摘 要

无线携能通信技术是一种将无线能量传输技术与无线通信技术相结合的新型电力技术。它可以实现能量和信息的同步传输，并且信息可以完成全双工通信。这种新的技术在实际应用中可以解决许多严重的安全问题，例如：在某种恶劣环境中工作的用电设备需要进行充电和控制，而传统的有线输能方式会带来许多安全问题，诸如电线老化，电火花等严重的安全隐患。而无线携能通信技术则可以一定程度上解决这些问题。并且整合了通信技术的输能方式，能使某些电气设备使用更加先进和智能。因此这种技术在各种领域中都有着十分广阔的应用前景，为人们的生活带来许多方便。如今无线携能通信技术正在蓬勃发展中。

本次设计是基于磁谐振耦合的无线输能方式，设计出可以让能量与信息同步传输的系统电路。在该电路设计中，用到了Royer振荡器、发射接收线圈、比较电路、2FSK调制解调等电路模块来设计实现无线携能通信的功能。最终通过LTspice软件仿真测试所设计的系统电路，成功实现了能量与信息同步传输的功能。

关键词：无线携能通信，无线能量传输，无线通信，2FSK，磁谐振耦合

Abstract

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer technology is a new power technology combined with Wireless Power Transfer technology and Wireless Information Transmission technology. This technology can achieve the synchronous transmission of the power and information, and also the information can be capable of full duplex communication. This new technology can solve many serious security problems in the practical application, for example, the electricity equipment needed to be charged and controlled in some harsh condition, and the traditional cable transmission may bring many security problems, such as wire aging, spark and other serious security risks. But the SWIPT technology can deal with those problems in some degree. And WPT technology combined with WIT can make some electricity equipment more advanced and intelligent. Consequently, this technology has a very broad application prospect in different areas which will bring people more convenience in their lives. Now, the SWIPT technology is booming.

This design is based on wireless power transmitting circuit of magnetic resonant couplings and the circuit can achieve the synchronous transmission of the power and information. In the design of this circuit, it includes the Royer oscillator, transmitter and receiver coils, compare circuit, 2FSK modulation and demodulation circuit and so other circuit modules to design and implement the function of simultaneous wireless information and power transmission. Finally, the system circuit has been simulated through the simulator LTspice and realized the function of energy and information synchronization transmission.

Key words:Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, Wireless Power Transfer, Wireless Information Transmission, 2FSK, Magnetic Resonant Couplings

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外发展现状 2

1.2.1 无线电能传输技术发展 2

1.2.2 无线携能通信技术发展 4

1.3 论文主要研究内容及结构安排 5

第2章 无线能量传输技术研究 7

2.1 基于感应耦合的无线能量传输技术理论分析 7

2.1.1 感应耦合电能传输系统组成 7

2.1.2 感应耦合电路模型分析 7

2.1.3 感应耦合式无线携能通信理论基础 9

2.2 基于磁耦合谐振的无线能量传输技术理论分析 11

2.2.1 磁耦合谐振电能传输系统组成 11

2.2.2 磁耦合谐振电路模型分析 11

2.2.3 磁耦合谐振式无线携能通信理论基础 14

2.3 基于微波的无线能量传输技术理论分析 16

2.3.1 微波电能传输系统组成 16

2.3.2 微波系统模型分析 16

2.3.3 微波式无线携能通信理论基础 18

2.4 无线能量传输方式的比较和选择 18

第3章 基于磁耦合谐振的无线携能系统设计 20

3.1 无线能量与信息同步传输方案设计 20

3.2 电路仿真软件LTspice 20

3.3 无线能量发射电路 21

3.3.1 Royer振荡电路原理 21

3.3.2 基于Royer振荡电路的电路仿真 22

3.3.3 Royer振荡电路的改进仿真 24

3.4 无线能量接收电路 27

3.5 下行通信电路 28

3.5.1 2FSK调制电路 28

3.5.2 2FSK解调电路 31

3.6 上行通信电路 34

3.6.1 上行通信发射电路 34

3.6.2 上行通信接收电路 35

3.7 无线携能通信系统电路 37

3.8 本章小结 38

第4章 总结与展望 40

4.1 总结 40

4.2 改进与展望 40

参考文献 41

致 谢 43

第1章 绪论

1.1 课题背景

能量和信号是现代电子电气工程的两个重要方面。随着现代信息技术的高速发展，信号方面的无线信息传输技术（Wireless Information Transmission，WIT）已经得到了长足的发展并且被越来越普遍的应用到现实中，这在信息现代化的进程中占据了非常重要的位置。然而，在电能的无线传输方面的研究却远远落后于信息传输。随着现代工业技术的发展，电能的传输技术大多依然局限于传统的电源直接接入模式，即接触式接入模式。

接触式的电能接入系统是将不同导体之间互相连接，即是以“导体”和“接线器”并用的形式传输电能。为了提高这种传统电能传输模式的传输效率，人们采取了多种方式，例如发明新型器件、优化电路参数、增加系统补偿电路等形式来尽可能减少能量的损失。这使得传统的能量传输方式取得了巨大成功，也为全社会的快速发展和进步作出了杰出贡献。但是随着近些年的科技和经济水平的快速发展和不断进步，各类电气设备日益普及，应用于各行各业，遍布社会的各个角落，并且不断有新兴的各种新式电气设备出现，诸如如今生活中不可或缺的各种移动电子设备等。当然，如今现代的电气设备对输能技术也提出许多更高的要求, 虽然传统的有线输电方式仍是主流，但它在安全等方面存在许多严重的缺陷，使得不能很好地满足一些现代发展的需求，因此采用新型的无线供电方式已经成为当今输能研究领域的新方向。这种非接触式的供电方式，设备相对简化，且更加安全、方便，具有十分重大的应用前景，这也是为了适应社会的持续发展，满足人们对各类设备的更高的要求。因此推动了无线能量传输（Wireless Power Transfer，WPT）等相关研究领域的发展。