一种简易型小功率无线电能传输系统的研究与设计

Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2018, 7(4), 126-133

Published Online December 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/529417215.html,/journal/ojcs

https://https://www.360docs.net/doc/529417215.html,/10.12677/ojcs.2018.74016

Study and Design of a Low Power Wireless

Power Transfer System

Jian He, Xiaoqing Ou, Yu Wang, Wei Peng, Minsheng Yang*

School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Arts and Sciences, Changde Hunan

Received: Nov. 26th, 2018; accepted: Dec. 10th, 2018; published: Dec. 17th, 2018

Abstract

A wireless power charging system is proposed in this paper. Based on the theory of electromag-

netism induction, the power transfers from source coil to load coil without metallic contact. The designed system includes the following components: Voltage transformation, rectifier filter, vol-tage stabilization, PWM, transmission and reception. The designed device could be moved without limit and the design of the circuit is relatively simple and very easy to achieve. As the experimental results show, with an air gap of centimeter level, the transfer efficiency is up to 70%.

Keywords

Wireless Charging, Electromagnetic Induction, Transmission Efficiency

一种简易型小功率无线电能

传输系统的研究与设计

何建，欧晓晴，王宇，彭伟，杨民生*

湖南文理学院电气与信息工程学院，湖南常德

收稿日期：2018年11月26日；录用日期：2018年12月10日；发布日期：2018年12月17日

摘要

本文设计了一种基于电磁感应原理的无线充电系统，电磁感应耦合充电可以实现电能从电能发射侧到电能接收侧的无线传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有六个部分，包括变压、整流滤波、稳压、*通讯作者。

何建等

PWM 、发射和接收。本设计收发线圈可以随意移动，并且设计的电路比较简单，也很容易实现，这种设计比较适用于一些对于距离传输不是要求很高的地方。通过测试，能够在几厘米的范围内进行电能传输并获得比较稳定的电压，传输效率高达70%，具有很好的实用价值。

关键词

无线充电，电磁感应，传输效率

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1. 引言

随着科学技术的不断进步，手机、MP3、平板电脑、笔记本、穿戴手表等大量的小功率电子产品走进我们的生活。这些电子产品基本都是通过连接电源线来获取电能，然而电源线在很长一段时间内频繁的插合[1]，极易损坏，长期以往非常的不安全，而且充电标准不同的电子产品需要不同接口的电源线，在易燃、易爆、高温、潮湿的环境下还容易发生安全事故。在有线充电过程中繁杂的电线不仅影响了设备的灵活性，整体环境也比较难看。对此，国内外专家学者做了大量的研究实验。2006年7月麻省理工研究团队利用电磁共振器和电源隔空点亮了一盏2 m 开外的60 W 的电灯泡[2]。2009年，日本昭和飞机工业公司在AT international 会展上展出了基于电磁感应原理无线传输电力的非接触式电源供应系统。通过国内外的研究我们对于小功率系统也萌生了用无线充电来代替有线充电的想法。同时，本设计致力于采用简单的结构搭建整个系统、减小了体积、降低制造成本、在一定程度上提升了效率。

2. 基本原理

图1所示为无线电能传输系统的等效电路图，图中R 1是一次侧发射线圈的寄生电阻，R 2是二次侧能量接收线圈的寄生电阻，Rs 是电源内阻，R L 是负载等效电阻，L 1是发射线圈自感，L 2是接收线圈自感，C Tx 表示一次侧谐振电容器，其电容大小为C 1，C Rx 表示接收侧谐振电容器，其电容大小为C 2，M 是发射线圈和接收线圈之间互感，I 1是系统向能量发射线圈的输入电流，I 2是能量接收线圈向系统负载的输出电流。

Figure 1. Equivalent circuit diagram of wireless power transmission

图1. 无线电能传输的等效电路图

Open Access

何建等

3. 硬件设计

根据理论分析，系统的总体结构框架如图2所示。

Figure 2. Overall design block diagram 图2. 整体设计框图

通过查阅相关资料及了解各芯片的性能指标和相关技术参数，综合比较，决定使用STM32单片机输出PWM 信号驱动高速MOS 管，电源、MOS 管和LC 线圈组成谐振变换电路，高速MOS 管工作于开关状态，产生的交流电通过谐振变换电路转换为高频交流信号后驱动初级发送线圈，使发送线圈在周围一定距离的空间范围内产生交变的电磁场。当次级接收线圈位于这个电磁场中，发送线圈的磁通量高频变化在接收线圈中产生一定幅值的高频感应电动势[3]。通过全波整流滤波后为了减小输入充电模块的电压的波动，采用12 V 的稳压电路进行稳压。因此，最终确定了小功率无线充电系统的研究与设计，硬件电路模块可分为电源电路模块、单片机最小系统、功率放大电路模块、发射线圈、接收线圈、接收电路模块、充电模块等。

3.1. STM32最小应用系统

Figure 3. Design of minimum system of single chip microcomputer 图3. 单片机最小系统的设计

此系统以STM32F103RCT6

为主控芯片。通过软硬件设计，可达到智能化的控制，此控制器的内部

何建等

存储的字节数为256 K ，它还具有1个SDIO 接口及51个通用I/O 口、30路PWM 波的输出、3路12位模数转换、1路12位数模转换。这款单片机抗干扰能力强，抗静电能力强，成本非常低，功耗小，性价比相对比较高。本设计的单片机最小系统图如图3所示，根据程序设计方案，STM32单片机的PA8口在该系统中是输出高频的方波。程序刚进入时，PA8口便发射100 KHz 的高频方波，在PA15口接一个按键，按键每按下一次频率递增20 KHz 。此最小系统和按键一起构成一个最为简单的人机接口，能够实现发射高频方波的功能。

3.2. 电源电路的设计

由于系统采用12 V 直流供电，因此需要将市电进行转换。要把220 V 的交流电转换为12 V 直流电，本设计采用对市电进行变压、整流、滤波、稳压等操作。如图4所示电源输入电压为220 V 频率为50 Hz 的交流电，利用220:12的变压器将220 V 交流电转换为12 V 交流电[4]，利用桥式整流对输出的12 V 的交流电整流。电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用，整流输出的电压再在电容C1的作用下使电压变得更加平滑。采用3端正稳压电路7812，7812系列集成稳压器的典型应用电路是一个输出正12V 直流电压的稳压电源电路，IC 采用集成稳压器LM7812，C2为输出端滤波电容，此时因输出电压较大，7812应配上散热板。

Figure 4. Power circuit

图4. 电源电路

Figure 5. Transmitting circuit 图5. 发射电路

3.3. 发射电路的设计

发射电路由MOS 管IRF540N 和串联谐振电路组成。如图5所示。IRF540在52℃下的开启上沿时间和关闭下沿时间分别39 ns 和24 ns ，经过换算能承受的最大开关频率的典型值是15.8 MHz [5]。串联谐振电路由两个CBB 电容并联再与线圈串联而成，这样可以将谐振点调整到谐振频率，能起到滤除谐波的作用[6]。

3.4. 接收电路的设计

接收电路就是简单的整流滤波稳压电路，它只需将接收线圈感应到的能量进行转换。因为充电时需要直流电，所以只需在后级加上整流滤波电路即可[7]。如图6所示，线圈入口有一个串联的CBB 电容构成LC 振荡电路，在高频电路当中滤除交流波需要用无极性CBB 电容，经过滤波的高频交流电通过由四只整流二极管组成的桥式整流输出单向脉动性直流电[8]

，再在电解电容的作用下进行滤波，滤波电容降

何建等

低了交流脉动波纹系数，直流输出更加高效平滑，输出的直流电再在12 V稳压二极管1N4742N的作用下输出稳定的12 V电压。

Figure 6. Receiving circuit

图6.接收电路

3.5. 充电电路的设计

此电路模块为降压型DC-DC电源电路，如图7所示，本模块采用降压芯片MP4560，最高输入电压为55 V，固定输出，最大输出电流为2 A，此设计输出电压为5 V，以给手机等5 V电子充电设备充电而设计，设计工作频率高达500 KHZ。一般手机等电子产品的充电电流都不会超过2 A，输入电流的大小由负载而定。

Figure 7. Charging circuit

图7.充电电路

4. 软件设计

在软件设计方面，本系统以STM32F103RCT6单片机作为核心控制器，先查阅收集到的各相关模块的技术手册，了解硬件部分的基本功能及相关的性能指标，然后利用Keil uvision5编译软件来设计系统整体的C语言程序。

4.1. 接口定义

在硬件设计的基础上，对主控制器的引脚对应的功能进行列表说明，接口定义如表1所示。

Table 1. Interface definition

表1.接口定义

序号引脚号引脚名称I/O配置功能备注

1 2 41

PA8

PA15

输出高频方波

控制方波频率

输出

输入

何建等

Figure 8. Program flow chart

图8.程序流程图

4.2. 程序流程图

在整个设计中，单片机主要作用是发射高频方波，只需要连接两个IO接口，一个输出高频方波，另一个接一个按键，由此组成了一个简单的人机接口。单片机主要实现一路IO口输出高达100 KHz以上的方波，此时STM32F103RCT6及周边电路构成方波发生电路。程序流程图如图8所示，STM32单片机的PA8口在该系统中是输出高频方波，程序一开始便在PA8口发射100 KHz的方波，在PA15口接一个按键，按键每按下一次频率递增20 KHz，当频率大于500 KHz时，频率自动回到开始位置，也就是100 KHz。5. 实物制作及实验现象

整个实物的制作包括电源电路模块、单片机最小系统、功率放大电路模块、发射线圈、接收线圈、接收电路模块、充电模块等。其中部分电路需要使用电烙铁进行焊接，收发线圈需要在理论计算的基础上截取一定的长度，并且要考虑线圈绕制的形状及半径大小，绕制完之后还要测量其电感量的大小。5.1. 检测高频方波

检测STM32发射的高频方波。将程序通过FlyMcu下载进单片机，运行程序。实验采用的是Gwinstek 的GDS-1102A-U双通道100 M示波器，将双通道示波器的一个探针接在检测输出的引脚上，记录波形频率、幅值、平均值、占空比等测试数据。

5.2. 实验现象

最初本系统的实物测试负载用的是一个5 W的节能灯。在距离1~2 cm的情况下输出电压大概在20 V，输出电流大概在300 mA。如图9所示，系统能够点亮一个5 W的节能灯，而且亮度还比较大。在接充电模块的基础上，测试给一款三星品牌的手机充电，如图10所示，两线圈相距3厘米左右可以给手机充电。由上面两个实验可见本设计可以实现最基本的无线电能传输功能，也能实现给智能手机无线充电的功能。

5.3. 实验数据

当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时，接收线圈穿过的磁场密度也将变化，所感应出的感

应电动势的大小也会随之改变。以距离步进1 cm的距离为单位，如表2所示，测得不同的输出电压、输

何建等

Figure 9. Lights 5W energy-saving lamps from a distance 图9. 隔空点亮5 W 节能灯

Figure 10. Wireless charging of mobile phones 图10. 给手机无线充电

出电流的大小，且计算出输出功率。很明显，随着距离的逐渐增加，输出功率会在很大程度上的减小。系统的输入功率P IN 和输出功率P OUT 分别为：

in in in P U I = out out out P U I =

则系统传输效率η：

out out

in in

100%U I U I η

Table 2. Different distance measurement data 表2. 不同距离测量数据

线圈距离(cm)

输入功率P(W)

输出电压(V)

输出电流(mA)

输出功率P(W)

效率η 0 9.96 23.5 299 7.05 70.7% 1 9.96 22.7 243 5.51 55.4% 2 9.96 22.4 201 4.48 44.5% 3 9.96 22.1 110 2.43 24.4% 4 9.96 19.5 90 1.75 17.6% 5

9.96

12.75

0.816

8.2%

何建等6. 总结

本文以实现中短距离的无线电能传输为目标，对无线充电系统的基本原理进行深度的分析。设计采用电磁感应式无线电能传输技术，通过深入的理论研究和大量的实验，以实现距离、效率、功率等各项指标最大化为设计目的，在研究其基本原理的基础上，并设计出了一个简易的无线电能传输系统。并且分别对发射端中各个模块具体的功能以及它的设计原理做了详细的阐述。也对接收电路中整流、滤波和稳压也做了详细的说明，通过实验测试对相关功能进行了验证。

项目基金

国家级大学生研究性学习计划支持项目。

参考文献

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[2]鲁川. 共振型无线电力传输装置成功点亮2.1 m外的60W灯泡[J]. 华东电力, 2007(6): 97-97.

[3]胡新福. 基于电磁感应方式的锂离子电池无线充电器的设计与实现[J]. 西昌学院学报(自然科学版), 2014, 28(1):

61-65.

[4]汪都. 高频小功率无线充电技术研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2016.

[5]王红亮, 张天文, 符多铎, 张世界. 无线充电系统的设计与实现[J]. 火力与指挥控制, 2014, 39(11): 183-186.

[6]施建喆. 电磁感应与无线充电[J]. 科技风, 2016(21): 125.

[7]潘力. 一种无线电能传输系统的设计[J]. 大众科技, 2013(3): 84-86.

[8]付文莉. 直流稳压电源整流电路工作原理浅述[J]. 科技创新与应用, 2013(13): 147-148.

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毕业设计(论文)开题报告-无线电能传输装置的硬件设计

本科毕业设计论文开题报告题目：电能无线传输装置的硬件设计作者姓名指导教师专业班级学院信息工程学院提交日期

电能无线传输装置的硬件设计姓名：专业班级： 1 课题研究背景及意义人类社会自第二次工业革命以来，便进入了电气化时代。大至遍布世界各地的高压线、电网，小至各种各样的家用电气设备，传统的电能传输主要通过金属导线点对点，属于直接接触传输。这种传输方式使用电缆线作为媒介，在电能传输的过程中将不可避免的产生一些问题。例如尖端放电、线路老化等因素导致的电火花，不仅会使线路损耗增大，还会大大降低供电的可靠性和安全性[1]，且会缩短设备的寿命。在油田、钻采矿井等场合，用传统的输电方式容易由于摩擦而产生微小电火花，严重时甚至引起爆炸，造成重大的事故。在水下，导线直接接触供电还有电击的危险[2-4]。这一系列的问题都在呼唤着一种摆脱金属电缆的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输（WPT）是一种有效的新型电能传输方法，通过无线电能传输，不需要使用电缆或其他实物就能进行电能的传输，电能可以通过短距离耦合，中等范围的谐振感应和电磁波感应传输，在很难使用传统电缆的地方也可以实现电能传输[5]。实现无线电能传输，将使人类在电能方面的应用更加宽广和灵活。电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代,给大众带来非同凡响的意义和影响根据传输原理的不同。无线电能传输方式按传输原理的不同可分为电磁感应式、电磁共振式以及电磁波辐射式三种。作为无线电能传输的三种主流方式，它们都有各自的优势与不足。一般来说，电磁感应技术比较具有实现性，且已应用于当前各种电子产品，它的优点是能量的传输效率较高，但存在传输距离短，发热大，线圈对准困难等问题；电磁波传输能够实现远距离传输，但是现阶段效率过低，另一方面传输过程中的介质也会对电磁波产生影响；磁耦合谐振无线电能传输中和了上述两种传输方式，具有中中等距离传输和较高效率的特点，因而受到的关注较多。

无线电能传输(课程设计)实验报告

实验报告 1.实验原理与无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实现电能的无线传输是人类多年的一个美好追求。无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）也称之为非接触电能传输技术（ Contactless PowerTransmission, CPT），是一种借于空间无形软介质（如电场、磁场、微波等）实现将电能由电源端传递至用电设备的一种供电模式，该技术是集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应和耦合模理论等多学科交叉的基础研究与应用研究，是能源传输和接入的一次革命性进步。无线电能传输技术解决了传统导线直接接触供电的缺陷，是一种有效、安全、便捷的电能传输方法，因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。该技术不仅在军事、航空航天、油田、矿井、水下作业、工业机器人、电动汽车、无线传感器网络、医疗器械、家用电器、RFID识别等领域具有重要的应用价值，而且对电磁理论的发展亦具有重要科学研究价值和实际意义。在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线能量传输技术被列为“10 项引领未来的科学技术”之一。到目前为止，根据电能传输原理，无线电能传输大致可以分为三类：感应耦合式、微波辐射式、磁耦合谐振式。作为一个新的无线电能传输技术，磁耦合谐振式是基于近场强耦合的概念，基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效的能量交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱。磁耦合谐振式无线电能传输的传输尺度介于前两者之间，因此也被称之为中尺度（mid-range）能量传输技术，其尺度为几倍的接收设备尺寸（可扩展到几米到几十米）。除了较大的传输距离，还存在以下优势：由于利用了强耦合谐振技术，可以实现较高的功率（可达到kW）和效率；系统采用磁场耦合（而非电场，电场会发生危险）和非辐射技术，使其对人体没有伤害；良好的穿透性，不受非金属障碍物的影响。因此该技术已经成为无线电能传输技术新的发展方向。

无线电能传输装置

目录 1系统方案 (2) 1.1系统总体思路 (2) 1.2系统方案论证与选择 (2) 1.2.1 电源模块论证与选择 (2) 1.2.2驱动模块论证与选择 (2) 1.2.3线圈的论证与选择 (2) 1.2.4整流电路的论证与选择 (2) 1.3系统总体方案设计 (3) 2理论分析与计算 (3) 2.1 TL494应用原理 (3) 2.2 IR2110原理 (3) 2.3 无线传输原理 (4) 2.4 计算公式 (4) 3电路设计 (4) 3.1电源模块（图3） (4) 图3 电源模块 (5) 3.2驱动模块（图4） (5) 3.3传输模块（图5） (5) 4测试方案与测试结果 (6) 4.1测试方法与仪器 (6) 4.2测试数据与结果 (6) 4.3数据分析与结论 (7) 参考文献 (8)

无线电能传输装置（F题） 1系统方案 1.1系统总体思路由题我们设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，且用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM脉冲信号，通过驱动电路产生交变电流，对发射线圈进行供电，线圈利用磁耦合谐振式原理，将电能无线传输到接收线圈端，最终在接收线圈端产生电流，达到无线电能的传输的要求。经过几天的测试，制作出了传输效率达38.3%，x的值最大为26 cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置。 1.2系统方案论证与选择 1.2.1 电源模块论证与选择方案一：利用双电源，直接对电路进行供电。方案二：利用单电源，再接入PWM控制器芯片TL494固定频率的脉冲宽度调制电路，能够有效地将直流电转换为高频脉冲。 TL494芯片的功耗低，构成的电路结构简单，调整方便，输出电压脉动小；且IR2110 的电路无需扩展，使电路更加紧凑，工作可靠性高，附加硬件成本也不高，为获取死区时间，可由基本振荡电路、与门电路构成，为方便我们选用TL494，选择方案二。 1.2.2驱动模块论证与选择方案一：利用三极管对无线电能传输装置进行驱动，可以比较经济地进行驱动。方案二：使用两个IR2110对无线电能传输装置进行驱动，因其15V 下静态功耗仅116mW输出的电源端电压范围10～20V,工作频率高，可达500kHz，能够很好地满足线圈进行电能传输的需要。考虑到线圈所需谐振频率较高，而三极管的通断不是那么灵敏，所以选择较为灵敏的场效应管，又考虑到电路的简便，则选择方案二。 1.2.3线圈的论证与选择方案一：利用单层同心圆平面绕组，但其输出的频率很高对电容要求过高。方案二：利用多层绕组。考虑到多层绕组的频率相对稳定，它对谐振电容的要求较低，还有它对线圈的磁场干扰较小，并且它的电能传输效率能够达到标准，因此选择方案二。 1.2.4整流电路的论证与选择方案一：二极管半波整流。利用二极管的单向导电性，二极管承受反压大，很有可能会烧毁二极管，直流电源输入时，不能构成放电回路，不适用于本电路。方案二：桥式整流。四只整流三极管D1~4 和负载电阻RL组成。四只整流三极管接成电桥形式。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，且成本低，效率高，适用于各种电路。考虑到半波整流对电能的损失，我们选择的损失较小的全波整流，因此选择方案二。

无线数据传输系统设计大学毕设论文

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无线电能传输装置设计报告

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率η。（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。二、方案论证驱动发射线圈电路方案一：采用集成发射芯片XKT408和T5336搭建发射驱动电路。无线充电/供电主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408A芯片负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控。其主要特点为：

无线电能传输装置的硬件设计

本科毕业设计论文本科毕业设计论文题目：电能无线传输装置的硬件设计作者姓名指导教师专业班级学院信息工程学院提交日期2016年06月10日

浙江工业大学本科毕业设计论文电能无线传输装置的硬件设计作者姓名：指导教师： 2016年6月10日

Dissertation Submitted to ZhejiangUniversity of Technology for the Degree of Bachelor Hardware Design of Wireless Power Transmission Equipment College of Information Engineering Zhejiang University of Technology June 2016

浙江工业大学本科生毕业设计（论文、创作）任务书一、设计（论文、创作）题目：电能无线传输装置的硬件设计二、主要任务与目标：根据对电能无线传输装置的要求，设计相应的硬件线路。要求通过单片机控制开关元件，使LC电路发生谐振，实现电能无线传输的要求，并完成整机的调试。三、主要内容与基本要求： 1.根据无线传输装置的要求完成相关硬件设计，选择合适的谐振电路形式，使无线传输的性能指标处于较好 2. 撰写毕业论文和提交相关设计文挡、图纸等。四、计划进度： 2015.12.20~2016.3.1 收集相关资料文献，学习相关软硬件基础知识；完成外文翻译、文献综述；熟悉课题，做好开题准备，有初步设计方案；2016.3.2~3.10 完成开题报告，参加开题交流；2016.3.11~4.30 完成电能无线传输装置的硬件设计，接受中期检查；2016.5.1~5.31 制作硬件线路，调试与改进，做出最终设计成品。撰写毕业论文初稿；2016.6.1~6.17 论文修改，毕业答辩，提交相关文档资料。五、主要参考文献： [1] 傅文珍，张波，丘东元等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计,中国电机工程学报[J].2009.6:21-26; [2] 翟渊，孙跃，戴欣等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析,中国电机工程学报[J].2012.4:155-160; [3] 于建阁，吕干云，吴张勇等. 基于松耦合变压器的小功率CPT系统, 电工电能新技术[J].2012.7:93-96。任务书下发日期2015 年12 月20 日设计（论文、创作）工作自2015 年12 月20 日至2016 年 6 月20 日设计（论文、创作）指导教师系主任（专业负责人）主管院长

无线通信系统物理层的传输方案设计

（无线局域网场景）一、PBL问题二：试设计一个完整的无线通信系统物理层的传输方案，要求满足以下指标: 1. Data rate ：54Mbps, Pe<=10-5 with Eb/N0 less than 25dB 2. 20 MHz bandwidth at 5 GHz frequency band 3. Channel model ：设系统工作在室内环境，有4条径，无多普勒频移，各径的相对时延为：[0 2 4 6]，单位为100ns ，多径系数服从瑞利衰落，其功率随时延变化呈指数衰减：[0 -8 -16 -24]。请给出以下结果： A. 收发机结构框图，主要参数设定 B. 误比特率仿真曲线（可假定理想同步与信道估计）二、系统选择及设计设计 1、系统要求 20MHz带宽实现5GHz频带上的无线通信系统；速率要求: R=54Mbps；误码率要求: Pe <=10^ (-5)。 2、方案选取根据参数的要求，选择802.11a作为方案的基准，并在此基础上进行一些改进，使实际的系统达到设计要求。 802.11a中对于数据速率、调制方式、编码码率及OFDM子载波数目的确定如表1 所示。

与时延扩展、保护间隔、循环前缀及OFDM符号的持续时间相关的参数如表2 所示。关的参数参考标准选择OFDM系统来实现，具体参数的选择如下述。 3、OFDM简介 OFDM的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的子载波上，每个载波上的调制速率很低(1/N)，调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护。OFDM系统对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽，则产生频率选择性衰落。OFDM的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样，由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据，可以通过频率分量增强的部分的接收数据得以恢复，即实现频率分集。 OFDM克服了FDMA和TDMA的大多数问题。OFDM把可用信道分成了许多个窄带信号。

无线电能传输

Frequency dependence of magnetic flux profile in the presence of metamaterials for wireless power transfer Boopalan G School of Electronics Engineering VIT University Vellore, Tamil Nadu, India boopalan@vit.ac.in Subramaniam C K School of Advance Sciences VIT University Vellore, Tamil Nadu, India subramaniam@vit.ac.in Abstract— We discuss the change in the magnetic flux profile by introducing a negative refractive index material (metamaterial) in between the source and receiver. The environment parameters, ε and μ , has a significant effect on the propagation of electromagnetic wave. The behavior of Transverse Magnetic (TM) wave when the medium in the path of propagation is changed to negative permittivity and permeability is simulated and discussed. The effect of size, shape and anisotrophy of the metamaterials, for near-field regions, on the magnetic flux density has been studied using finite element analysis. An enhancement in the magnetic flux density when a metamaterial is introduced in between the source and receiver was observed. The results show that the static and quasi-static behavior of the system is same. Keywords—metamaterials, quasi static, magnetic flux transverse magnetic I.I NTRODUCTION The idea of charging on the go is an exciting option for various high power applications like Electric Vehicle. Wireless power charging can be done by radiative or non-radiative processes. Use of microwave and optical frequencies falls into the radiative category while non-radiative process refers to the near-field domain. This concept was put forward by Nikola Tesla when he invented an apparatus for transmitting electrical energy wirelessly [1]. Later, with the advent of microwave transmission technology in 1960’s researchers dreamed power transfer from satellite space station to earth [2]. For short distances inductive coupling is very convenient [3-4]. The enhancement in coupling efficiency is obtained by replacing coils with resonators [5-7]. The efficiency can further be improved by introducing a negative refractive index material between the source and the receiver [8-12]. The negative refractive index material or metamaterial has the unique property of enhancing the evanescent as well as non-evanescent waves [10]. In this paper we present the magnetic flux density variations for quasi-static scenarios when a metamaterial is introduced in between the source and the receiver. The model used for simulation is a 2-dimensional one as we are interested only in the profile in that direction which is in the direction of propagation. II.T HEORY Our system consists of a source, receiver and a metamaterial as shown in fig. 1. The source is a circular loop of radius ‘a’ located in free space. The receiver is a point of interest ‘P’ where the magnetic flux density enhancement is observed. The metamaterial in between the source and the receiving point is a rectangular block which enhances the magnetic flux density at the point ‘P’. The transmitter is a single turn coil carrying current ‘I’ which in turn generates the magnetic field H in the surrounding medium. The magnetic field H at a distance ‘z’ from the center of the coil is given by I (1) The coil is fed with a current of ‘I’ amperes as given by the equation below I . (2) Fig. 1. Schematic of Wireless Power transfer y x z

无线电能传输系统设计

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张军职称讲师学生姓名陈昂学号20091526102 专业通信工程（无线移动通信方向）班级2009级无线移动通信1班院（系）电子信息工程学院完成时间2013年4月20日

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 SYSTEM ABSTRACT The Wireless Power Transportation (WPT) shows a outstanding necessity in our today`s 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 people`s requirement in these devises .For another the booming 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 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 R adiofrequency （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)/Antenna

简易无线光通信系统设计详述(DOC)

1.1 简易无线光通信系统光通信分为有线光通信和无线光通信两种。光通信的主要方式是有线光通信即光纤通信，它已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。无线光通信又被称为自由空间光通信(FSO，Free Space Optical communication)。近年来，随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求，FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇，同时由于光通信器件制造技术的飞速发展，无线光通信设备的制造成本大幅下降，FSO得到越来越多的应用。本小节介绍用红外光进行语音信号无线传输的简单系统，这种简单的、实验性的无线光通信系统是真实无线光通信系统的简化，其组成如图1-1所示。图1-1 简易的光无线语音传输系统在一个系统项目开始设计时，要确定实现系统功能的方法原理，并根据项目要求确定系统的需求并发展出一个针对这些需求的计划，即确定系统包括的组成部分、各部分的性能指标以及它们与系统性能之间的关系。然后根据各个组成部分的指标进行单元电路设计。通过对简易的光无线语音传输系统设计、制作与调试，目的是：1）了解分析设计的系统需求并发展出解决方案的过程，2）学习单元电路的设计、测试与调整的方法，特别是模拟电路的设计与调试。 1.1.1 系统功能要求及基本解决思路一、系统功能要求 1、基本要求（1）设计制作一个可以传送语音信号的无线光通信设备；（2）语音信号频率范围：300Hz～3400Hz；（3）通信距离不小于10m；（4）发送端用驻极体话筒拾取语音；（5）接收端输出到喇叭的最大功率0.5W。 2、扩展要求（1）减小环境光对通信的影响；（2）拓展通信距离（不小于100m）；（3）收发两端均采用单电源供电。第 3 页共20 页

2018Multisim仿真无线电能传输项目设计

无线电能传输项目设计

一预备知识 (一)项目设计的目的: (1)在实践中对现代电工技术的理论知识做进一步巩固; (2)锻炼对综合运用能力。 (二)实验内容与要求: 在不采用专用器件(芯片)的前提下,设计一个非接触供电系统。原理电路如下图所示,实现对小型电器供电或充电等功能。 (三)要求用仿真软件对电路进行验证,使其满足以下功能: (1)供电部分输入36V 以下的直流电压,具有向多台电器设备非接触供电的功能。 (2)在输出功率≥1W 的条件下,转换效率≥15%,最大输出功率≥5W 。 (3)设计报告必须包括建模仿真结果 (4)利用multisim 生成PCB 板 D 功放 AC/DC 耦合线圈耦合线圈振荡器充电电路电源

二无线电能传输技术 (一)无线能量传输技术介绍根据电能传输原理,可将 WPT 技术分为三种:射频或微波 WPT、电磁感应式WPT、电磁共振式 WPT,下面分别予以介绍。 1微波无线能量传输所谓微波 WPT,就就是以微波(频率在 300MHz-300GHz 之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术。利用微波源将电能转变为微波,由天线发射,经长距离的传播后再由天线接收,最后经微波整流器等重新转换为电能使用。微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层”等特性,使得该能量传送方式早在20世纪60年代初期就受到人们的关注,并在远程甚至超距能量传输场合有着重要的应用价值。微波WPT主要用于如微波飞机、卫星太阳能电站等远距输电场合,其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效策略已成为美国、日本等国大力发展的重要航天项目。目前,限制微波 WPT 技术进一步发展的主要技术瓶颈在于高效微波整流器件、大功率微波天线以及大功率微波电磁场的生物安全性与生态环境的影响问题。然而,由于工作频率高、系统效率较低,微波 WPT 并不适合于能量传输距离较短的应用场合。 2电磁感应式无线能量传输电磁感应式 WPT 就是基于电磁感应原理,利用原、副边分离的变压器,在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式均采用该技术,典型的应用包括新西兰国家地热公园的 30kW 旅客电动运输车、Splash power 公司的无线充电器等。可以瞧出,无论就是小功率的消费类电子产品还就是大功率 EV 无线供电系统,电磁感应式 WPT 技术都可有效实现无线供电。然而,电磁感应式 WPT 仍存在一系列问题:传输距离较短,距离增大时效率急剧下降;传输效率对非接触变压器的原、副边的错位非常敏感等等。

无线电能传输装置电路原理分析

无线电能传输装置电路原理分析一、发射端 1.H桥工作原理及驱动分析要控制线圈内产生交流信号，需要给线圈提供正反向电压，这就需要四路开关去控制线圈两个输入端的电压。H桥驱动原理等效原理图图如图3-5所示，当开关S1和S3闭合时，电流从线圈左端流向线圈的右端；当开关S2和S4闭合时，电流从线圈右端流向线圈左端。图3-5H桥驱动原理等效电路图常用可以作为H桥的电子开关器件有继电器，三极管，MOS管，IGBT管等。普通继电器属机械器件，开关次数有限，开关频率上限一般在30HZ左右，而且继电器内部为感性负载，对电路的干扰比较大，但继电器可以把控制部分与被控制部分分开，实现由小信号控制大信号，所以高压控制中一般会用到继电器。三极管属于电流驱动型器件，设基极电流为I B，集电极电流为I C，三极管的放大系数为β，电源电压VCC，集电极偏置电阻R C，如果I B*β>=I C,则三极管处于饱和状态，可以当作开关使用，集电极饱和电流I C=VCC/R C，由此可见集电极的输出电流受到R C的限制，不适合应用于电流要求较高的场合。MOS管属于电压驱动型器件，对于NMOS来说，只要V DS≥V GS-V T即可实现NMOS的饱和导通，MOS管开启与关断的能量损失仅是对栅极和源极之间的寄生电容的充放电，对MOS管驱动端要求不高，同时MOS端可以做到很大的电流输出，因此一般用于需要大电流的场所。IGBT则是结合了三极管和MOS管的优点制造的器件，一般用于高压控制电路中。综合考虑，本设计选用了4只NMOS管组成H桥，其具有导通电阻R DS小，，电流I D大等优点。NMOS组成的H桥模型如图3-6所示。

无线电能传输装置F题

无线电能传输装置F题 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#

成都工业学院毕业设计论文课题名称：无线电能传输装置设计时间：2015.2.05—2015.5.18 系部：电气与电子工程系专业：供用电技术班级：1202161 姓名：刘佳福指导教师：目录

任务书 1.任务根据2014年TI杯大学生电子设计竞赛题F题：无线电能传输装置，设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。图1电能无线传输装置结构框图 2.要求（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。（45分）（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。（45分）（3）其他自主发挥（10分）（4）设计报告（20分） 3.说明

（1）发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm；发射与接收线圈间介质为空气。（2）I2=应为连续电流。（3）测试时，除15V直流电源外，不得使用其他电源。（4）在要求（1）效率测试时，负载采用可变电阻器；效率22 11100% U I U I η=?。（5）制作时须考虑测试需要，合理设置测试点，以方便测量相关电压、电流。摘要随着技术的不断发展与进步，无线电能传输技术越来越备受关注，尤其在一些特定场合，无线电能传输技术具有传统电缆线供电方式所不及的独特优势，可以极大地提高设备供电的可靠性、便捷性和安全性。在2008年8月的英特尔开发者论坛（IDF，Intel?Developer?Forum）上，西雅图实验室的约书亚·史密（Joshua?R.?Smith）领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电，在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称，在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。本设计主要由电生磁和磁生电两部分主成。第一部分发射电路由PWM集成控制电路TL494为主芯片的开关电源，以IR2110为驱动电路，控制两路输出，将电能传输给发射线圈，产生磁场；第二部分接收电路，接收线圈通过电磁感应将接收到的磁信号，转化成电能，整流滤波后，供负载LED灯正常发光。关键词：无线电能传输、磁耦合、串联谐振、传送效率、距离无线电能传输装置装置 1系统方案 1.1系统总体思路根据任务要求设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM 脉冲信号，通过线圈驱动电路产生交变电流，在空间产生交变的磁场，利用磁耦合谐振式原理，在接收线圈端产生感应电势和电流，将电能无线传输到接收线圈，实现无线电能的传输。经过几天的测试，制作出了传输效率达63.1%，线圈之间的距离x的值最大为 31cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置，满足了设计要求。

无线电能传输技术

所谓无线电能传输，就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。无线输电分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应可用于低功率、近距离传输；电磁共振适于中等功率、中等距离传输；电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样即造成了浪费，也形成了对环境的污染。而在特殊场合下，譬如矿井和石油开釆中，传统输电方式在安全上存在隐患。孤立的岛屿、工作于山头的基站，很困难采用架设电线的传统配电方式。在上述情形下，无线输电便愈发显得重要和迫切，因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。在此旨在阐述当前的技术进展，分析无线输电原理。 1无线电能传输技术的发展历程最早产生无线输能设想的是尼古拉?特斯拉(NikolaTesla),因而有人称之为无线电能传输之父。1890年，特斯拉就做了无线电能传输试验。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8 Hz的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。最终因财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现。其后，古博(Goubau)、施瓦固(Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。20世纪20 年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda发明了可用于无线电能传输的定向天线，乂称为八木一宇田天线。20世纪60年代初期雷声公司(Raytheon)的布iM(W.C.Brown)做了大量的无线电能传输研究工作，从而奠定了无线电能传输的实验基础，使这一概念变成了现实。在实验中设计了一种效率高、结构简单的半波电偶极子半导体二极管整流天线，将频率2.45GHz的微波能量转换为了直流电。1977年在实验中使用GaAs—Pt 肖特基势垒二极管，用铝条构造半波电偶极子和传输线，输入微波的功率为8 W,获得了90.6%的微波一一直流电整流效率。后来改用印刷薄膜，在频率2.45 GHz时效率达到了85%o 自从Brown实验获得成功以后，人们开始对无线电能传输技术产生了兴趣。1975 年，在美国宇航局的支持下，开始了无线电能传输地面实验的5 ail'划。喷气发动机实验室和Lewis科研中心曾将30 kW的微波无线输送1.6 km,微波一一直流的转换效率达83%。1991

模拟信号数字无线传输系统的设计

目录摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (2) 1 前言 (2) 1.1 选题的目的与意义 (2) 1.2 简述模拟信号与数字信号 (2) 2 设计任务与要求 (2) 2.1 设计任务 (2) 2.2 基本要求 (3) 3 总体方案设计与方案论证 (3) 3.1总体方案设计 (3) 3.2 方案论证与选择 (4) 3.2.1 无线传输方式的选择 (4) 3.2.2 模数转换 (4) 4 硬件电路与软件设计的实现 (8) 4.1 硬件电路的实现 (8) 4.1.1 控制处理器外围电路 (10) 4.1.2 红外发射电路的实现 (10) 4.1.3 模数转换电路的实现 (10) 4.2 软件设计 (11) 4.2.1 发射机软件设计 (11) 5 系统调试与调试中的问题 (12) 5.1 模数转换的调试 (12) 5.2 红外发射接收的调试 (12) 参考文献 (13) 附录 (13) 附录 1 发射机程序 (13)

模拟信号数字无线传输系统的设计摘要通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统，如果我们在发送端的信息源中包括一个模/数转换装臵，在接收端包括一个数/模转换装臵，在发送端与接收端之间通过红外作为载波进行通信，则可以实现模拟信号数字无线传输。本文主要从三个方面进行设计与实现：（1）AT89S51单片机对A/D转换器的控制，从而对模拟信号进行抽样、量化、编码后转换为数字信号；（2）单片机对数字信号进行编码与38Khz 红外载波调制通过红外线发射；（3）接收机接收到的调制信号经红外接收头进行解调还原数字信号，再经单片机的处理，通过D/A，以及信号的放大，最后再经过低通滤波器还原成模拟信号，从而实现模拟信号数字无线传输演示的全过程。关键词:模拟信号数字传输；无线传输；红外通信；模数转换 Analog Digital Wireless Transmission Communication System Abstract Communication system is divided into analog communication systems and digital communication systems, if we send the client's information sources include a A / D converter, the receiver includes a D / A converter, in between the transmitter and the receiver as by infrared carrier to communicate, you can transmit analog signal digital infrared communications. This article mainly focuses on three aspects: (1) AT89S51

一种简易型小功率无线电能 传输系统的研究与设计