹配问题，是一项很复杂的问题，甚至是个课题，有一系列计算方法，在这里就不详细论述了，只用“经典等效传输线法”11为例介绍其计算方法：等效传输线法是将长度为2L，半径为a的圆柱导体的对称振子等效长度为L，特性阻抗为Zc，传播常数为v的有损耗均匀开路线，如图4所示。根据传输线理论，输入阻抗的计算公式如下： （4）式中传播常数： （5）相位常数为： （6）衰减常数为： （7）其中： （8） （9） （10代入上述公式，根据传输线理论可近似得出天线的

30、输入阻抗为： （11天线的方向和增益：天线从方向上可分为全向天线和定向天线，全向天线就是每个方向都有辐射，辐射呈球形，每一维方向它的能量密度都相同。而定向天线，是只朝着指定的方向辐射，其不同方向的辐射强度不同。它的方向可由方向图5画出。 图3-5 天线方向图 天线的增益是指在输入相同功率的条件下，实际的天线与理想中的辐射单元在空间中相同一点处的信号其功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度12。天线增益与天线方向图有密不可分的关系，天线方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线增益越高。天线增益其实就是用来衡量一个天线朝某个特定方向接收和发射信号的能力。天线的增益可由公式计算： G=10

31、Lg(P2/P1) (12)其中P2,是定向天线在该点处的功率密度，P1是全向天线在改点处的密度。天线的极化方式：天线的极化是由天线辐射最大的方向的电磁波中磁场方向定义的12。分为水平极化，垂直极化，椭圆极化，双极化等。一对收发天线其单极化方式要相同。3.3.2 433M八木定向天线设计 “八木宇田天线”，简称“八木天线”。”13具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。得到了广泛的应用。它的设计可由八木天线计算软件完成，输入频率为天线频率433MHZ；选用12单元高增益定向天线，单元铜管直径选6.4mm；左边一行数据是单元振子长度，右边一行数据为振子间距。其长度单位点击转换公制后为厘

32、米。其操作方法和个部分的作用如下图6所示： 图3-6 操作方法和部分作用振子的长度，以及各振子见距通过计算数据如下图7所示： 图3-7 振子长度4系统的接收系统设计 图4-0接收系统设计框图4.1接收天线设计 系统的接收天线可以设计成“430MHZ立体正方形天线”14。立体正方形天线是环形系列的天线，因其频率为433MHZ故其波长短，天线也容易制作。以下是该种天线的制作方法：如图4-1所示：在正方形的环状天线上加上反射器，成为立体的定向阵列天线。 图4-1在环状天线上加上反射器 图4-2是433MHZ带宽天线整体直观图： 图4-2 天线直观图 如表二所示：是制作该天线所需原材料，制作的时候稍加

33、注意其精度，以求满足430MHZ左右的频带。 表二：制作该天线所需原材料列表材料参数数量铜棒直径12mm长1m2根塑料管VP-13长30m2根3P接线板接线片2主杆U型夹TV用1同轴电缆50欧姆系列20cm胶带一卷攻牙螺丝3mm*6mm2个 如图4-3所示：在塑料管上用电钻钻孔，用攻牙螺丝固定元件，孔应该稍小一点。孔钻完后安装接线板和主杆U型夹。 图4-3 吊杆加工尺寸照图4-4示，将铜棒用钳子折弯。 图4-4 元件加工尺寸 如图4-5 所示，一面稍稍折弯接线板的端子，一面将元件插入，再焊接。焊锡要充分附着，掌握合适的温度，以焊接牢固。这焊接部分成为其它原件的支点，注意不要包焊或者焊接不牢。

34、图4-5元件的固定方法 这种天线是平衡供电型，故在与不平衡同轴电缆之间安装转换器。 图 4-6陷波转换器的制作法 最后将转换器焊在辐射器的供电部，便安装完成。精心制作，该天线的FB能达到20db。便能用之收机发射端的电磁波，并用馈线传递到整流滤波稳压电路输入端。滤波整流稳压电路设计 滤波整流稳压电路，先是将天线馈线输入的高频电流，经过声表滤波器，将433MHZ的微波滤出，输入下一级整流电路。如图4-7。 图4-7声表面波滤波电路 这是一种专用于高频电子线路整流滤波的特殊电路，通过用大电容和大电感对整流后所得到的直流电信号进行平波，最后得到波形较平滑的直流电。15 如图4-8所示 图4-8 高频

35、整流滤波电路4.2负载匹配 测试输出端的电压、电流，配备合适的负载。本文提供一种负载，即红色LED灯珠，其规格如图：4-9 表三：红色LED灯珠 一些参数光谱参数光电参数峰值波长 447.3nm点亮电流 5.0m3质心波长 499.9nm预热时间 500ms中心波长 437.0nm测试电流 350mA半波宽 22nm正向电感 3.47V色晶坐标（x,v） 0.322,0.340光通量 90898.6nlm色晶坐标 (u,v) 0.199,0.317光效率 74.944n/w显色指数 71.2光功率 280.5080mw 图4-9灯珠实物5能量传输效率分析5.1 WPT-MDSP系统的能量传输效

36、率研究方法 WPT-MDSP系统的能量传输效率可以有多种不同的研究方法。比如研究系统发射频率和效率的关系，绘制出频率效率特性曲线；研究系统发射和接受间的距离和效率之间的关系，绘制出距离效率曲线；研究系统各部分的效率以及构成系统后的整体效率等多种研究方法。5.2一种系统效率的分部研究法如第二章所述MPT-MDSP系统分为三个部分。第一部分：微波功率发生器，将直流DC变成微波能量RF。第二部分：发射和传播部分，将微波能量传播出去。第三部分：微波接收和整流部分，将接收到的微波能量RF，整流成直流DC。各部分及各部分的传递效率如图5-1所示： A第一部分系统效率为1 B 第三部分系统效率为3 图5-1

37、 各部分的传输效率第一部分系统效率为1，它主要有微波源电路决定的，在MPT系统中通常用磁控管，DC-RF的转化效率能达到75%。本文如前所述，用声表面波功率放大器，实验表明其效率在46%左右。第二部分系统效率为2，微波在大气中传递具有很强的穿透性，基本上是无损耗的，Degenford 等人在反射波束导波系统的实验表明，传递效率2与D、A1、A2、和有关。 （5.1）如果发射天线口径分布为高斯型，=2.4，=4mm。此时2=99.63%。第三部分系统的效率为3，它分为两个组成部分，一是接收天线的效率4，另一是整流效率5。 图 5-2 4有赖于天线的优化设计，若整流天线负载为RL，负载得到的电压为

38、VD，则整流天线效率为： （5.2） （5.3） 5由整流晶体二极管的参数，阻抗匹配，直流负载等因素决定的。 （5.4） 则第三部分系统效率： 3=45 （5.5）整个系统的能量即是DC-RF-DC的能量转化传递过程，故系统的能量传递效率为： =123 （5.6） 在本文中WPT-MDSP系统整体的传递效率DC-RF-DC-负载，整体上能量传递效率为12%。6系统的优化升级方案构思6.1系统体积的缩小 如文章三、四章所述，无论是发射天线还是接收天线都是有些庞大的，而在无线移动设备上，尤其是接收端，系统的大小是至关重要的。 在研究该系统时发现有一种整流天线，体积很小，贴片式的，能够做到微波的接收

39、滤波整流的功能。 如电子科技大学王鲁豫等设计的微波整流器16，如下图6-1所示： 图 6-1 微波整流器 中国科学院电工研究所 孔力、邓红雷等设计的一种接收整流天线17。如图6-2所示： 图 6-2 一种整流天线 上海大学杨雪霞等设计的高效圆极化整流天线18。如图6-3所示： 图 6-3 整流天线 如果上述技术能够应用到WPT-MDSP系统中来，接收端的体积可以大大减小，可以设计出比较理想的接收系统。由于笔者能力的限制，关于整流天线的设计还在学习之中，所以本文所述的系统还只用了传统的天线和整流电路。6.2系统能量传递效率的提升 MPT系统一个突出的缺点就是整体的能量传输效率不高，本文所述MPT

40、-MDSP也有同样的问题。前文实验数据表明该系统的能量传输效率只有12%，而这个数据与节能减排，低碳经济的能源战略思想是有出入的，这也同样是该系统一个至关重要的问题。 系统能量传输效率的提升可以从系统的发射部分，系统的接收部分以及整个系统的匹配三部分入手。发射部分，一方面提高DC-RF的转化效率，可以从优化射频电路和改变微波发射源的角度改进；另一方面，发射天线的优化，在兼顾安全的基础上尽量提高能量密度，或者改用“天线阵”19的技术。接收部分，一方面提高接收天线的增益21，另一方面提高整流电路的整流效率。整个系统效率的提升还可以改进天线之间的匹配，天线与负载的阻抗匹配等方面。6.3系统的智能化改进及安全性系统的智能化改进，主要是对不同接收设备的智能识别，不同设备不同输出功率的智能控制，接收设备的位置定位，发射天线的跟踪等几方面的改进。同时，微波对自然界的污染以及对人类自己的伤害越来越引起了