过金属壁超声耦合无线能量传输系统阻抗匹配技术研究

摘要

为了适应高温、高压、放射性、剧毒等特殊工作环境，现代装备广泛采用密闭金属结构，在密闭金属结构内部又往往安装有传感器和微控制器以监测内部状态。为了确保这些传感器和微控制器持续正常工作，需采用无线供能技术为其提供能源。目前，最常用的无线供能技术是电磁感应式，但由于金属电磁屏蔽效应的影响，以电磁波作为能量传输介质的无线能量传输方案不可行。而基于超声耦合的压电声透方法，能有效克服这个障碍，透过金属壁进行无线能量传输。本文通过建立过金属壁超声耦合无线能量传输系统的双端口网络模型研究了系统的阻抗匹配技术，结合声电类比实现了从电源到负载的系统等效电路仿真分析，并通过搭建过金属壁超声耦合无线能量传输系统的试验平台，对系统的阻抗匹配技术进行了研究与分析。
　　主要内容如下：
　　（1）概述了过金属壁超声耦合无线能量传输系统的工作原理和组成部分，根据系统端口处的输入、输出参数建立了系统等效双端口网络模型，并定义了系统功率增益的两个重要概念：端口功率增益和传输功率增益，结合功率波概念对整个系统从电源到负载进行了描述，为系统阻抗匹配方案的设计提供了理论依据。
　　（2）利用功率波描述了系统的双端口网络模型，并得到了系统双端口同时共轭阻抗匹配的匹配条件。对比集总参数元件匹配网络和传输线匹配网络，分析两种方法的优缺点，设计了针对实际系统的阻抗匹配网络。
　　（3）结合声电类比分析建立了系统从电源到负载的等效电路模型，利用Multisim10.0软件对得到的等效电路模型进行了仿真分析，改变金属壁厚度、负载阻抗等模型参数，比较加入匹配网络前后的系统传输功率增益变化，对本文提出的阻抗匹配方法的可行性进行验证。
　　（4）构建了过金属壁超声耦合无线能量传输系统的试验平台，对系统的阻抗匹配技术进行了实验研究。在单一声电传输通道时，改变负载阻抗大小，利用所提出的双端口同时共轭阻抗匹配网络对系统进行了阻抗匹配实验，比较了系统阻抗匹配前后传输功率增益的变化，并将实验结果与仿真结果进行了对比分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 过金属壁超声耦合无线能量传输技术的研究现状

1.3 论文的研究思路及内容安排

第二章 过金属壁超声耦合无线能量传输系统双端口网络建模与特性分析

2.1 过金属壁超声耦合无线能量传输系统机理分析

2.2 系统双端口网络建模与分析

2.3 基于散射参数法的系统建模与分析

2.4 过金属壁超声耦合无线能量传输系统的功率增益

2.5 本章小结

第三章 过金属壁超声耦合无线能量传输系统阻抗匹配方法研究与方案设计

3.1 过金属壁超声耦合无线能量传输系统阻抗匹配原理

3.2 系统阻抗匹配的实现方法

3.3 系统阻抗匹配网络参数计算

3.4 本章小结

第四章 过金属壁超声耦合无线能量传输系统阻抗匹配技术的等效电路仿真

4.1 声电传输通道的构建

4.2 仿真模型构建与参数设置

4.3 不同金属壁厚度时系统的阻抗匹配仿真

4.4 不同负载阻抗时系统的阻抗匹配仿真

4.6 本章小结

第五章 过金属壁超声耦合无线能量传输系统阻抗匹配技术的实验研究

5.1 实验系统搭建

5.2 系统阻抗匹配技术的实验分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果