微波无线电能传输与通信系统的研究探讨

微波无线电能传输与通信系统的研究探讨

罗习伟

（湖北赢在起点企业管理有限公司东莞分公司523000）

摘要：加强微波无线电能传输与通信系统的深入研究，有利于优化系统的组成结构，完善各种数据无线通信设备的服务功能，促使双向无线通信能够有效地应用于控制信号及设备数据处理过程中。同时，具体的过程中应充分考虑到系统指标的要求，增强微波无线电传输与通信系统设计方案的适用性。

前言

微波无线电能传输与通信系抚的分析研究以及系统的硬件实现和调试。该系统可为工业现场数据采集设备、数据无线通信设备提供无线电能，同时实现控制信号和现场设备数据之间的双向无线通信。由于目前工业现场设备线缆众多，实施本系统可以大大减少数据线，甚至电源线。本系统的设计方案始终围绕着能量的无线传输与数据的无线通信两个方面结合来考虑。

1微波无线电能传输及无线通信的相关内容

能量的有效转换及传输，确保了微波无线电能的传输。结合现阶段微波无线电能传输的实际状况，可知其在应用的过程中取得了良好的作用效果。这种传输方式简称为WPT，具有这些方面的特点：

1）不同消耗点之间的能量传输中所依赖的系统无质量；

2）传输过程中的波长较长时，实际的能耗低；

3）采用了光速传输能量方式；

4）能量传输效率高，不会受到地球引力差的明显影响；

5）处于微波波段进行能量传输时，其中的换能器重量轻，优化了传输方式。

同时，微波无线电能传输采用了无线电能传输空间传播理论，通过对发射天线、直流与微波之间的转换、空间传输的有效控制，实现了无线电能传输中不同组成部分的有效匹配。其中，接收端微波照射功率密度计算得出：

式中：所求的接收端微波功率密度用Pd表示；发射总功率用Pt表示；发射天线孔径用At表示；博城用λ表示；D表示间距。通信系统研究的过程中需要对无线通信的相关内容有着必要地了解。其具体表现在：

1）信号传输采用不同的传输途径时，都会受到不同程度的衰减影响，需要结合无线信道的随机性特点，构建可靠的参考模型进行分析；

2）加强对噪声理论的深入理解，确保信号传输中的热噪声、散射噪声等可以得到有效的处理；

3）明确调制过程中差错率与信噪比之间的关系，确保信号在通信系统中的正常传输。同时，需要对信道编码有着一定的了解，加强对传输过程中误码率的严格把控。

2微波无线电能传输与通信系统的设计要点分析

2.1无线通信收发机的设计要点

微波无线电能传输主要包括了能量的转换和传输两部分，整个能量传输过程中涉及的都是大功率信号，与一般的无线通信收发系统相比，具有自己的独特性。系统的正常运行需要保证接收机与发射机处于稳定、高效的工作状态。无线通信收发机的设计要点包括：

1）充分地考虑系统运行环境、工作频段、所需调制方式等，设置有效设备性能指标；

2）设计中需要保证不同构件物理方面的可实现性，并对设备的性能可靠性进行综合地评估；3）当不同构件的集成电路设置完成后，需要对整机的性能指标进行有效地分析，确保无线通信收发机设计的合理科学性。

2.2无线传输的衰减特性

无线信号在空中以电磁波的形式传播。电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归结为反射，绕射和散射。这就使得发射端的发射信号会通过不同途径到达接收端，这就是所谓的多径效应。接收端接收到的信号是不同途径信号的总和，它们之间存在相移。同时，虽然不同途径传播的信号的衰减不同，但是总体上讲，它们均受到较大衰减。对于无线信道衰减特性的估计，首先要建立其数学模型。对传统模型的研究，一方面集中于给定范围内平均接受场强的预测，另一方面集中于特定位置附近场强的变化。前者描述发射机和接收机之间长距离上（几百米至几千米）场强的变化，称为大尺度传播模型!201；后者描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收场强的快速波动的传播模型，称为小尺度衰减模型。对于无线信道而言，一方面，无线信号在其中以电磁波的形式传播；另一方面，无线信道的传播特性具有随机性。所以在其数学模型的建立中，首先对信号的处理形式是以波的形式进行处理；其次，要反映信道特性的统计特性。

2.3系统软件的设计流程

通过对单片机及自动化控制技术的合理运用，有利于优化微波无线供电与通信系统的服务功能，保证了数字信号的正常传输。增强系统实际的应用效果，需要注重系统软件设计流程的分析。具体表现在：

1）加强软件时序的必要控制。

当中频芯片从接收状态到发射状态时，将会有1ms的最大延时，为了保持输入数据能够准确的被芯片所识别，在TXEN信号由0变成1也即提示系统为传输状态时，需要有1ms的等待时间，等芯片从接收状态过渡到发射状态并稳定下来以后才由DIN输入数据。同时，需要注重其中的加电到发射模式的合理转换，将其中的转换时间控制在合理的范围内，确保软件时序控制的有效性；

2）发送端软件流程设计的过程中，需要运用流程框图的方式将命令的发送全过程中表示出来，增强其中不同键的实际操作规范性；

3）在设置软件接收端发送流程的过程中，需要明确其中的判断篇、命令、读取发送数据、数据编码当内容，促使接收端软件流程的设计能够达到微波无线电能传输与通信系统的设计要求。

2.4系统硬件的设计要点分析

结合微波无线电能传输和通信系统的实际要求，需要明确系统的硬件部分设计要点，增强其中不同模块的设计合理性。具体表现在：

1）注重硬件部分的中频芯片外围电路的设计合理性。选用可靠的芯片，结合FSK调制解调技术的优势，实现对系统发射功率的实时调整，确保其中的最大发射功率可以满足系统正常运行的要求。其中，选择差分天线时应加强PCB天线的有效利用，减少设计成本的同时降低系统能耗。

2）选择可靠的输出匹配网络。由于选择的芯片工作中采用的输出方式时双差分天线输出方式，因此，需要选择匹配效果良好的转换网络，确保信号的正常输出。同时，该部分设计过程中应注重调节偏压电阻的设置，实现对输出功率的实时条件，从而对发射电流及电压的设置合理性做出合理的评价。

3）优化共用晶振结构。在构建性能可靠的晶振结构时，应重点考虑晶振并联谐振频率、等效电容和等效电阻等，并将共用晶振的连接方式运用与单片机与相关芯片的连接过程中，优化硬件电路设计。在系统硬件实现的过程中，需要确保射频模块硬件、单片机与中频模块硬件的实现。其中，射频模块硬件实现的过程中，应保证控制信号在经过调制后能够通过发射天线及时地发送到接收模块，并在混频器的作用下提取出中频信号；单片机与中频模块设计实现的过程中，应保证经过单片机的控制信号经过编码调制后可以及时地送到差分转换匹配网络，结合变频混频器的作用，将信号送到指定的位置。

3结语

通过对系统方案的制定与分析，说明了微波无线电能传输与通信系统研究中构建实验模型的重要性。实验模型支持的分析过程中通过对衰减器的合理运用，为系统模块载波功率的输出有效性综合评估提供了可靠的参考依据。同时，由于不同控制信号作用的调制方式对于系统控制方案的制定合理性有着一定的影响，因此，未来研究工作中需要加强对数据通信系统的合理运用，并选用能耗更低的通信芯片，实现对系统中接收模块性能的不断优化。微波无线电能传输与通信系统的设计要求是为工业现场数据采集设备提供无线电能，同时实现控制信号和现场设备数据之间的双向无线通信。系统的设计方案始终围绕着能量的无线传输与控制信号和现场设备数据之间的双向无线通信两个方面结合来考虑。

参考文献：

[1]约翰.G.普罗克斯，马苏德.萨勒赫著，西安交通大学出版社，2015。

[2]清华大学《微带电路》编写组.尉带后跨人民邮电出版社，1976.

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