本文關(guān)鍵詞：基于AMPSK調(diào)制的無線攜能通信技術(shù)研究

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【摘要】：無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)是通信技術(shù)與輸電技術(shù)交叉融合的一個(gè)前沿方向。該技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)信息與能量的同時(shí)傳輸,即在實(shí)現(xiàn)高速可靠通信的同時(shí),完成能量的傳輸與收集。從而充分利用寶貴的發(fā)射功率,延長(zhǎng)設(shè)備生存時(shí)間,提高能源的利用率。本文詳細(xì)闡述了SWIPT的應(yīng)用需求與設(shè)計(jì)理念,并提出了一套能夠?qū)崿F(xiàn)信息與能量同時(shí)傳輸?shù)膮⒖挤桨概c設(shè)計(jì)理論。該方案不需要借助于兩路信號(hào)分別傳輸信息與能量,也不需要采用時(shí)分方式交替進(jìn)行信息與能量的傳輸,而是采用一種攜能特性優(yōu)異的新型調(diào)制方案-—-AMPSK (Asymmetric M-ary Phase Shift Keying, AMPSK)調(diào)制技術(shù),將信息與能量的傳輸“合二為一”,僅發(fā)射一路調(diào)制信號(hào)便可實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息與能量同時(shí)傳輸。首先,總述了基于AMPSK調(diào)制的SWIPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及其相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)主要由發(fā)射端的信息調(diào)制模塊、連接收發(fā)兩端的無線能量傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)系統(tǒng)、接收端的功率分配模塊,以及整流與解調(diào)電路構(gòu)成。針對(duì)SWIPT系統(tǒng)各主要模塊,分章節(jié)闡述其各自的工作原理與設(shè)計(jì)思路。其次,結(jié)合AMPSK調(diào)制的原理與功率譜特點(diǎn),闡述了AMPSK信號(hào)在SWIPT應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì),并給出了AMPSK信號(hào)及其各種特例的具體表達(dá)式。通過對(duì)AMPSK信號(hào)功率譜的實(shí)測(cè)和理論分析,表明了AMPSK信號(hào)及其各種特例的能量高度集中于載頻,具有優(yōu)異的攜能特性,適合用作SWIPT系統(tǒng)的信息調(diào)制方案。進(jìn)一步,從SWIPT應(yīng)用的角度出發(fā),總結(jié)并歸納了適用于AMPSK信號(hào)的兩種不同的沖擊濾波機(jī)制,即相位匹配機(jī)制及載波抑制機(jī)制。基于載波抑制機(jī)制,提出了AMPSK信號(hào)的諧振相干解調(diào)方案,并給出了微帶諧振相干解調(diào)電路的完整結(jié)構(gòu),其僅需依靠一段微帶開路線,便可同時(shí)完成同頻反相載波的提取以及對(duì)AMPSK調(diào)制信號(hào)的相干解調(diào)。第三,根據(jù)對(duì)近場(chǎng)WPT方案的建模分析,通過在收發(fā)線圈中引入諧振補(bǔ)償電容對(duì)傳統(tǒng)的磁感應(yīng)耦合方式WPT系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),并探討了改進(jìn)的WPT中臨界耦合系數(shù)kc的影響因素,指出了收發(fā)線圈的Q值是影響WPT系統(tǒng)有效作用范圍的關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上,分析了磁耦合共振方式WPT的工作原理,以及磁耦合共振方式WPT與引入諧振補(bǔ)償?shù)拇鸥袘?yīng)耦合方式WPT之間的區(qū)別與聯(lián)系。然后,討論了遠(yuǎn)場(chǎng)WPT系統(tǒng)整流天線中的天線設(shè)計(jì)方案,并依據(jù)天線參數(shù)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)WPT中微波能量在自由空間中的衰減進(jìn)行了計(jì)算。討論了SWIPT系統(tǒng)接收端的功率分配方案,結(jié)合AMPSK信號(hào)的特點(diǎn),提出了時(shí)域功率分配和頻域功率分配兩種分配方案,并分別給出了參考設(shè)計(jì)與相應(yīng)的仿真分析。通過對(duì)二極管整流電路建模,得到了二極管整流效率的閉式表達(dá)式,利用微帶電路設(shè)計(jì)了一款整流電路,對(duì)其整流效率進(jìn)行了仿真分析并與模型計(jì)算值進(jìn)行了比較與討論。最后,為了驗(yàn)證信息與能量同時(shí)傳輸?shù)腟WIPT系統(tǒng)的可行性,進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。一方面,基于傳統(tǒng)的磁感應(yīng)耦合方式WPT系統(tǒng),進(jìn)行了信息與能量同時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn),展現(xiàn)了信息與能量同時(shí)傳輸?shù)目尚行�。另一方�?通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在傳統(tǒng)的磁感應(yīng)耦合式WPT系統(tǒng)收發(fā)線圈中引入諧振補(bǔ)償電容。能夠顯著增大WPT系統(tǒng)的有效作用范圍。
【關(guān)鍵詞】：無線攜能通信 無線能量傳輸 諧振補(bǔ)償 微波整流天線 功率分配 AMPSK調(diào)制解調(diào)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN911.3
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 緒論8-14
• 1.1 引言8-9
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-12
• 1.3 超窄帶調(diào)制技術(shù)在無線攜能通信中的應(yīng)用12
• 1.4 論文的主要工作及組織結(jié)構(gòu)12-14
• 第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)14-22
• 2.1 系統(tǒng)總體框圖14
• 2.2 信息調(diào)制模塊14-16
• 2.3 無線能量傳輸系統(tǒng)16-18
• 2.3.1 近場(chǎng)方案16-17
• 2.3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)方案17-18
• 2.4 功率分配方案18-19
• 2.5 整流電路設(shè)計(jì)19-20
• 2.6 信息解調(diào)方案20
• 2.7 本章小結(jié)20-22
• 第3章 AMPSK信息傳輸系統(tǒng)22-40
• 3.1 AMPSK調(diào)制原理22-25
• 3.1.1 調(diào)制波形表達(dá)式22-23
• 3.1.2 調(diào)制信號(hào)功率譜23-25
• 3.2 AMPSK解調(diào)原理25-28
• 3.2.1 相位匹配機(jī)制25-28
• 3.2.2 載波抑制機(jī)制28
• 3.3 微帶諧振相干解調(diào)電路設(shè)計(jì)28-35
• 3.4 微帶諧振相干解調(diào)電路仿真分析35-38
• 3.5 本章小結(jié)38-40
• 第4章 無線能量傳輸技術(shù)40-92
• 4.1 磁感應(yīng)耦合近場(chǎng)無線輸能方案40-49
• 4.1.1 基本原理40-42
• 4.1.2 改進(jìn)的諧振補(bǔ)償方案42-49
• 4.2 磁耦合共振近場(chǎng)無線輸能方案49-59
• 4.2.1 臨界耦合系數(shù)的影響因素49-52
• 4.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電路模型52-54
• 4.2.3 等效電路分析54-59
• 4.3 微波輻射遠(yuǎn)場(chǎng)無線輸能方案59-64
• 4.3.1 矩形微帶貼片天線仿真59-62
• 4.3.2 八木陣列天線仿真62-64
• 4.4 時(shí)域功率分配方案64-70
• 4.4.1 微帶功率分配器設(shè)計(jì)原理64-66
• 4.4.2 微帶功率分配電路仿真分析66-70
• 4.5 頻域功率分配方案70-80
• 4.5.1 分支定向耦合器設(shè)計(jì)原理71-76
• 4.5.2 頻域功率分配電路仿真分析76-80
• 4.6 整流電路設(shè)計(jì)方案80-90
• 4.6.1 整流電路建模80-85
• 4.6.2 整流電路仿真分析85-90
• 4.7 本章小結(jié)90-92
• 第5章 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)92-98
• 5.1 信息與能量同時(shí)傳輸可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)92-94
• 5.2 諧振補(bǔ)償有效性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)94-96
• 5.3 本章小結(jié)96-98
• 第6章 總結(jié)與展望98-102
• 6.1 全文總結(jié)98-99
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新99
• 6.3 研究展望99-102
• 致謝102-104
• 參考文獻(xiàn)104-108
• 作者簡(jiǎn)介108

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