基于信源重构的无线电能与信号协同传输技术研究

作     者：章子健 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周岩

授予年度：2021年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：感应式无线电能传输 无线信号传输 FSK 信源重构 带宽放大 

摘      要：无线电能传输技术在便携性、安全性等方面具有优势,在消费电子、电动汽车、植入式医疗设备等领域得到广泛应用。在很多场合设备在需要供电的同时还需要通信功能,因此无线电能与信号协同传输技术成为近年来研究的热点。电磁波在无线电能变换和无线通信领域内分别扮演能量与信息的载体,而无线电能传输和无线信息传输在频域带宽需求上又分属于窄带和宽带系统,因此无线电能与信号协同传输技术的关键问题在于如何协调不同带宽需求得矛盾。本文针对信号传递中的调制、传输、解调三个过程,将传统的通信带宽重新定义细分为调制带宽、信道带宽和解调带宽。无线供电和无线通信功能共用信道带宽可保证无线供电高效率的传输;而信号解调仅需满足解调带宽需求。本文通过利用重构信源中的谐波放大效应,实现了信道带宽和解调带宽的解耦,减轻了无线信号传输时对无线供电效率的影响。本文针对无线电能与信号协同传输技术在近场和远场两种典型场景中的应用做了详细研究。首先分析了无线电能传输系统的工作原理,并着重讨论了线圈参数、频率、阻抗和耦合系数等对近场无线电能传输效率的影响;其次分析了通信系统的带宽需求,提出了调制带宽、信道带宽和解调带宽三个细分带宽概念,并指出信号解调只需满足解调带宽要求;提出了利用FSK调制策略对无线电能调制,在接收侧重构方波信源,利用其谐波分量实现信号解调。同时,利用谐波放大效应用实现信道带宽和解调带宽之间的弱耦合。最后基于以上电路分析和所提调制解调策略,搭建了仿真和实验平台,近场实验平台为一台25W磁耦合谐振式样机,实验验证了通信条件下电能传输效率仅比不通信时下降2.2%,此外验证了当输入电压、传输距离、线圈位置、负载等工作条件变化时,解调模块均可以准确还原出基带信号;远场实验平台为一台由高频函数发生器和一对中心频率166MHz的鞭形全向天线构成的射频收发装置,基于所提方法可使收集的信号功率谱由原先的双峰分布优化为单峰分布,带宽内功率密度提升为2.8倍,提高能量收集效率。