摘 要

无线携能通信技术(SWIPT)是无线能量传输技术(WPT)与无线信息传输技术(WIT)相融合的产物。区别于传统无线通信技术，无线携能通信技术期望在进行高效率能量传输的同时，尽可能的实现高速率和高可靠的信息传输，为解决能量和信息的并行传输提供了可能。

本文首先从理论上阐述了无线携能通信技术的传输机理，根据磁互感耦合电路中能量转换的原理，选择并论证了传输方案，构建出了基于双线圈磁耦合谐振结构的无线携能通信系统模型。其次，本文从兼顾能量传输效率和信息传输性能角度，分析了该系统模型电路参数设计影响因素，给出相应的设计方案，并提出一种简易的ASK信号解调方案，很好的还原出了原始信号。

最后，我们使用多技术、多领域系统仿真软件Saber搭建出了所设计的系统模型，对所提出的系统方案和电路参数设计方法进行验证，并根据仿真结果对系统模型进行了修正与改进。仿真结果显示，当信息传输速率为2kbit/s时，能量传输效率为83.21% 。实验结果充分验证了本文所设计的基于磁耦合谐振的无线携能通信系统模型的可行性与正确性。

关键词：无线携能通信；磁耦合谐振；ASK；Saber

Abstract

The Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) is a product of Wireless Power Transfer (WPT) and Wireless Information Transmission (WIT). Different from traditional wireless communication technology, SWIPT is expected to achieve high-speed and high-reliability information transmission while performing high-efficiency energy transmission, which provides a possibility to solve the parallel transmission of energy and information.

This paper firstly expounds the transmission mechanism of SWIPT technology. According to the principle of energy conversion in the magnetic mutual inductance coupling circuit, the transmission scheme is selected and demonstrated, and the SWIPT based on the double-coil magnetic coupling resonance structure is constructed.

Then, from the perspective of energy transmission efficiency and information transmission performance, this paper analyzes the influencing factors of the circuit model design of the system model, gives the corresponding design scheme, and proposes a simple ASK signal demodulation scheme, which makes original signal well restored.

Finally, we use the multi-technology, multi-domain system simulation software Saber to build the designed system model, verify the proposed system scheme and circuit parameter design method, and modify and improve the model based on the experimental results. The simulation results show that when the information transmission rate is 2kbit/s, the energy transmission efficiency is 83.21%. The experimental results verify the feasibility and correctness of the SWIPT system model based on magnetic coupling resonant structure.

Key Words：SWIPT；magnetic coupling resonance；ASK；Saber

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 无线能量传输技术研究现状 2

1.2.2 无线携能通信技术研究现状 3

1.3 论文的主要内容 4

第2章 基于磁耦合谐振的无线携能通信系统分析 6

2.1 磁耦合谐振式无线能量传输技术的模型分析 6

2.1.1 谐振电路模型 6

2.1.2 磁耦合谐振式无线能量传输等效电路模型 7

2.1.3 磁耦合谐振式无线能量传输特性分析 9

2.2 磁耦合谐振式无线信息与能量同步传输技术 10

2.2.1主流的无线信息与能量同步传输方案 10

2.2.2 主流传输方案存在的问题 12

2.3 无线信息与能量同步传输方案的设计 13

第3章 无线携能通信系统的硬件设计 15

3.1 无线发射模块的设计 15

3.1.1 E类功率放大电路简介 15

3.1.2 E类功率放大电路设计 16

3.1.3 受控直流电压源的设计 17

3.2 无线接收模块的设计 19

3.2.1 桥式全波整流电路 19

3.2.2 电压比较电路 21

第4章 无线携能通信系统的仿真 23

4.1 Saber仿真软件简介 23

4.1.1 Saber仿真软件特点 23

4.1.2 Saber仿真软件的应用 24

4.2 系统的仿真测试 25

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着现代社会的快速发展，多平台、跨学科的整合已成为技术创新的主要趋势和产业进步的源泉。然而，对于人类来说的重要资源（如能源、水和无线电频谱等）却越来越稀缺。因此，整合现有的能源技术和通信技术的成果，不断创新，做到不仅可以满足人们对高速可靠的信息交互的需求，又能够有效地应对能源和频谱短缺造成的巨大压力，是目前众多学者与研究人员努力的一个方向。无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)就在这样的社会需求背景下便应运而生。