基于AMPSK調(diào)制的無線攜能通信技術(shù)研究.pdf

1、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)

2、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 ShiftKeying，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

3、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

4、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?；谳d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

5、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

6、。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)，