1、基于螺旋天線的無線能量傳輸系統的設計馮燕仿，陳偉健，李國雄，黃國鈿，曾華清（廣東工業大學華立學院，廣東 廣州 511325）【摘 要】無線能量傳輸系統由穩壓電源、高頻信號發生器、功率放大器、螺旋式發射天線和螺旋式接收天線五部分構成。功率放大器將高頻信號發生器產生的5.68MHz信號放大后，通過螺旋式發射天線，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，發射的能量集中，有利于提高系統傳輸效率。系統工作于遠區場，實現了能量的遠距離傳輸。已成功實現在11m以外驅動紅色發光二極管正常發光，系統功耗為1w。【關鍵詞】磁耦合共振；螺旋天線；無線傳輸 【中圖分類號】TN823+.31 【

2、文獻標識碼】A 【文章編號】1008-1151(2009)08-0024-02其中UP為加在發射天線的等效交流電源，其頻率為，傳統的接觸式能量傳輸系統主要通過導線進行能量傳RP和RS分別為發射天線和接收天線的等效內阻，LP和Ls分別輸。在傳輸能量的過程中，由于插頭與插座的接觸摩擦而產表示兩個天線的電感量，M為互感系數，RL為紅色發光二極生火花，這樣在有些場所（如石油、化工企業）就很容易產管的等效電阻。 生危險，甚至引起爆炸，對企業和人身造成重大傷害。有時，對電路列KVL方程 需要對封閉容器內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，當電量耗盡時，將封閉容器IPRP+IPj

3、LP+IP/(jCP)jMIP=UP（1） 打開更換電池是非常麻煩的事情，有時也是不允許的。在醫學方面，人體機器人因為體積小，其面臨的最大的難題就是ISRS+ISjLS+IS/(jCS)+ISRL=jMIP能量供給問題。尤其是在太空研究方面，能量是一個大難題。 （2）隨著電力電子技術、電磁學理論、磁性材料的巨大發展，該系統的工作頻率應該是副邊的諧振頻率 利用電磁感應原理而發展起來的新型無接觸供電技術已經在=0=醫學生物裝置、小型電氣充電設備、特殊環境工作下的移動 （3）設備供電等等方面嶄露頭角。但這些裝置都只能實現近距離的無線能量傳輸。鑒于這些情況，我們設計制作一個基于螺旋天線的無線能量傳輸系

4、統，利用磁耦合共振原理實現了能量遠距離、高效率的傳輸。（一）無線能量系統傳輸的原理 當線圈處于變化的磁場中時，線圈中就會有感應電動勢產生，感應電動勢的大小和線圈磁場變化的速率成正比。變壓器就是基于這一原理工作的，它通過交變磁場把電源輸出的能量傳送到負載。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 無線能量傳輸系統等效圖將其代入（1）式和（2）式中，經整理可得 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受副邊的電路負載的影響，其反射

5、阻抗的表示式為圖1 變壓器結構圖本文提出的無線供電原理與變壓器類似，但與一般變壓器不同的是，它的原邊和副邊是分離的，沒有任何物理上的連接接觸，通過電磁場感應的基本原理，以輻射性諧振磁耦合的方式，將電能通過無線傳送的方式傳輸給負載。Zf=jMIS=Rf+jXfIP（6）它是副邊回路反射到原邊電路中的等效阻抗，其大小直接體現了系統傳輸有功功率的大小。由式（4）和（5）可計算出，當=0時，Rf=2M2RS+RL，Xf=0。（二）無線能量傳輸系統效率分析初步構想無線能量傳輸系統，可以等效為如圖2的模型。該系統的能量傳輸效率為副邊負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【作者簡介】馮燕仿（1981），女，廣東工業大學華立學院公共基礎部助教，碩士，研究方向為無線能量傳輸系統的設計。 - 24 -=RfRL Rf+RPRL+RS（7）經計算可得2M2R(2f22=L0)MRLR22=PRL+RS+0MRL+RSRPRL+RS+2f0M2RL+RS （8）由式（8）可以看出，系統的能量傳輸效率隨著系統工作頻率f0、負載電阻RL以及發射線圈和接收線圈之間的互感系數 M的增大而增大，隨著發射天線等效內阻 RP和接收天線等效內阻RS的增大而減小。由于該系統的負載是發光二極管，它的內阻是確定的，當發射天線和接收天線繞好后，它們的內阻也是確定的。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這兩方面考慮。（三）無線能量傳輸系統各功能模塊分析1.無線能量傳輸系統框圖本方案的系統框圖如圖3所示。接收天線在變化磁場中將產生感應電動勢，此接收到的信號為高頻交變信號，并不適合一般電器的正常工作條件，因此，需經過整流濾波后才能給負載（用電器）供電。由于本次實驗中只點亮一只發光二極管，因此不整流，本論文中將不對整流部分進行詳細闡述。圖3 無線能量傳輸系統框圖2.高頻信號發生器模塊因為需要測量系統在各個頻率中的特性，所以要求高頻信號發生器模塊能夠產生范圍很寬的連續可調頻率，并且能為接收天線創造精度高、穩定好、漂移小的頻率。而品質因數高是能量的接收能力強的關鍵，這就要求

8、接收天線具有很高的品質因數Q，這同時會帶來了很強的選頻特性，因此，要求高頻信號發生器不但可調，還要有很好的穩定性。本設計運用芯片MAX038構成高頻信號發生器。MAX038具有范圍很寬的連續可調頻率，最高可達200MHz，并且輸出頻率相當穩定，能產生三角波、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，因此本設計由MAX038產生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線能量傳輸中，為了獲得大功率的高頻信號，驅動負載線圈，須采用高頻功率放大器。為了能對高頻信號發生器產生的各個頻率能有很好的放大線性，要求放大器為一個高

9、頻寬帶放大器。本設計的高頻寬帶放大器共兩級放大：前級為電壓放大，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，失真比較小；第二級為功率放大，采用PNP晶體管構成的共發射級電路，其輸出電阻小，有較好的負載能力，可作為恒壓源。高頻寬帶放大器總電路圖如圖5所示。圖6為高頻信號發生器寬帶放大器實物圖。圖5 高頻寬帶放大器電路圖6 高頻信號發生器及寬帶放大器電路實物圖 4.發射天線模塊基于本設計的原理，發射線圈是為了產生一個變化的磁場，螺旋天線比拉桿天線更容易產生一個磁場，所以本設計采用螺旋發射天線。螺旋發射天線示意圖如圖7所示。其中，線圈直徑D=75cm

10、，線徑d=0.15cm，匝間距S=2cm，匝數N=5。因此，發射天線輸入阻抗Zin=3k，電感L=48.8H。圖7 發射天線示意圖5.接收天線模塊接收天線模塊是一個諧振回路。當并聯諧振回路品質因數Q值越大，系統的傳輸效率越大。由公式：Q （9）可知，線圈內阻越小，感抗越大，回路電容越小，品質因數Q值就越大。針對本次比賽題目的要求，負載為一個發光二極管。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（下轉第34頁）- 25 -可知，感抗越小，信號頻率越高。基于品質因素和信號頻率兩方面的考慮，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N=5作為接收線圈，線圈感抗L=48.8H。6.電源模塊針對本系統的需要，設計一個簡單、穩定，和便宜的電源。7805和7905穩壓好，電路非常簡單，具有過熱過流保護，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，精度高，穩壓好，電路簡單，負載能力強，最大輸出電流為1.5A，還擁有過熱過流保護，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】1 趙凱華,陳仲謀.電磁學M.北京:高等教育出版社, 2003. 2 武瑛.新型無接觸供電系統的研究D.中國科學院研究生院,2004.3 李榮華.測定互感器互感系數的方法J.

12、實驗技術與管理,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.感應電能傳輸電力電子及電氣自動化的新領域J.電氣傳動,2001,(2):61-64.（四）結論本系統電路結構完整，電路簡單，性價比較高，目前作品已成功實現在11m之外驅動紅色發光二極管正常發光，系統功耗為1w。當然電路還存在一些不足之處，在接下來的工作中，可通過高頻寬帶放大器獲得整個系統的最佳頻

13、率后，再針對放大器的特定工作頻率和負載的阻抗設計一個高頻窄 - 34 -欺騙的配置和服務包括：RPC遠程過程調用服務、任何使用IP地址認證的服務、X Window系統、r服務阻止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證。a.配置網絡（在路由器上），使其拒絕接收那些聲稱是發自本地地址的數據包。b.在內部網絡中使用NAT。通過在內部網絡中使用私有IP地址，將使得連接欺騙變得更加困難。c.如果網絡與外部連接部分使用Linux而網絡內部使用Windows或Novell，考慮在防火墻阻斷TCP。即允許外部連接Email服務器，但內部工作站使用基于IPX的連接方式來收取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。在ARP欺騙中，認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，而假冒可信主機的IP地址。為此，攻擊者把偽造的映射信息同時發給目標主機和緩沖區。從此以后，目標主機的數據包就被發送到了攻擊者的硬件地址了，目標主機現在“相信”攻擊者的機器就是可信主機。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。3）DNS欺騙在DNS欺騙中，攻擊者攻破DNS服務器，顯示修改主機名-IP地址映射表。他們把這些修改寫入DNS服務器的轉換表（上接第2

15、5頁）構成諧振回路。發光二極管極間電容C=10pF。同時采用全銅線圈，內阻很小。在能量傳輸中，信號頻率越高，傳輸效果越好，由公式f （10）數據庫中。因此，當客戶發出查詢請求時，將得到一個偽造的地址，這個地址將是完全在攻擊者掌握之下的機器的IP地址。檢測和防范DNS欺騙：DNS欺騙的檢測相當容易。如果懷疑一臺DNS出了問題，那么可以查詢網絡中其他權威的DNS服務器。除非受影響的機器已經被攻破異端時間，否則可以很容易發現它被欺騙的證據，其他權威服務器的報告將同被攻破的DNS服務器的報告不同。如果被欺騙的服務器已經被攻破一段時間，那么將不能只依靠查詢來解決問題，偽造的地址主機名映射表或許已經被傳輸

16、到網絡中其他的DNS服務器。如果發現域名解析異常，那么可以使用一個稱為DOC（域名冒犯控制）的腳本工具。DOC是一個診斷行為異常的域的程序，它發送請求到相應的域名服務器并對這些請求的輸出作出一系列分析。總之，Linux提供了自由的技術、無盡的發展空間、完善的網絡以及精確的計算功能。然而，作為一個Linux用戶，也需要了解Linux操作系統的安全技術，了解相關的攻擊和欺騙，并做好安全防范，并了解一些防范工具的使用。【參考文獻】1 (美)Aron Hsiao.Linux 系統安全基礎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安全機密與解決方案(第2版)M.王一川,譯.北京:清華大學出版社.3 (美)Anonymous John Ray.Linux 安全最大化(第二版) M.汪輝,張冕洲,等譯. 北京:電子工業出版社.帶放大器，用于提高放大器的發射效率。例如戊類放大器，理論上，其效率可以接近100%。基于螺旋天線的無線能量傳輸系統的設計作者：馮燕仿， 陳偉健， 李國雄， 黃國鈿，