基于AMPSK调制的无线携能通信技术研究

发布时间：2017-09-03 17:35

  本文关键词：基于AMPSK调制的无线携能通信技术研究

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【摘要】：无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)是通信技术与输电技术交叉融合的一个前沿方向。该技术旨在实现信息与能量的同时传输,即在实现高速可靠通信的同时,完成能量的传输与收集。从而充分利用宝贵的发射功率,延长设备生存时间,提高能源的利用率。本文详细阐述了SWIPT的应用需求与设计理念,并提出了一套能够实现信息与能量同时传输的参考方案与设计理论。该方案不需要借助于两路信号分别传输信息与能量,也不需要采用时分方式交替进行信息与能量的传输,而是采用一种携能特性优异的新型调制方案-—-AMPSK (Asymmetric M-ary Phase Shift Keying, AMPSK)调制技术,将信息与能量的传输“合二为一”,仅发射一路调制信号便可实现真正意义上的信息与能量同时传输。首先,总述了基于AMPSK调制的SWIPT系统的设计思想及其相应的体系结构,该系统主要由发射端的信息调制模块、连接收发两端的无线能量传输(Wireless Power Transfer, WPT)系统、接收端的功率分配模块,以及整流与解调电路构成。针对SWIPT系统各主要模块,分章节阐述其各自的工作原理与设计思路。其次,结合AMPSK调制的原理与功率谱特点,阐述了AMPSK信号在SWIPT应用中的优势,并给出了AMPSK信号及其各种特例的具体表达式。通过对AMPSK信号功率谱的实测和理论分析,表明了AMPSK信号及其各种特例的能量高度集中于载频,具有优异的携能特性,适合用作SWIPT系统的信息调制方案。进一步,从SWIPT应用的角度出发,总结并归纳了适用于AMPSK信号的两种不同的冲击滤波机制,即相位匹配机制及载波抑制机制。基于载波抑制机制,提出了AMPSK信号的谐振相干解调方案,并给出了微带谐振相干解调电路的完整结构,其仅需依靠一段微带开路线,便可同时完成同频反相载波的提取以及对AMPSK调制信号的相干解调。第三,根据对近场WPT方案的建模分析,通过在收发线圈中引入谐振补偿电容对传统的磁感应耦合方式WPT系统进行了改进,并探讨了改进的WPT中临界耦合系数kc的影响因素,指出了收发线圈的Q值是影响WPT系统有效作用范围的关键因素。在此基础上,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与引入谐振补偿的磁感应耦合方式WPT之间的区别与联系。然后,讨论了远场WPT系统整流天线中的天线设计方案,并依据天线参数对远场WPT中微波能量在自由空间中的衰减进行了计算。讨论了SWIPT系统接收端的功率分配方案,结合AMPSK信号的特点,提出了时域功率分配和频域功率分配两种分配方案,并分别给出了参考设计与相应的仿真分析。通过对二极管整流电路建模,得到了二极管整流效率的闭式表达式,利用微带电路设计了一款整流电路,对其整流效率进行了仿真分析并与模型计算值进行了比较与讨论。最后,为了验证信息与能量同时传输的SWIPT系统的可行性,进行了相关验证性实验。一方面,基于传统的磁感应耦合方式WPT系统,进行了信息与能量同时传输实验,展现了信息与能量同时传输的可行性。另一方面,通过实验验证了在传统的磁感应耦合式WPT系统收发线圈中引入谐振补偿电容。能够显著增大WPT系统的有效作用范围。
【关键词】：无线携能通信 无线能量传输 谐振补偿 微波整流天线 功率分配 AMPSK调制解调
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 引言8-9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.3 超窄带调制技术在无线携能通信中的应用12
• 1.4 论文的主要工作及组织结构12-14
• 第2章 系统设计与关键技术14-22
• 2.1 系统总体框图14
• 2.2 信息调制模块14-16
• 2.3 无线能量传输系统16-18
• 2.3.1 近场方案16-17
• 2.3.2 远场方案17-18
• 2.4 功率分配方案18-19
• 2.5 整流电路设计19-20
• 2.6 信息解调方案20
• 2.7 本章小结20-22
• 第3章 AMPSK信息传输系统22-40
• 3.1 AMPSK调制原理22-25
• 3.1.1 调制波形表达式22-23
• 3.1.2 调制信号功率谱23-25
• 3.2 AMPSK解调原理25-28
• 3.2.1 相位匹配机制25-28
• 3.2.2 载波抑制机制28
• 3.3 微带谐振相干解调电路设计28-35
• 3.4 微带谐振相干解调电路仿真分析35-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 无线能量传输技术40-92
• 4.1 磁感应耦合近场无线输能方案40-49
• 4.1.1 基本原理40-42
• 4.1.2 改进的谐振补偿方案42-49
• 4.2 磁耦合共振近场无线输能方案49-59
• 4.2.1 临界耦合系数的影响因素49-52
• 4.2.2 系统结构与电路模型52-54
• 4.2.3 等效电路分析54-59
• 4.3 微波辐射远场无线输能方案59-64
• 4.3.1 矩形微带贴片天线仿真59-62
• 4.3.2 八木阵列天线仿真62-64
• 4.4 时域功率分配方案64-70
• 4.4.1 微带功率分配器设计原理64-66
• 4.4.2 微带功率分配电路仿真分析66-70
• 4.5 频域功率分配方案70-80
• 4.5.1 分支定向耦合器设计原理71-76
• 4.5.2 频域功率分配电路仿真分析76-80
• 4.6 整流电路设计方案80-90
• 4.6.1 整流电路建模80-85
• 4.6.2 整流电路仿真分析85-90
• 4.7 本章小结90-92
• 第5章 验证实验92-98
• 5.1 信息与能量同时传输可行性验证实验92-94
• 5.2 谐振补偿有效性验证实验94-96
• 5.3 本章小结96-98
• 第6章 总结与展望98-102
• 6.1 全文总结98-99
• 6.2 主要创新99
• 6.3 研究展望99-102
• 致谢102-104
• 参考文献104-108
• 作者简介108

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本文编号：786398