螺旋天线的无线能量传输系统的设计

1、基于螺旋天线的无线能量传输系统的设计冯燕仿，陈伟健，李国雄，黄国钿，曾华清（广东工业大学华立学院，广东 广州 511325）【摘 要】无线能量传输系统由稳压电源、高频信号发生器、功率放大器、螺旋式发射天线和螺旋式接收天线五部分构成。功率放大器将高频信号发生器产生的5.68MHz信号放大后，通过螺旋式发射天线，以磁耦合共振的方式向螺旋式接收天线传送能量。螺旋天线属定向天线，发射的能量集中，有利于提高系统传输效率。系统工作于远区场，实现了能量的远距离传输。已成功实现在11m以外驱动红色发光二极管正常发光，系统功耗为1w。【关键词】磁耦合共振；螺旋天线；无线传输 【中图分类号】TN823+.31 【

2、文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2009)08-0024-02其中UP为加在发射天线的等效交流电源，其频率为，传统的接触式能量传输系统主要通过导线进行能量传RP和RS分别为发射天线和接收天线的等效内阻，LP和Ls分别输。在传输能量的过程中，由于插头与插座的接触摩擦而产表示两个天线的电感量，M为互感系数，RL为红色发光二极生火花，这样在有些场所（如石油、化工企业）就很容易产管的等效电阻。 生危险，甚至引起爆炸，对企业和人身造成重大伤害。有时，对电路列KVL方程 需要对封闭容器内的传感器等电路供电，一般采用电池。然而，电池的使用寿命毕竟有限，当电量耗尽时，将封闭容器IPRP+IPj

3、LP+IP/(jCP)jMIP=UP（1） 打开更换电池是非常麻烦的事情，有时也是不允许的。在医学方面，人体机器人因为体积小，其面临的最大的难题就是ISRS+ISjLS+IS/(jCS)+ISRL=jMIP能量供给问题。尤其是在太空研究方面，能量是一个大难题。 （2）随着电力电子技术、电磁学理论、磁性材料的巨大发展，该系统的工作频率应该是副边的谐振频率 利用电磁感应原理而发展起来的新型无接触供电技术已经在=0=医学生物装置、小型电气充电设备、特殊环境工作下的移动 （3）设备供电等等方面崭露头角。但这些装置都只能实现近距离的无线能量传输。鉴于这些情况，我们设计制作一个基于螺旋天线的无线能量传输系

4、统，利用磁耦合共振原理实现了能量远距离、高效率的传输。（一）无线能量系统传输的原理 当线圈处于变化的磁场中时，线圈中就会有感应电动势产生，感应电动势的大小和线圈磁场变化的速率成正比。变压器就是基于这一原理工作的，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。一般的变压器的原边和副边由闭合铁心（或其他磁性材料）连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，不可分离。如图1所示。图2 无线能量传输系统等效图将其代入（1）式和（2）式中，经整理可得 IP=(RS+RL)UPRS+RLRP+2M2jMUPRS+RLRP+2M2（4）（5）IS=由于存在着反射阻抗，即原边的电路电流会受副边的电路负载的影响，其反射

5、阻抗的表示式为图1 变压器结构图本文提出的无线供电原理与变压器类似，但与一般变压器不同的是，它的原边和副边是分离的，没有任何物理上的连接接触，通过电磁场感应的基本原理，以辐射性谐振磁耦合的方式，将电能通过无线传送的方式传输给负载。Zf=jMIS=Rf+jXfIP（6）它是副边回路反射到原边电路中的等效阻抗，其大小直接体现了系统传输有功功率的大小。由式（4）和（5）可计算出，当=0时，Rf=2M2RS+RL，Xf=0。（二）无线能量传输系统效率分析初步构想无线能量传输系统，可以等效为如图2的模型。该系统的能量传输效率为副边负载上得到的功率和原边电源提供的功率之比，即为【收稿日期】2009-05-

6、13【作者简介】冯燕仿（1981），女，广东工业大学华立学院公共基础部助教，硕士，研究方向为无线能量传输系统的设计。 - 24 -=RfRL Rf+RPRL+RS（7）经计算可得2M2R(2f22=L0)MRLR22=PRL+RS+0MRL+RSRPRL+RS+2f0M2RL+RS （8）由式（8）可以看出，系统的能量传输效率随着系统工作频率f0、负载电阻RL以及发射线圈和接收线圈之间的互感系数 M的增大而增大，随着发射天线等效内阻 RP和接收天线等效内阻RS的增大而减小。由于该系统的负载是发光二极管，它的内阻是确定的，当发射天线和接收天线绕好后，它们的内阻也是确定的。因此，要提高传输效率，可

7、以从增大工作频率互和互感系数这两方面考虑。（三）无线能量传输系统各功能模块分析1.无线能量传输系统框图本方案的系统框图如图3所示。接收天线在变化磁场中将产生感应电动势，此接收到的信号为高频交变信号，并不适合一般电器的正常工作条件，因此，需经过整流滤波后才能给负载（用电器）供电。由于本次实验中只点亮一只发光二极管，因此不整流，本论文中将不对整流部分进行详细阐述。图3 无线能量传输系统框图2.高频信号发生器模块因为需要测量系统在各个频率中的特性，所以要求高频信号发生器模块能够产生范围很宽的连续可调频率，并且能为接收天线创造精度高、稳定好、漂移小的频率。而品质因数高是能量的接收能力强的关键，这就要求

8、接收天线具有很高的品质因数Q，这同时会带来了很强的选频特性，因此，要求高频信号发生器不但可调，还要有很好的稳定性。本设计运用芯片MAX038构成高频信号发生器。MAX038具有范围很宽的连续可调频率，最高可达200MHz，并且输出频率相当稳定，能产生三角波、矩形波、正弦波三种波形。在相同频率与幅度下，这三种波形中，矩形波能量最大，因此本设计由MAX038产生5.68 MHz高频矩形波。电路图如图4所示。图4 MAX038电路3.功率放大器模块在无线能量传输中，为了获得大功率的高频信号，驱动负载线圈，须采用高频功率放大器。为了能对高频信号发生器产生的各个频率能有很好的放大线性，要求放大器为一个高

9、频宽带放大器。本设计的高频宽带放大器共两级放大：前级为电压放大，采用共射极接法，其输出电压Uo与输入电压Ui反相，输入电阻和输出电阻大小适中，电压增益比较大，失真比较小；第二级为功率放大，采用PNP晶体管构成的共发射级电路，其输出电阻小，有较好的负载能力，可作为恒压源。高频宽带放大器总电路图如图5所示。图6为高频信号发生器宽带放大器实物图。图5 高频宽带放大器电路图6 高频信号发生器及宽带放大器电路实物图 4.发射天线模块基于本设计的原理，发射线圈是为了产生一个变化的磁场，螺旋天线比拉杆天线更容易产生一个磁场，所以本设计采用螺旋发射天线。螺旋发射天线示意图如图7所示。其中，线圈直径D=75cm

10、，线径d=0.15cm，匝间距S=2cm，匝数N=5。因此，发射天线输入阻抗Zin=3k，电感L=48.8H。图7 发射天线示意图5.接收天线模块接收天线模块是一个谐振回路。当并联谐振回路品质因数Q值越大，系统的传输效率越大。由公式：Q （9）可知，线圈内阻越小，感抗越大，回路电容越小，品质因数Q值就越大。针对本次比赛题目的要求，负载为一个发光二极管。所以不再加接电容，而是直接利用二极管的极间电容，令回路的电容最小，与接收线圈的感性（下转第34页）- 25 -可知，感抗越小，信号频率越高。基于品质因素和信号频率两方面的考虑，我们选用线圈直径线圈直径D=75cm，线径d=0.15cm，匝间距S=

11、2cm，匝数N=5作为接收线圈，线圈感抗L=48.8H。6.电源模块针对本系统的需要，设计一个简单、稳定，和便宜的电源。7805和7905稳压好，电路非常简单，具有过热过流保护，成本低廉，精度虽不十分高，但足够要求。LM317具有电压幅度单端可调，精度高，稳压好，电路简单，负载能力强，最大输出电流为1.5A，还拥有过热过流保护，且成本低廉。因此，LM317符合电路所需要求。电源模块电路图如图8。图8 电源电路图【参考文献】1 赵凯华,陈仲谋.电磁学M.北京:高等教育出版社, 2003. 2 武瑛.新型无接触供电系统的研究D.中国科学院研究生院,2004.3 李荣华.测定互感器互感系数的方法J.

12、实验技术与管理,2005,22(8):33-35.4 Trends in contactless energy transmission system. Market ShareMonthly by Yano Research Institude Ltd.,2001,(145):68-73. 5 李宏.感应电能传输电力电子及电气自动化的新领域J.电气传动,2001,(2):61-64.（四）结论本系统电路结构完整，电路简单，性价比较高，目前作品已成功实现在11m之外驱动红色发光二极管正常发光，系统功耗为1w。当然电路还存在一些不足之处，在接下来的工作中，可通过高频宽带放大器获得整个系统的最佳频

13、率后，再针对放大器的特定工作频率和负载的阻抗设计一个高频窄 - 34 -欺骗的配置和服务包括：RPC远程过程调用服务、任何使用IP地址认证的服务、X Window系统、r服务阻止IP欺骗攻击：防止IP欺骗的最有效的措施就是避免使用源地址做认证。a.配置网络（在路由器上），使其拒绝接收那些声称是发自本地地址的数据包。b.在内部网络中使用NAT。通过在内部网络中使用私有IP地址，将使得连接欺骗变得更加困难。c.如果网络与外部连接部分使用Linux而网络内部使用Windows或Novell，考虑在防火墙阻断TCP。即允许外部连接Email服务器，但内部工作站使用基于IPX的连接方式来收取Email。

14、2）ARP欺骗ARP欺骗是IP欺骗的变形，它利用的也是相同的弱点。在ARP欺骗中，认证方式也是基于地址的，不同之处在于ARP依赖于硬件地址。受ARP欺骗中，攻击者的目的是维持自己的硬件地址不变，而假冒可信主机的IP地址。为此，攻击者把伪造的映射信息同时发给目标主机和缓冲区。从此以后，目标主机的数据包就被发送到了攻击者的硬件地址了，目标主机现在“相信”攻击者的机器就是可信主机。阻止ARP欺骗攻击：有多种方法可以挫败ARP欺骗，但最有效的方式是把地址映射表固定下来。3）DNS欺骗在DNS欺骗中，攻击者攻破DNS服务器，显示修改主机名-IP地址映射表。他们把这些修改写入DNS服务器的转换表（上接第2

15、5页）构成谐振回路。发光二极管极间电容C=10pF。同时采用全铜线圈，内阻很小。在能量传输中，信号频率越高，传输效果越好，由公式f （10）数据库中。因此，当客户发出查询请求时，将得到一个伪造的地址，这个地址将是完全在攻击者掌握之下的机器的IP地址。检测和防范DNS欺骗：DNS欺骗的检测相当容易。如果怀疑一台DNS出了问题，那么可以查询网络中其他权威的DNS服务器。除非受影响的机器已经被攻破异端时间，否则可以很容易发现它被欺骗的证据，其他权威服务器的报告将同被攻破的DNS服务器的报告不同。如果被欺骗的服务器已经被攻破一段时间，那么将不能只依靠查询来解决问题，伪造的地址主机名映射表或许已经被传输

16、到网络中其他的DNS服务器。如果发现域名解析异常，那么可以使用一个称为DOC（域名冒犯控制）的脚本工具。DOC是一个诊断行为异常的域的程序，它发送请求到相应的域名服务器并对这些请求的输出作出一系列分析。总之，Linux提供了自由的技术、无尽的发展空间、完善的网络以及精确的计算功能。然而，作为一个Linux用户，也需要了解Linux操作系统的安全技术，了解相关的攻击和欺骗，并做好安全防范，并了解一些防范工具的使用。【参考文献】1 (美)Aron Hsiao.Linux 系统安全基础M.史兴华,译. 北京:人民邮电出版社.2 (美)Brian Hatch,James Loo.LINUX黑客大暴光 Linux安全机密与解决方案(第2版)M.王一川,译.北京:清华大学出版社.3 (美)Anonymous John Ray.Linux 安全最大化(第二版) M.汪辉,张冕洲,等译. 北京:电子工业出版社.带放大器，用于提高放大器的发射效率。例如戊类放大器，理论上，其效率可以接近100%。基于螺旋天线的无线能量传输系统的设计作者：冯燕仿， 陈伟健， 李国雄， 黄国钿，