螺旋天線的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于螺旋天線的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)馮燕仿，陳偉健，李國(guó)雄，黃國(guó)鈿，曾華清（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東 廣州 511325）【摘 要】無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源、高頻信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、螺旋式發(fā)射天線和螺旋式接收天線五部分構(gòu)成。功率放大器將高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的5.68MHz信號(hào)放大后，通過(guò)螺旋式發(fā)射天線，以磁耦合共振的方式向螺旋式接收天線傳送能量。螺旋天線屬定向天線，發(fā)射的能量集中，有利于提高系統(tǒng)傳輸效率。系統(tǒng)工作于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了能量的遠(yuǎn)距離傳輸。已成功實(shí)現(xiàn)在11m以外驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二極管正常發(fā)光，系統(tǒng)功耗為1w。【關(guān)鍵詞】磁耦合共振；螺旋天線；無(wú)線傳輸 【中圖分類(lèi)號(hào)】TN823+.31 【

2、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1008-1151(2009)08-0024-02其中UP為加在發(fā)射天線的等效交流電源，其頻率為，傳統(tǒng)的接觸式能量傳輸系統(tǒng)主要通過(guò)導(dǎo)線進(jìn)行能量傳RP和RS分別為發(fā)射天線和接收天線的等效內(nèi)阻，LP和Ls分別輸。在傳輸能量的過(guò)程中，由于插頭與插座的接觸摩擦而產(chǎn)表示兩個(gè)天線的電感量，M為互感系數(shù)，RL為紅色發(fā)光二極生火花，這樣在有些場(chǎng)所（如石油、化工企業(yè)）就很容易產(chǎn)管的等效電阻。 生危險(xiǎn)，甚至引起爆炸，對(duì)企業(yè)和人身造成重大傷害。有時(shí)，對(duì)電路列KVL方程 需要對(duì)封閉容器內(nèi)的傳感器等電路供電，一般采用電池。然而，電池的使用壽命畢竟有限，當(dāng)電量耗盡時(shí)，將封閉容器IPRP+IPj

3、LP+IP/(jCP)jMIP=UP（1） 打開(kāi)更換電池是非常麻煩的事情，有時(shí)也是不允許的。在醫(yī)學(xué)方面，人體機(jī)器人因?yàn)轶w積小，其面臨的最大的難題就是ISRS+ISjLS+IS/(jCS)+ISRL=jMIP能量供給問(wèn)題。尤其是在太空研究方面，能量是一個(gè)大難題。 （2）隨著電力電子技術(shù)、電磁學(xué)理論、磁性材料的巨大發(fā)展，該系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)該是副邊的諧振頻率 利用電磁感應(yīng)原理而發(fā)展起來(lái)的新型無(wú)接觸供電技術(shù)已經(jīng)在=0=醫(yī)學(xué)生物裝置、小型電氣充電設(shè)備、特殊環(huán)境工作下的移動(dòng) （3）設(shè)備供電等等方面嶄露頭角。但這些裝置都只能實(shí)現(xiàn)近距離的無(wú)線能量傳輸。鑒于這些情況，我們?cè)O(shè)計(jì)制作一個(gè)基于螺旋天線的無(wú)線能量傳輸系

4、統(tǒng)，利用磁耦合共振原理實(shí)現(xiàn)了能量遠(yuǎn)距離、高效率的傳輸。（一）無(wú)線能量系統(tǒng)傳輸?shù)脑?當(dāng)線圈處于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，線圈中就會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和線圈磁場(chǎng)變化的速率成正比。變壓器就是基于這一原理工作的，它通過(guò)交變磁場(chǎng)把電源輸出的能量傳送到負(fù)載。一般的變壓器的原邊和副邊由閉合鐵心（或其他磁性材料）連接在一起，原線圈和副線圈之間緊密耦合，不可分離。如圖1所示。圖2 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)等效圖將其代入（1）式和（2）式中，經(jīng)整理可得 IP=(RS+RL)UPRS+RLRP+2M2jMUPRS+RLRP+2M2（4）（5）IS=由于存在著反射阻抗，即原邊的電路電流會(huì)受副邊的電路負(fù)載的影響，其反射

5、阻抗的表示式為圖1 變壓器結(jié)構(gòu)圖本文提出的無(wú)線供電原理與變壓器類(lèi)似，但與一般變壓器不同的是，它的原邊和副邊是分離的，沒(méi)有任何物理上的連接接觸，通過(guò)電磁場(chǎng)感應(yīng)的基本原理，以輻射性諧振磁耦合的方式，將電能通過(guò)無(wú)線傳送的方式傳輸給負(fù)載。Zf=jMIS=Rf+jXfIP（6）它是副邊回路反射到原邊電路中的等效阻抗，其大小直接體現(xiàn)了系統(tǒng)傳輸有功功率的大小。由式（4）和（5）可計(jì)算出，當(dāng)=0時(shí)，Rf=2M2RS+RL，Xf=0。（二）無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)效率分析初步構(gòu)想無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，可以等效為如圖2的模型。該系統(tǒng)的能量傳輸效率為副邊負(fù)載上得到的功率和原邊電源提供的功率之比，即為【收稿日期】2009-05-

6、13【作者簡(jiǎn)介】馮燕仿（1981），女，廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院公共基礎(chǔ)部助教，碩士，研究方向?yàn)闊o(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 - 24 -=RfRL Rf+RPRL+RS（7）經(jīng)計(jì)算可得2M2R(2f22=L0)MRLR22=PRL+RS+0MRL+RSRPRL+RS+2f0M2RL+RS （8）由式（8）可以看出，系統(tǒng)的能量傳輸效率隨著系統(tǒng)工作頻率f0、負(fù)載電阻RL以及發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感系數(shù) M的增大而增大，隨著發(fā)射天線等效內(nèi)阻 RP和接收天線等效內(nèi)阻RS的增大而減小。由于該系統(tǒng)的負(fù)載是發(fā)光二極管，它的內(nèi)阻是確定的，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線繞好后，它們的內(nèi)阻也是確定的。因此，要提高傳輸效率，可

7、以從增大工作頻率互和互感系數(shù)這兩方面考慮。（三）無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)各功能模塊分析1.無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)框圖本方案的系統(tǒng)框圖如圖3所示。接收天線在變化磁場(chǎng)中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此接收到的信號(hào)為高頻交變信號(hào)，并不適合一般電器的正常工作條件，因此，需經(jīng)過(guò)整流濾波后才能給負(fù)載（用電器）供電。由于本次實(shí)驗(yàn)中只點(diǎn)亮一只發(fā)光二極管，因此不整流，本論文中將不對(duì)整流部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。圖3 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)框圖2.高頻信號(hào)發(fā)生器模塊因?yàn)樾枰獪y(cè)量系統(tǒng)在各個(gè)頻率中的特性，所以要求高頻信號(hào)發(fā)生器模塊能夠產(chǎn)生范圍很寬的連續(xù)可調(diào)頻率，并且能為接收天線創(chuàng)造精度高、穩(wěn)定好、漂移小的頻率。而品質(zhì)因數(shù)高是能量的接收能力強(qiáng)的關(guān)鍵，這就要求

8、接收天線具有很高的品質(zhì)因數(shù)Q，這同時(shí)會(huì)帶來(lái)了很強(qiáng)的選頻特性，因此，要求高頻信號(hào)發(fā)生器不但可調(diào)，還要有很好的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)運(yùn)用芯片MAX038構(gòu)成高頻信號(hào)發(fā)生器。MAX038具有范圍很寬的連續(xù)可調(diào)頻率，最高可達(dá)200MHz，并且輸出頻率相當(dāng)穩(wěn)定，能產(chǎn)生三角波、矩形波、正弦波三種波形。在相同頻率與幅度下，這三種波形中，矩形波能量最大，因此本設(shè)計(jì)由MAX038產(chǎn)生5.68 MHz高頻矩形波。電路圖如圖4所示。圖4 MAX038電路3.功率放大器模塊在無(wú)線能量傳輸中，為了獲得大功率的高頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載線圈，須采用高頻功率放大器。為了能對(duì)高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的各個(gè)頻率能有很好的放大線性，要求放大器為一個(gè)高

9、頻寬帶放大器。本設(shè)計(jì)的高頻寬帶放大器共兩級(jí)放大：前級(jí)為電壓放大，采用共射極接法，其輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相，輸入電阻和輸出電阻大小適中，電壓增益比較大，失真比較??；第二級(jí)為功率放大，采用PNP晶體管構(gòu)成的共發(fā)射級(jí)電路，其輸出電阻小，有較好的負(fù)載能力，可作為恒壓源。高頻寬帶放大器總電路圖如圖5所示。圖6為高頻信號(hào)發(fā)生器寬帶放大器實(shí)物圖。圖5 高頻寬帶放大器電路圖6 高頻信號(hào)發(fā)生器及寬帶放大器電路實(shí)物圖 4.發(fā)射天線模塊基于本設(shè)計(jì)的原理，發(fā)射線圈是為了產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，螺旋天線比拉桿天線更容易產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，所以本設(shè)計(jì)采用螺旋發(fā)射天線。螺旋發(fā)射天線示意圖如圖7所示。其中，線圈直徑D=75cm

10、，線徑d=0.15cm，匝間距S=2cm，匝數(shù)N=5。因此，發(fā)射天線輸入阻抗Zin=3k，電感L=48.8H。圖7 發(fā)射天線示意圖5.接收天線模塊接收天線模塊是一個(gè)諧振回路。當(dāng)并聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)Q值越大，系統(tǒng)的傳輸效率越大。由公式：Q （9）可知，線圈內(nèi)阻越小，感抗越大，回路電容越小，品質(zhì)因數(shù)Q值就越大。針對(duì)本次比賽題目的要求，負(fù)載為一個(gè)發(fā)光二極管。所以不再加接電容，而是直接利用二極管的極間電容，令回路的電容最小，與接收線圈的感性（下轉(zhuǎn)第34頁(yè)）- 25 -可知，感抗越小，信號(hào)頻率越高?；谄焚|(zhì)因素和信號(hào)頻率兩方面的考慮，我們選用線圈直徑線圈直徑D=75cm，線徑d=0.15cm，匝間距S=

11、2cm，匝數(shù)N=5作為接收線圈，線圈感抗L=48.8H。6.電源模塊針對(duì)本系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，和便宜的電源。7805和7905穩(wěn)壓好，電路非常簡(jiǎn)單，具有過(guò)熱過(guò)流保護(hù)，成本低廉，精度雖不十分高，但足夠要求。LM317具有電壓幅度單端可調(diào)，精度高，穩(wěn)壓好，電路簡(jiǎn)單，負(fù)載能力強(qiáng)，最大輸出電流為1.5A，還擁有過(guò)熱過(guò)流保護(hù)，且成本低廉。因此，LM317符合電路所需要求。電源模塊電路圖如圖8。圖8 電源電路圖【參考文獻(xiàn)】1 趙凱華,陳仲謀.電磁學(xué)M.北京:高等教育出版社, 2003. 2 武瑛.新型無(wú)接觸供電系統(tǒng)的研究D.中國(guó)科學(xué)院研究生院,2004.3 李榮華.測(cè)定互感器互感系數(shù)的方法J.

12、實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,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.感應(yīng)電能傳輸電力電子及電氣自動(dòng)化的新領(lǐng)域J.電氣傳動(dòng),2001,(2):61-64.（四）結(jié)論本系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)完整，電路簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高，目前作品已成功實(shí)現(xiàn)在11m之外驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二極管正常發(fā)光，系統(tǒng)功耗為1w。當(dāng)然電路還存在一些不足之處，在接下來(lái)的工作中，可通過(guò)高頻寬帶放大器獲得整個(gè)系統(tǒng)的最佳頻

13、率后，再針對(duì)放大器的特定工作頻率和負(fù)載的阻抗設(shè)計(jì)一個(gè)高頻窄 - 34 -欺騙的配置和服務(wù)包括：RPC遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用服務(wù)、任何使用IP地址認(rèn)證的服務(wù)、X Window系統(tǒng)、r服務(wù)阻止IP欺騙攻擊：防止IP欺騙的最有效的措施就是避免使用源地址做認(rèn)證。a.配置網(wǎng)絡(luò)（在路由器上），使其拒絕接收那些聲稱(chēng)是發(fā)自本地地址的數(shù)據(jù)包。b.在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中使用NAT。通過(guò)在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中使用私有IP地址，將使得連接欺騙變得更加困難。c.如果網(wǎng)絡(luò)與外部連接部分使用Linux而網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用Windows或Novell，考慮在防火墻阻斷TCP。即允許外部連接Email服務(wù)器，但內(nèi)部工作站使用基于IPX的連接方式來(lái)收取Email。

14、2）ARP欺騙ARP欺騙是IP欺騙的變形，它利用的也是相同的弱點(diǎn)。在ARP欺騙中，認(rèn)證方式也是基于地址的，不同之處在于ARP依賴于硬件地址。受ARP欺騙中，攻擊者的目的是維持自己的硬件地址不變，而假冒可信主機(jī)的IP地址。為此，攻擊者把偽造的映射信息同時(shí)發(fā)給目標(biāo)主機(jī)和緩沖區(qū)。從此以后，目標(biāo)主機(jī)的數(shù)據(jù)包就被發(fā)送到了攻擊者的硬件地址了，目標(biāo)主機(jī)現(xiàn)在“相信”攻擊者的機(jī)器就是可信主機(jī)。阻止ARP欺騙攻擊：有多種方法可以挫敗ARP欺騙，但最有效的方式是把地址映射表固定下來(lái)。3）DNS欺騙在DNS欺騙中，攻擊者攻破DNS服務(wù)器，顯示修改主機(jī)名-IP地址映射表。他們把這些修改寫(xiě)入DNS服務(wù)器的轉(zhuǎn)換表（上接第2

15、5頁(yè)）構(gòu)成諧振回路。發(fā)光二極管極間電容C=10pF。同時(shí)采用全銅線圈，內(nèi)阻很小。在能量傳輸中，信號(hào)頻率越高，傳輸效果越好，由公式f （10）數(shù)據(jù)庫(kù)中。因此，當(dāng)客戶發(fā)出查詢請(qǐng)求時(shí)，將得到一個(gè)偽造的地址，這個(gè)地址將是完全在攻擊者掌握之下的機(jī)器的IP地址。檢測(cè)和防范DNS欺騙：DNS欺騙的檢測(cè)相當(dāng)容易。如果懷疑一臺(tái)DNS出了問(wèn)題，那么可以查詢網(wǎng)絡(luò)中其他權(quán)威的DNS服務(wù)器。除非受影響的機(jī)器已經(jīng)被攻破異端時(shí)間，否則可以很容易發(fā)現(xiàn)它被欺騙的證據(jù)，其他權(quán)威服務(wù)器的報(bào)告將同被攻破的DNS服務(wù)器的報(bào)告不同。如果被欺騙的服務(wù)器已經(jīng)被攻破一段時(shí)間，那么將不能只依靠查詢來(lái)解決問(wèn)題，偽造的地址主機(jī)名映射表或許已經(jīng)被傳輸

16、到網(wǎng)絡(luò)中其他的DNS服務(wù)器。如果發(fā)現(xiàn)域名解析異常，那么可以使用一個(gè)稱(chēng)為DOC（域名冒犯控制）的腳本工具。DOC是一個(gè)診斷行為異常的域的程序，它發(fā)送請(qǐng)求到相應(yīng)的域名服務(wù)器并對(duì)這些請(qǐng)求的輸出作出一系列分析?？傊琇inux提供了自由的技術(shù)、無(wú)盡的發(fā)展空間、完善的網(wǎng)絡(luò)以及精確的計(jì)算功能。然而，作為一個(gè)Linux用戶，也需要了解Linux操作系統(tǒng)的安全技術(shù)，了解相關(guān)的攻擊和欺騙，并做好安全防范，并了解一些防范工具的使用?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 (美)Aron Hsiao.Linux 系統(tǒng)安全基礎(chǔ)M.史興華,譯. 北京:人民郵電出版社.2 (美)Brian Hatch,James Loo.LINUX黑客大暴光 Linux安全機(jī)密與解決方案(第2版)M.王一川,譯.北京:清華大學(xué)出版社.3 (美)Anonymous John Ray.Linux 安全最大化(第二版) M.汪輝,張冕洲,等譯. 北京:電子工業(yè)出版社.帶放大器，用于提高放大器的發(fā)射效率。例如戊類(lèi)放大器，理論上，其效率可以接近100%?；诼菪炀€的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作者：馮燕仿， 陳偉健， 李國(guó)雄， 黃國(guó)鈿，