电力线传输特性（精选9篇）
电力线传输特性 第1篇
低压电力线通信通过低压配电网通信, 不需要另外铺设通信线路, 任何有电的地方都可以通信, 广泛应用于远程抄表、智能家居、保安监控等领域[1,2,3]。煤矿井下环境恶劣, 影响煤矿井下低压电力线信号传输的因素与地面大不相同, 其中信号衰减是影响煤矿井下低压电力线信号传输的一个重要因素。本文主要研究在1~30 MHz通频带内的煤矿井下低压电力线信道的传输衰减特性, 并建立煤矿井下低压电力线信号传输衰减模型。
1 信号传输衰减的定义
信号传输衰减是指信号在发送端通过耦合电路传输到低压电力线网络后, 在接收端所得到的信号电压与信号输入电压的比值[4]:
式中:Gattenuation为衰减幅度, dB;Uo为接收端信号的电压, V;Ui为发送端信号的电压, V。
2 煤矿井下低压电力线信道传输特性测试
在煤矿井下选取长度为5、20、30m的3条路径作为测试对象, 分别记为路径A、路径B、路径C, 测试平台结构如图1所示。
信号发生器产生的输入信号为10V, 频率为从1~30 MHz均匀分布的30个离散点, 接收端用示波器测得输出信号, 并存储于PC中。输入、输出信号经式 (1) 运算, 再通过Matlab函数拟合, 得到如图2所示的衰减特性曲线。
从图2可看出, 信号的衰减随着传输距离的增加而增加, 随着频率的改变而改变, 并且伴随着一定的选择性衰落。
3 串联谐振电路模型
低压电力线网络的分支较多, 信号在低压电力线网络中传输存在严重的多径效应。在地面环境下, 大多都是以多径传输模型作为研究对象[5]。但煤矿井下低压电力线网络拓扑结构相当复杂, 使得多径传输模型的构建需要很大的计算量及很强的优化算法, 难以准确预测整个网络的传输函数, 而且随着采煤工作面的加深, 低压电力线网络的拓扑结构也会不断变化。因此, 多径传输模型已难以适用于井下低压电力线的信道建模[6]。
由图2可知, 信号衰减特性曲线由一条条凹线连接而成, 可以将每一条凹线看成是信道阻抗频率出现谐振现象形成的。而信道阻抗可以看成是由电阻R、电容C、电感L组成的谐振电路构成的。在现实应用中, 很多用电设备的输入部分存在抗干扰电容, 而且每个设备占用一条进线, 使得线路负载之间相互隔离、互不影响, 所以低压电力线信道可以看成是串联谐振电路 (Series Resonant Circuit, SRC) [7]。
图3为与低压电力线相连的串联谐振电路, 其中Z为低压电力线阻抗。
由图3可得到随频率f变化的串联谐振电路的阻抗ZS为
则传输函数H (f) 为
谐振频率fres为
图4为传输函数H (f) 的幅频特性曲线, 低频和高频时的幅值为1, 凹点是谐振频率点, 凹陷的深度取决于电阻R和电力线阻抗Z。Δf为截止频率与谐振频率差的绝对值。
串联谐振电路的品质因数Q用公式表示为
因此, 低压电力线串联谐振电路模型可以表示成N个串联的谐振电路的级联, 如图5所示。
用Hi (f) 表示第i个串联谐振电路的传输函数, 则整个模型的传输函数H (f) 可表示为
低压电力线阻抗对模型传输函数的宽度起作用, 在此取Z=50Ω。
4 串联谐振电路模型仿真
以路径B的测试结果为例, 对串联谐振电路模型进行仿真。由路径B的传输特性曲线可看出, 凹点所在的频率值分别为6、13、19、25 MHz, 那么求得的串联谐振电路参数见表1。
对4阶串联谐振电路进行仿真, 得到如图6所示的曲线。
根据图6可求出4阶串联谐振电路模型的相关系数r=0.90, 均方根误差RMSE=1.75, 模型仿真曲线与实测曲线重合度较高。为了更好地评估模型阶数对相关系数和均方根误差的影响, 图7给出了从2阶模型到12阶模型两者的变化情况。
从图7可看出, 随着阶数的增加, 相关系数逐渐增大, 均方根误差逐渐减小, 说明路径越多, 建模仿真曲线与实际曲线重合的越好。可见, 串联谐振电路模型可以很好地反映煤矿井下低压电力线信道传输特性。
5 结语
鉴于煤矿井下特殊的通信环境, 对井下低压电力线信道进行了测量, 并采用串联谐振电路进行建模仿真。仿真结果与实际测量的信号衰减曲线大体一致, 随着信道路径的增多, 仿真曲线愈加逼近实际曲线。
参考文献
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[5]张辉敏, 吴青, 宋健, 等.利用多径模型对中压电力线传输特性建模[J].电力系统通信, 2008, 29 (190) :22-25.
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电力传输简介 第2篇
电力传输在电力系统内叫电网，即电源点（水电站、火电站、核电站、风力发电站、太阳能发电站、地热发电站、垃圾发电站、生物能发电站等）和用户（居民、工厂、矿山等）之间的连接单元。电网总的来说分为输电线路、变电站、换流站、开关站几个单元，输电线路是连接变电站、换流站、开关站的网络，简单的说变电站、换流站、开关站相当于自来水公司的加压站和储水池，输电线路则相当于各种尺寸自来水管，对用户和自来水公司发电单位电源点都十分重要。输电线路按电压等级分类，110kV以下线路一般丘陵及平地主要采用水泥杆，220kV及以上线路采用铁塔。110kV和35kV线路在大山区大多采用铁塔以保证线路安全运行。10kV及以下线路基本采用水泥杆。
变电站、开关站是交流线路上使用的，主要作用是进行电压电流转换，如110Kv线路上的电要送到用户居民家就必须要通过变电站先将其降压为35Kv,再通过35kv线路送到35kv的变电站转换为10kv，再通过10kv线路送到10kv的变压器转换为220v的民用电到居民家中。
换流站是进行交流电和直流转换的，一般用在网络中间，不出现在电源侧或用户侧。
电力设计施工资质，设计资质按甲乙丙丁戊己进行分级，甲级为最高等级，甲级资质可以进行电力系统内所有等级电网的设计，乙级资质可以进行220kv及以下等级的电网设计。施工资质按一二三四五六
通信传输中信号衰耗特性及解决方法 第3篇
关键词 通信传输；信号衰耗；特性；解决方法
中图分类号 TN 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0095-01
随着现代信息产业的不断发展，通信传输中的信号传输质量已经受到越来越多的关注和重视。通信传输在发展日益迅速的今天也不可避免的存在和面临着一些技术问题。对信号传输的质量产生最大影响的则是信号的衰耗。通信传输中的信号强度衰耗是通信传输的一个重要特性，也是一个不可避免的问题。通信传输过程中信号衰耗的特性会直接决定通信缆线的中继距离和通信系统的升级扩容，也会对信号传输的质量与效率造成影响。通常情况下，通信的信号衰耗主要包括线路的几何缺陷、散射衰耗、吸收衰耗、弯曲衰耗等。通常情况下，将所有的衰耗划分为本征衰耗、制造衰耗和附加衰耗三类。这几种类型衰耗虽然产生的原因不同，但是造成了相同的效果，都对信号传输的质量与效率产生负面影响。其中，本征衰耗和制造衰耗是在通信线路在生产过程中产生的，也是不可避免和难以进行人为控制的。这类衰耗主要是由于线缆本身的一些特性造成的。线缆在拉制及成缆的过程中会受到各种因素的影响，加之其自身的物理特性、几何特性及生产工艺等共同作用会导致信号传输过程中的信号衰耗。附加衰耗与其他几种衰耗的不同之处在于具有相对较高的可控性，引起这一衰耗的因素是通信线路的一系列固定接头。因此，为了控制附加衰耗可以通过提高通信线路的接续质量进行有效控制。
1 通信传输过程中信号衰耗的基本特性和基本成因分析
在通信传输的过程中最为常见的材料是光纤，其具有的显著优点是具有传输稳定性和可靠性，并且不会受到传输距离较为明显的影响。但是，其弊端便是传输过程中引起的衰耗较为严重，对信号的传输质量与效益产生较为严重的影响。
1.1 材料本身所引起的衰耗
光纤的固有衰耗主要是由于原材料以及断面和接续等因素造成的。信号传输模场的直径不同会产生诸如芯径失配、截面不圆等严重影响信号传输质量和引起信号衰耗的因素。另外一种因素是线缆之间的接头处容易产生衰耗，此类衰耗产生的主要原因是线缆在连接处的接触不够紧密导致接触不良、或者是由于线缆质量存在问题引起的，还有一种不可忽视的因素便是操作环境或者线缆本身因素引起线缆接头处不清洁。同时，轴向错位、轴心倾斜、断面分离、光纤端面不完整等所引起线缆的溶解衰耗也是导致信号衰耗的重要原因。信号衰耗的人为因素则主要体现在施工工艺和流程，以及工作人员的操作步骤、操作水平上。包括工作环境的清洁度在内的环境因素也是一个不可忽视的因素，熔接参数等也应该引起重视。
1.2 外界非持续性衰耗的原因
如果通信线缆发生弯折，其曲率直径超过一定范围会引起衰耗增大，但是当处于某一特定值时却并不会造成信号衰耗。实践证明，线缆的弯曲半径和线芯直径之间的可比性是影响到光纤的传输特性的主要因素。当信号传输过程中的传导模被大量转化成为辐射模时无法继续进行信号传输，这是由于辐射膜进入包层被包层和涂覆层吸收所引起附加衰耗导致的。线缆由于弯曲所产生的信号衰耗分为几种不同类型，主要为微弯曲衰耗和宏弯曲衰耗两种，划分的依据是弯曲发生的原因不同。微弯曲衰耗产生的主要原因是，光纤成缆的过程中，支撑表面所引发的应力不均匀形成的随机微弯。敷设光缆时，各处的张力不均匀所形成的微弯。包层和纤芯的分界面由于不光滑所产生的微弯。光纤受度的影响热胀冷缩所形成的微弯。宏弯曲衰耗产生的主要原因是：敷设与路由转弯中的弯曲：各种预留（自然弯曲、拿弯、预留圈等）所造成的弯曲。
2 通信传输中信号衰耗的解决方法与措施
2.1 减少非持续衰耗
由于传输线缆的原始条件从较大程度上影响着信号传输的质量，因此应该着力于尽可能的改善线缆在投入使用之前的筛选工作。筛选的主要内容包括线缆的型号、生产批次以及厂家等信息，这是缩小通信传输线缆差异性的重要措施。
线缆的接续也是一个重要的步骤，应该由专业的人员进行操作，选择经验丰富的人员进行断面接续与测试。断面接续的质量直接影响到连续衰耗的程度，因此工作人员应该按照严格的技术标准和工艺流程严格把好接头质量，控制接头衰耗。在熔接的过程中使用光时域反射仪时刻监测，达不到检测标准的需要重新熔接光纤接续工艺中最为主要的是断面接续，这是影响到信号衰耗程度要原因。
优质端面的判断标准如下，断面与轴线垂直、平整、无缺损、无毛刺。为了保证断面的质量应该注意工具的选择，在断面过程中使用优质的切割刀，保持正确的操作手法。对于裸线的切割更加应该注意工艺与工序，切割与熔接应当紧密衔接，间隔不可过长，在移动的过程中要做到轻拿轻放，避免与其它物件的擦碰而导致光纤端面受损。
2.2 注意操作工艺
在进行接续操作的过程中要保持环境的清洁，做到没有尘埃与污染。如果是出于过于潮湿和灰尘较多的环境应该避免露天作业，需要对断面进行适当的清洁处理以保证连续部位的清洁，接续工具以及材料的清洁。光纤切割完成之后需要进行正确的存放，不可以长时间暴露，尤其注意要避免灰尘以及潮湿环境的侵蚀和影响。如果连续环境的温度过低则需采取升温措施。保证活动接头的耦合紧密和接插良好，防止出现漏光的现象。
另外，在线缆摆放的过程中应该注意摆放的位置与弯曲度。线缆的弯曲度与额定拉力之间存在某种关系，在铺设的过程中应该注意弯曲半径与额定拉力的限制，尽可能的避免扭曲、弯折等现象。将牵引力保持在光缆允许的70%，瞬间的最大牵引力不得超过100%。光缆在转弯时的弯曲半径不得小于光缆外径的20倍。
3 结束语
通信传输为信息时代的发展注入了新的活力，是目前广泛使用的一种信号传输方式，关系到整个国家与社会信息化与数字化的发展前景。在各级各类的通信传输中应该注意线缆的铺设质量，注意信号的传输质量，注意加强对于操作人员的要求和标准，充分分析各种影响因素，不断地开发新的技术与方法，提高线缆的铺设质量、断面与接续质量，尽可能的减少信号衰耗。相关人员应该加强研究，及时地发现影响信号衰耗的主要诱因和信号衰耗的特性，不断地开发端面与接续的新工艺与新手段，将线缆的接续质量对信号衰耗的影响降到最小，高标准严要求的进行施工，以达到信息产业发展对于信号传输更高层次的要求。
参考文献
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关于电力调度数据网传输特性分析 第4篇
近几年,我国信息技术发展迅速,信息技术的发展也带动了整个电力调动数据网的发展,因为电力调动数据网在整个电力系统中发挥着举足轻重的作用,所以国家和相关单位都高度重视电力调动数据网的安全性和可靠性。所以说深入研究电力调动数据网对我们整个国家电力事业的长久发展有重大作用。
2 电力调度数据网中的数据传输模型和结构特征
电力调度数据是有节点与链路组成,节点主要是联网的主计算机或者是控制整个电力的总处理器,链路指的是使两个节点相互联系的线路,一般电路调度数据网在传输数据时都是从高到低。数据传输过程中往往会出现数据包拥塞率的现象,在网络化的时代,网络信息拥塞是非常常见的,一般来讲当网络流量超过了网络自己本身的处理能力时就会出现拥塞。但电力调动数据网络的拥塞与我们平常生活中出现拥塞,其后果要严重得多。如果出现拥塞势必会影响一个地区的电力使用,进而会影响当地居民的正常生活。另一个需要我们注意的方面是信息流向模拟,电力调度数据网的信息流向有非常明显的特点,因为它主要受网络分层以及实际业务类别的影响。信息流向模拟又分为两种:一种是垂直信息流模式,另一种是随机信息流模式。垂直信息流都是从调度命令的核心层发出,直接传输到接入层的厂站,有显著的垂直特点。随机信息流模式,主要体现在与信息技术结合上,在现代社会信息技术被广泛应用在电力行业中,所以许多数据传输都是依靠电力调度数据网实现传输,因为选择性比较大也比较随机所以叫做随机信息流模式。
3 电力调度数据网的传输特性
电力调度数据网络结构是对虚拟网络的有效应用,达到调度网和发电站以及调度中心和变电站的有机互联目标。与此同时,会建立专门的IP地址,设置成专门的通道,进行有效数据传输,近几年,我国电力调度数据网发展速度较快,应用也越来越广泛。电力调度数据网络结构涉及到两种结构的电力调度数据网,一种是星型结构的,另一种是网状结构,这两种结构的构成都是一样的,星型调度数据网是其他几个层次的主要调节点,网状结构其实与星型结构的差别很小,只是在连接方式上会有一定的区别。我国电力行业承载的数据信息量都很大,而且受一些其他因素的制约,会对信息传递产生许多不利的影响,因为大部分信息传递都采取随机信息流模式,这就需要我们对随机信息流模式进行深入研究和分析。随即信息流模式可以得出数据包拥塞率以及节点产数据包概率两者之间的关系,与网状结构和星型结构相比更能有效控制和缓解信息的拥塞,进而提高对信息处理的能力。如果我们对随即信息流模式之上的星型结构和网状结构进行降序分析,我们发现形状结构最大节点数在核心层,而网状结构的最大节点数却并不在此。所以我们就明确了,核心层对整个信息和数据处理的能力远远高于骨干层和接入层,而且在核心层工作可以减少信息拥塞,提高信息传递效率,经过对电力调度数据网的传输特性分析,我们得出结论形状结构的调度数据网能更加有效地处理信息数据。
4 电力调度数据网的维护
我们在明确电力对整个国家和人民生活重要性的同时,也明确了电力调度数据网的特点,但是面对电力调度数据网中出现的问题,需要相关人员定时进行检查与维护,来保证人们的正常生活。首先,提高数据安全技术水平。关于拥塞问题在前面分析时已经指出了解决的办法,对于传输环节中出现的其他问题也会造成数据的不准确,影响人们正常使用。一方面我们可以提高电力系统运行的安全性,另一方面我们可以采取一些先进的网络安全技术,这样就会抵挡大部分网络的恶意攻击,提高电力调度数据网的运行效率。第二,完善电力调度数据网的管理制度。一方面对管理人们的行为要进行严格的培训遵守行业道德,另一方面提高整个管理人员的专业素质,提高工作质量。第三,定时对设备进行维护。电力数据网不同于其他数据网,他不仅影响人们的生活,如果出现意外很有可能会造成很大的损失,所以电力数据网应该采用成熟的技术,定时对设备进行维护,保证其运行的稳定。
5 结语
分析和探讨电力调度数据网传输特性,不仅是一种理论研究,它非常具有现实意义,因为电力是我们生活的必需品,同时也是整个社会继续向前发展的动力。随着科技的进步,电力系统的发展越来越好,面对电力使用过程中存在的问题,结合电力调度数据网的特点,深入研究其传输和维修,为我们带来更好的经济和社会效益。
参考文献
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电力线传输特性 第5篇
无线传感器网络在煤矿安全监测监控系统、灾后救援等应用场合有着不可替代的作用。然而传感器节点自身携带的电池往往无法满足煤矿的长时间工作需求,需要经常更换传感器节点,增加了人力、 物力的开销。为确保无线传感器网络能够有效正常运转,可采用无线电能传输方式对传感器节点进行充电。
2007年,麻省理工学院Marin Soljacic教授的团队利用磁耦合谐振原理在2 m的距离处点亮1盏60 W的灯泡[1],从此掀起了一股研究磁耦合谐振式无线电能传输的高潮。目前对磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究主要围绕单激励线圈与单负载线圈[2,3,4,5],以及增加中继线圈[6]等传输结构,而关于多个激励线圈同时进行电能传输方面少有研究。本文通过在负载线圈两侧增加激励线圈建立了磁耦合谐振式无线电能传输系统,研究了传输功率和传输效率与输入频率、传输距离、负载之间的关系,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性,可为进一步优化磁耦合谐振式无线电能传输系统提供依据。
1系统建模及理论分析
1.1系统拓扑结构
磁耦合谐振式无线电能传输系统结构如图1所示,2个参数相同的激励线圈构成发射系统,并由负载线圈接收能量,且激励线圈回路和负载线圈回路的固有谐振频率相同。当电源输出与激励线圈回路谐振频率相同频率的电压时,线圈之间通过磁耦合谐振进行能量传输。
1.2系统等效电路
磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路如图2所示。其中,Us为电源输入电压; L1,L2,L3分别为激励线圈1、激励线圈2和负载线圈的等效电感; C1,C2分别为激励线圈和负载线圈的外接电容, 以保证各线圈回路达到同一谐振频率; Rs为电源等效内阻; RL为负载线圈所加负载电阻; R1,R2分别为激励线圈和负载线圈的等效欧姆损耗电阻( 磁耦合谐振式无线电能传输系统的最佳传输频率为1 ~ 50 MHz[4],此时辐射电阻远远小于欧姆损耗电阻, 因此可忽略线圈辐射电阻的影响) 。
1.3系统传输功率与传输效率
忽略线圈之间的交叉耦合,只考虑相邻线圈之间的直接耦合。使激励线圈1与负载线圈的距离等于激励线圈2与负载线圈的距离,由于线圈的结构相同,设2个激励线圈与负载线圈的互感均为M。
设激励线圈回路和负载线圈回路的电流分别为I1,I2,激励线圈回路和负载线圈回路的阻抗分别为Z1,Z2,系统角频率为 ω = 2πf( f为系统输入频率) 。根据基尔霍夫电压定律可得
当系统处于谐振状态时,激励线圈回路和负载线圈回路均呈纯电阻特性,化简式( 1) 可得
由式( 2) 可得
则系统的传输功率PL、传输效率 ηL分别为
由式( 4) 和式( 5) 可知,在Us,Rs,R1,R2均为定值的情况下,系统传输功率和传输效率主要受角频率 ω、负载RL和互感M的影响。
当激励线圈和负载线圈为螺旋线圈且同轴放置时,线圈之间的互感为
式中: μ0为线圈材质的磁导率; r1,r2分别为激励线圈和负载线圈的半径; n1,n2分别为激励线圈和负载线圈的匝数; d为激励线圈和负载线圈之间的传输距离。
由于,引入耦合系数k来代表互感,可得
由式( 7) 可知,激励线圈与负载线圈之间的耦合系数与传输距离的3次方成反比,当传输距离增大时,耦合系数急剧下降。
2仿真分析
为研究传输功率、传输效率与输入频率、传输距离和负载的关系,利用Or CAD进行仿真,仿真参数: L1= 61. 8 μH,L2= 69. 2 μH,L3= 65. 5 μH,C1= 66. 5 p F,C2= 133 p F,R1= 1. 5 Ω,R2= 3. 1 Ω,Rs= 50 Ω,Us= 26 V,系统固有谐振频率为1. 7 MHz。
2.1传输功率、传输效率与输入频率的关系
固定负载RL= 150 Ω,分别取耦合系数k = 0. 05,0. 3,0. 5进行仿真,得到传输功率、传输效率与输入频率的关系曲线分别如图3、图4所示。从图3、图4可看出,耦合系数k = 0. 05时最大传输功率和效率在激励线圈回路谐振频率处取得,而k = 0. 3,0. 5时最大传输功率和效率对应的输入频率均相对激励线圈回路谐振频率产生了偏移,且随着耦合系数的增加,频率偏移越明显。
2.2传输功率、传输效率与传输距离的关系
将系统输入频率设置为1. 7 MHz,固定负载RL= 150 Ω。由式( 7) 可知,激励线圈与负载线圈之间的传输距离d与耦合系数k有关,因此,仿真时利用k来代表d,得到传输功率、传输效率与耦合系数的关系曲线分别如图5、图6所示。从图5、图6可看出,随着耦合系数的增大,传输效率不断增大,而传输功率先增大后减小; 当k = 0. 06时,传输功率达到最大值,即存在最佳的传输距离使传输功率取得最大值,而此时传输效率约为50% 。
2.3传输功率、传输效率与负载的关系
将系统输入频率设置为1. 7 MHz,固定耦合系数k = 0. 06,得到传输功率、传输效率与负载的关系曲线分别如图7、图8所示。从图7、图8可看出,随着负载的增大,传输功率先增加到最大值然后减小, 传输功率取最大值对应的负载称为功率匹配负载, 此时传输效率为50% 左右; 随着负载的增大,传输效率也先增加到最大值然后减小,传输效率取最大值对应的负载称为效率匹配负载。功率匹配负载和效率匹配负载是不同的,实际应用中通常追求高效率, 所以在保证传输功率的情况下,应尽量减小负载。
3实验分析
搭建磁耦合谐振式无线电能传输系统,实验装置如图9所示。各线圈统一采用铜漆包线,铜漆包线线径为2 mm,线圈均为8匝,线圈半径为13 cm。手工缠绕线圈不能保证激励线圈和负载线圈的电感完全一致,实验中用可变电容来保证各回路谐振频率均为1. 7 MHz。实验中其他参数与仿真参数一致。
3.1传输功率与传输距离的关系
固定负载RL= 150 Ω,改变传输距离d,测量负载电阻上的电压,通过计算得到传输功率与传输距离的关系曲线如图10所示。可看出随着传输距离的增大,传输功率先增大后减小,与仿真结果趋势一致,但由于信号发生器输出的信号经功率放大器放大后很难保证输出电压恒定,所以实验数据与仿真值存在一定误差; 当传输距离为8 cm时,最大传输功率为3. 2 W,验证了理论分析中传输功率表达式的正确性。
3.2传输功率与负载的关系
固定传输距离d = 10 cm,改变负载大小,测量负载电阻上的电压,通过计算得到传输功率与负载的关系曲线如图11所示。可看出随着负载的增大, 传输功率先增大后减小,与仿真结果趋势一致,但由于距离较近时,交叉耦合影响较大,对传输系统来说不能忽略,所以实验数据与仿真值存在一定误差; 当功率匹配负载为150 Ω 时,最大传输功率为3. 3 W, 验证了理论分析中传输功率表达式的正确性。
4结语
短波电磁波传输特性分析 第6篇
关键词：短波广播,传输方式,换频原因
1引言
短波通信是唯一不受网络枢钮和有源中继制约的通信方式,在抗毁能力和自主通信能力方面与其他通信方式相比有较强的优势。短波电磁波主要经过电离层的反射到达服务区,是远程通信的主要方式。在偏远山区、大漠戈壁、海洋荒岛等一些超短波通信覆盖不到的地区,主要依靠短波通信覆盖。本文针对短波通信的传输特点和电离层在短波传输过程中所起的重要作用作简明的阐述。
2短波广播的传输
2.1短波广播的地波传输
短波传播途径有两种:一种是地波传播,地波是以大地作为媒质传输的无线电波;一种是天波传播,天波是经过电离层反射或折射返回地面的无线电波。短波电磁波频率范围在3〜30MHz,波长在10〜100m之间,在这一频率范围,地波对短波电磁波衰减很大,只能用于近距离广播,远距离不能形成有效的服务区。就地波传波而言,与地面的电参数有更密切的关系,描述大地电磁性质的主要参数包括:介电常数ε,电导率σ和磁电系数等。表1给出了几种不同地质的电参数。
大地对于电磁波能量吸收的大小与以下几个方面的因素有关。
(1)地面电导性能越好,对电波吸收的能量越小,即电波传输的衰耗愈小。因为电导率越大,地电阻越小,电波沿地面传输的衰耗就越小,海面介质的电导特性对于短波传播最为有利,短波地波信号可以沿海面传播1000km左右;陆地表面电导特性很差,对短波电波衰耗很大,而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样,潮湿土壤地面衰耗小,干燥沙石地面衰耗很大,短波信号沿地面最多只能传播几十km。
(2)电波频率越低,大地对电磁波的衰耗越小。因为地电阻与电波频率有关,即电磁波频率越高,由于趋肤效应,感应电流更趋于表面流动,使流过电流的有效面积减小,地电阻增大,从而使电波的衰耗增大。
(3)垂直极化波较水平极化波衰耗小,这是因为水平极化波的电场与地面平行,致使地面感应电流大,从而产生较大的衰耗。
2.2电离层对短波广播传输的作用及影响
电离层是从距地面大约60km到2000km,处于电离状态的高空大气层。上疏下密的高空大气层,在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面的微粒流的作用下,大气气体分子或原子中的电子被分裂出来,形成离子和自由电子,这一过程叫电离,通常被电离的大气是很少的。由于短波电磁波频率很高,是利用电离层反射传输的最佳波段。地波的衰耗很大,不能形成有效的服务区,当短波电波以一定角度发射向空中电离层时,被电离层反射或折射,形成一个“跨越”,返回地面(如图1),在离短波发射台很远的地方,就可形成一个有效服务区,由此可见,短波电磁波主要靠电离层的反射和折射传播,最适合远距离(几百至上千公里)通信。
在通常情况下,电离层分为D、E、F1、F2四层,D层高度60~90km,白天可以反射2~9MHz频率的电磁波;E层高度90~150km,这一层对于短波电磁波反射作用较小;F层对于短波电磁波反射作用最大,一般分为F1、F2层F1层高度150〜200km,只在白天起作用,F2层高度大于200km是F层的主体,白天夜间都支持短波传输。电离层的高度和浓度一方面随地区、季节、时间、太阳黑子等自然因素的变化而变化;另一方面,也受到地面大功率雷达等人为因素影响而变化,这就决定了短波通信的频率也必须随之而改变。
2.3短播广播换频的原因
短波广播传输主要途径是天波,短波信号由发射天线发出后,经电离层反射回地面,传播距离远,而且不受地面障碍物的阻挡。但是,天波是十分不稳定的,在天波传输过程中,路经衰耗,时间延迟,电离层因昼夜和四季太阳辐射的不同而形成衰耗等许多因素都会造成信号的衰耗和畸变,从而使服务区收不到高质量的信号或收到的信号很弱。为保证服务区的收听效果,最为有效的办法就是变换频率,改变短波电磁波对于电离层的入射角,使折射点发生变化,从而使服务区收到高质量的信号。
一般来说,短波换频的规律是:日频高于夜频(白天用较高频率,晚上用较低频率);远距离频率高于近距离频率;夏季频率高于冬季频率。由于季节和白昼电离层的变化,采用这样的方法在短波广播传输中不仅操作简单,而且可以取得很好的传输效果。
3结束语
短波广播传输是一个十分复杂的通信系统,本文从实际出发,结合多年来短波发射机的维护经验,对短波电磁波信号在传输过程中的一些特性和规律进行了分析。只有我们在日常的维护工作中认真努力学习通信专业知识,充分认识电磁波的传输原理和特性,才能高效地保证短波电波信号安全可靠的传输,确保安全传输发射工作的圆满完成。
参考文献
[1]蔡南先.电波与天线[M].中国广播电视出版社.
矿用双绞线传输函数特性研究 第7篇
关键词：矿井,视频监控系统,矿用双绞线,ADSL,传输函数
0引言
我国的煤炭开采主要以井下开采为主, 井下生产环境非常恶劣, 对矿井视频监控系统提出了特殊的要求。首先, 由于井下作业面距地面监控中心较远, 视频监控信号的传输距离至少要达到10 km。其次, 煤矿井下工作环境恶劣, 监控距离远, 维护困难, 不宜采用中继器延长系统传输距离。因为中继器是有源设备, 故障率较无中继器系统高, 并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制, 在中继器处不一定有适宜的电源, 若采用远距离供电还需要增加供电芯线[1]。因此, 矿井视频监控系统的信号传输必须满足“10 km以上无中继传输”的要求[2,3,4]。
矿井视频监控系统从井下传送到井上的是图象压缩数据, 信息量比较大;从井上传送到井下的只是一些指令, 信息量非常小。这种信息传输的不对称性与ADSL传输技术的特点非常吻合, 因此, 矿井视频监控信号的传输适合采用ADSL技术。笔者设定2种矿用ADSL测试环路, 并在这2种环路上分别分析了矿用双绞线传输函数的性质。
1传输函数理论公式
图1为一个端到端的ADSL环路模型[5]。
图1中, ABCD模块为双绞线的传输模型, Vg为信号源, Zg为信号源阻抗, Zl为负载阻抗, 假设Zg=Zl=100 Ω。
根据二端口网络理论, 可以得到:
式中:l为双绞线的长度;γ和Z0分别表示双绞线的传播常数和特性阻抗。
式中:R、L、C、G分别为双绞线的电阻、电感、电容和电导。
传输函数反映了V1通过ADSL环路后变化为V2的性质, 由式 (1) 可以推导出:
显然, 传输函数T与信号源阻抗Zg无关, 而与ABCD参数和负载阻抗Zl有关。
2矿用双绞线电气参数
表1为6种型号的矿用双绞线的主要电气性能指标表[1]。从表1可看出, 7/0.52型矿用双绞线的直流电阻最小, 固有衰减最小, 等效直径最大;7/0.28型矿用双绞线的直流电阻最大, 等效直径最小, 固有衰减最大;1/1.0型矿用双绞线的各项参数居于中间。本文选择7/0.52型、1/1.0型和7/0.28型这3种矿用双绞线进行环路传输函数的分析。
3矿用ADSL环路的设定
为了比较不同双绞线的性能, 分析矿用ADSL环路的传输特性, 借鉴标准化组织定义的普通ADSL固定环路, 设定了2种矿用ADSL测试环路, 如图2所示[6]。图2中, 假定每种环路的信号源阻抗和负载阻抗均为100 Ω, 且不考虑桥接插头的影响。
图2中, 环路1的双绞线ABCD参数可由式 (2) 得到。环路2由2种双绞线组成, 可以利用式 (6) 求出等效的ABCD参数:
4矿用ADSL环路传输函数的分析
4.1 环路1的传输函数分析
图 3是根据式 (5) 的计算绘制出的环路1的传输函数幅度曲线, 假设环路长度分别为6 km、8 km、10 km和12 km。
从图3可看出, 随着频率的升高, 传输函数的幅度逐渐降低。双绞线的线径越大, 传输函数的幅度相对越大, 幅度随频率降低的趋势越缓。对比图3 (a) 、图3 (b) 、图3 (c) 和图3 (d) 后发现, 环路的长度对传输函数幅度的影响也很大, 环路越长, 传输函数的幅度越小。
4.2 环路2的传输函数分析
图 4是2种矿用双绞线组成的混合环路的输入函数幅度曲线, 实线表示第一分段为7/0.28型号, 第二分段为7/0.52型号;点划线表示第一分段为7/0.52型号, 第二分段为7/0.28型号。各分段的长度做了4种设置, 分别表示于图4 (a) 、图4 (b) 、图4 (c) 和图4 (d) 中。
从图4可看出:
(1) 在图4 (b) 中, 当双绞线环路的2个分段的长度都为5 km时, 实线和点划线重合。
(2) 在图4 (a) 和图4 (c) 中, 环路的2个分段长度是相互对换的, 绘制出来的实线和点划线也刚好相反, 即图4 (a) 中的实线与图4 (c) 中的点划线吻合, 而图4 (a) 中的点划线与图4 (c) 中的实线吻合。
(3) 图4 (d) 中环路第一分段的长度大于图4 (a) 中环路第一分段长度, 第二分段长度相同。比较对应的传输函数幅度曲线, 图4 (d) 的幅度要低于图4 (a) 的幅度。
(4) 图4 (a) 、图4 (b) 和图4 (c) 的环路总长度都是10 km, 与图 3 (c) 中的环路长度一致, 比较几种环路的传输函数幅度发现, 环路2中的几种环路传输函数幅度介于环路1中7/0.52型和7/0.28型的传输函数幅度之间。也就是说, 在环路长度相同的条件下, 混合了2种规格双绞线的混合环路的传输函数幅度大于7/0.28型双绞线环路的幅度, 小于7/0.52型双绞线的幅度。
4.3 传输函数的分析结论
综合以上对环路1和环路2中传输函数幅度的分析, 可以得出以下结论:
(1) 传输函数随频率的升高而下降。
(2) 双绞线的线径越大, 传输函数的幅度相对越大, 而幅度随频率降低的趋势变得越缓慢。
(3) 环路长度越长, 传输函数的幅度越小。
(4) 环路总长度和各分段长度相等时, 分段上双绞线型号的不同次序不影响传输函数的幅度。
(5) 环路总长度相等而分段长度不等时, 分段上双绞线型号的转换对应着相应传输函数幅度的转换。
(6) 环路总长度相等时, 由几种型号双绞线组成的混合环路的传输函数幅度将介于由单一型号双绞线构成的环路的传输函数幅度之间。
5结语
本文根据普通ADSL的固定环路, 设定了2种矿用双绞线ADSL测试环路, 并分别在这2种环路上对矿用双绞线ADSL环路的传输函数进行了分析。分析结果表明, 矿用双绞线ADSL环路的传输函数受传输频率、双绞线线径、环路长度等因素的影响, 混合环路的传输函数与环路总长度和分段长度有关, 与分段上双绞线型号的次序无关。
参考文献
[1]孙继平.矿井安全监控系统[M].北京:煤炭工业出版社, 2006.
[2]成凌飞, 宋为.基于矿用双绞线的矿井视频信号传输的分析[J].煤炭工程, 2007 (3) :105-107.
[3]宋为, 成凌飞.矿用ADSL环路输入阻抗的分析[J].工矿自动化, 2008 (1) :31-33.
[4]成凌飞, 宋为.基于ADSL技术的矿用双绞线插入损耗的分析[J].工矿自动化, 2008 (4) :47-49.
[5]RAUSCHMAYER D.ADSL/VDSL Principles[M].USA:Macmillan Technical Publishing, 1999.
对海移动无线微波传输特性研究 第8篇
关键词：海面移动无线,多径衰落
1 引言
舰艇对岸或潜艇 (通过潜艇拖带浮筏) 对岸的微波通信是属于海面移动站与陆地固定站之间的海面移动无线通信, 是一种随机性较强的变参信道, 具有不同延时的多径信号相叠加, 会产生破坏性干扰, 使链路性能不稳定。
2 海面上电波传播的反射系数
在舰/潜对岸的通信中, 微波信号从空气传播到海水的分界面时, 由于分界面两侧媒质的本征阻抗不同, 将发生电磁波的反射与折射。
空气是一种理想介质, 海水是一种非理想导体介质 (相对介电常数εr=80, 电导率σ=4Ω/m, 磁导率μ0) 。反射系数与入射角、电波极化方式、电波频率和反射介质的特性有关。根据反射定律和施耐尔定律, 有:
水平极化波的反射系数:
垂直极化波的反射系数:
其中, Erm、Eim分别为水平或垂直极化波入射波和反射波电场的复振幅, θ为入射角, 为海水相对复数介电常数,
3 海面移动通信的衰落分析
由于海面移动无线信道的复杂性, 使得在该环境下传输的微波信号存在不同类型、不同程度的衰落, 除了自由空间损耗外, 还有小尺度的快速波动和大尺度的慢速波动。小尺度的波动是由于附近物体和海面的反射、漫反射所产生的多个路径引起的, 是快衰落或多径衰落。信号的振幅除了快衰落以外, 还存在一种缓慢的变化, 即快衰落是叠加在慢衰落这种缓慢的变化之上的, 这种缓慢的变化主要是由于海面站至岸站之间物体遮挡和大气折射系数变化造成的。
3.1 海面移动通信环境对微波信号的影响
在海面移动信道中, 信号会受到如下几个方面的衰减损失。
(1) 弥散损耗
当海面波浪较大, 不能视为光滑水平面时, 微波信号会受到波浪引起的散射。由于散射的存在, 在电波传播过程中信号功率必然会受到损失, 产生弥散损耗。
(2) 多普勒效应
◆海面信道机与岸站信道机之间的相对运动使接收信号的频率发生偏移, 产生随机频率调制;
◆环境物体 (如海面波浪或附近船只) 的运动会引起时变的多普勒频移。如果环境物体的速度大于海面移动站的速度, 将对小尺度衰落起决定作用, 否则, 仅可考虑海面移动站的运动影响, 忽略环境物体的运动影响。
(3) 多径效应
由于海面、邻近物体、舰船本体和大气等的反射、散射、绕射作用, 形成了不同路径, 使合成信号在幅度、相位发生随机变化, 产生多径效应, 它可能引起码间干扰, 降低信号的传输质量。
(4) 深衰落
根据中断率计算公式:
其中, A为气候因子;Q为地形条件因子;b为频率因子, 取值b=1.3;c为距离因子, 取值c=3.1;h2-h1为收发天线高度差。中断率ρ与Q成正比, 而Q与地面粗糙度S-1.3成正比 (美国算法) , 海面越光滑, ρ越大。
海水的电导率较大, 对电波传播的衰减较小, 其反射系数接近于1, 反射损耗非常小。所以, 入射能量差不多全部转换成为反射能量对直接波进行干扰, 这种干扰现象极易引起电平深度衰落, 甚至导致中断。
3.2 海面多径衰落分析
3.2.1 镜面反射和漫反射
海面多径衰落是由于直接波和海面反射波之间的干涉引起的。反射波包括两种分量:镜面反射分量和不规则海浪子面的漫反射分量。在平静海面状况下, 主要是镜面反射分量;在粗糙海面状况下, 主要是漫反射分量。一般情况下, 以Rayleigh准则区分平静海面和粗糙海面:
△h为有效浪高, λ为电磁波波长, θ为入射余角。
当海面的Fresnel反射区内粗糙程度满足Rayleigh准则时, 所有海面来的反射可以认为是镜面反射, 否则为漫反射。对于漫反射而言, 天线接收的电磁波来自于包括镜面反射点在内的反射源与接收点之间的广阔海面, 而不是Fresnel反射区。
3.2.2 衰落与分布类型的定界
(1) 时延扩展
无线移动信道中多径特性的时延扩展, 导致时域扩散, 会使发射信号产生频率选择性衰落和平坦衰落。
无线信号码元宽度为Ts, 多径信号时延扩散的宽度为τ, 当Ts≥τ (τ/Ts→0) 时, 是平坦衰落;当Ts<τ即τ/Ts不可忽略时, 产生频率选择性衰落。
工程上, 可按下式计算τ和Ts, τ=△d/c, Ts=1/Bs。其中, △d为多径路程差, c为电波传输速率, B为信号带宽。按两径模型考虑时, △d=2h1h2/d (h1、h2为收发天线高度, d为站距) 。实际应用中, 一般认为在τ/Ts≤0.1的条件下, 当平坦衰落处理;在τ/Ts>0.1时要考虑频率选择性衰落的影响。必须指出, 不能单以τ值判断是平坦衰落还是频率选择性衰落。即使τ值很大, 但是当Ts→∞ (即发射信号为单频时) 也是平坦衰落;如果τ值很小, 当高速传输时, 需要较宽的信号带宽, 使τ/Ts值不可忽略, 也产生频率选择性衰落。
(2) 多普勒扩展
无线移动信道中多普勒扩展, 导致频域扩散, 会使发射信号产生快衰落和慢衰落。
当Ts>Tc (Tc为相干时间) 时, 是快衰落;否则, 为慢衰落。工程上, 可将Tc按照如下公式计算:Tc=0.423/fm。fm为最大多普勒频移, fm=V/λ (V为发射机与接收机之间的相对运动速度, λ为信号波长) 。实际上, 快衰落信道是一个低速率信道, 发生在数据率很低的情况下, 而慢衰落信道是一个慢速度和高数据速率的信道。为了避免快衰落失真和多普勒影响引起的误码, 信号速率 (1/Ts) 必须超过衰落速率 (1/Tc) 的100~200倍, 确切的倍数取决于调制方式、接收机设计和系统误码率要求。
(3) 分布类型
虽然在舰/潜—岸通信中普遍存在一条视距路径, 但是由于海水的强反射作用, 使得这条直视路径并没有起到支配地位, 所以其快衰落并不服从标准的Rician分布。
直接波和镜面反射波是相对平稳的相干分量, 漫反射波是随机性非相干分量。漫反射波由海面前向散射分量形成, 幅度服从Rayleigh分布, 相位在[0, 2π]区间均匀分布。如果把直接波和镜面反射波的和作为常矢量, 那么常矢量与Rayleigh矢量作合成, 接收功率将服从Nakagami—Rician分布。同时, 由于阴影效应产生慢衰落, 接收功率还服从对数正态分布。因此, 总的接收信号可以认为是一种Suzuki过程。
3.3 多普勒频移
3.3.1 由于海面信道机运动引起的多普勒频移
由于海面信道机运动引起的多普勒频移与物体的移动速度、信号频率及移动的方向与来波方向的夹角有关。
其中, V1为海面信道机移动速度, λ为入射波长, α为信道机运动方向与电波入射方向的夹角。
3.3.2 由于海面波浪运动引起的多普勒频移
根据流体动力学原理, 波浪运动速度V2为:V2= (gL/2π) 1/2。其中, g为重力加速度, g=9.8m/s2, L为波浪重复间隔 (m) 。当满足布雷格谐振条件时, L=λ/ (2sinθ) , λ为入射波长, θ为入射角。
反射信号频率与发射载频之间的多普勒频移为:
其中, β为海浪运动方向与电波入射方向的夹角。
4 海面移动通信抗多径干扰的工程措施
文献中经常提到的分集技术、自适应均衡技术、编码技术、OFDM等技术, 本文不再描述。
4.1 极化方式的选择
圆极化波经反射后, 会发生极化反转现象。如右旋圆极化波经海面反射后变为左旋, 这样, 接收端右旋圆极化天线对左旋来的反射波具有一定的抑制作用。从而, 圆极化天线可以有效地减少反射径信号的影响, 但是它的结构较为复杂, 体积和重量较大。所以, 如果搭载平台没有对天线体积和重量的要求, 一般采用圆极化天线。
一方面, 由 (1) 、 (2) 式可知, 垂直极化波的海面反射系数小于水平极化波的海面反射系数。同时, 对于水平极化波来说, 存在布儒斯特角 (令 (1) 式=0可求得) , 会发生全折射现象。这样, 满足条件的电磁波能量会全部折射到海水中, 而无反射波。对于垂直极化波, 则没有全折射现象。另一方面, 电波的特性决定了水平极化波在贴近海面时会在表面产生极化电流, 极化电流因受海水阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减, 而垂直极化方式则不易产生极化电流, 避免了能量的大幅衰减, 保证了信号的有效传播。所以, 如果搭载平台空间有限或对天线有较严格的体积和重量限制 (如潜艇拖带浮筏) , 天线采用线极化方式时, 一般采用垂直极化方式。
由 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 和 (5) 式可知, 频率越高, 反射系数越高, 中断率越高, 多普勒频移越大。同时, 自由空间的传输损耗也是随着频率的提高而增大。所以, 在进行频率设计时, 在可选的频率范围内, 应选较低频率。
另外, 随着新技术的发展, 一种±45°双极化天线开始使用。这种天线由于+45°和-45°正交极化, 有效保证了分集接收的良好效果 (其极化分集增益比单极化天线提高约2dB) 。
4.2 增大天线高度差和调整天线仰角
根据两径传播模型, 增大天线高度差, 可以使反射点靠近路径端点, 增加路径余隙, 使产生的电波阻挡和吸收作用较小, 从而有效地减少反射衰落。另外, 从中断率的角度考虑, 根据 (3) 式可知, 增大收发天线高度差, 可以降低中断率。
理论和工程实践表明, 通过调整天线的仰角来减轻反射波的影响是有效的, 但是这需要长时间的观察和反复调整。在天线的安装调试过程中, 通过频谱仪监测收信电平, 可看出收信电平受海面反射等多径传输的影响而上下波动。对天线的俯仰角做反复调整, 兼顾接收电平和波动影响 (因受接收电平的限制, 调整范围不宜过大) , 选定最佳天线俯仰角, 将海面反射波的影响进一步减小。
4.3 频域均衡单载波技术
时域均衡的单载波系统是一种很成熟的传输系统, 但是不管是线性还是非线性均衡, 传统的时域均衡器复杂度都与信道的最大时延扩展成正比, 而且无法有效的抵抗多径干扰。多载波OFDM系统虽然采用较为理想的调制技术, 但是也存在一些缺点, 如:对频率偏移和相位噪声比较敏感;峰值与均值功率比相对较大, 降低了射频放大器的功率效率;负载算法和自适应跳频技术会增加发射机和接收机的复杂度。
一种新颖的频域均衡单载波技术可以克服时域均衡单载波系统和多载波OFDM系统的缺点。在多载波OFDM系统中, IFFT模块在发射端把频域映射后的数据转换成时域信号, 而在频域均衡单载波系统中, IFFT模块在接收端把频域上均衡完的信号变回时域。频域均衡的单载波系统具有如下优点:
(1) 与多载波OFDM系统相比, 降低了峰值平均功率比, 也就降低了功率放大器、A/D、D/A变换器的线性动态范围的要求, 可以利用单载波成熟的射频技术, 减少了模拟器件成本。
(2) 与多载波OFDM系统相比, 不需要保证子载波之间的严格同步与正交特性, 降低了对载波频偏和相位噪声的敏感性。
(3) 与传统单载波系统相比, 具有与多载波性能相当的抗多径能力, 而均衡器复杂度大大降低, 其复杂度与信道最大时延扩展的对数成正比。
(4) 可以与OFDM系统共存, 只需通过IFFT模块位置的软切换, 实现单载波信号与OFDM信号的发射和接收。
5 结束语
舰/潜对岸海面移动无线通信由于发射机的移动性和海水的反射性, 加大了电波传播特性的复杂性, 其衰落与分布类型需要从理论和实际工程的角度统一分析。对于抗衰落而采取的措施, 也需要结合先进技术和工程特点, 互相补充, 确定最佳方案。
参考文献
[1]庄铭杰, 郭东辉.移动通信中无线信道特性的研究[J].电讯技术, 2004, 05
[2]许雪梅.克服海面多径衰落的有效措施[J].无线电工程, 2005, 02
电力线传输特性 第9篇
无线电能传输技术是用电设备以非接触方式从电源获取能量的一项技术，实现了电源和用电设备的完全电气隔离，传输过程安全、可靠、灵活度高，为人类摆脱电线束缚提供了可能[1,2,3,4]。磁共振耦合无线电能传输技术是利用2个或多个具有相同固有频率及高品质因数的电磁系统间磁共振强耦合实现能量大距离、高效率传输的技术，有效传输距离可达线圈直径的3～5倍[5,6]，最初由麻省理工学院的Marin Soljacic领导的科研小组于2007提出，其采用直径0.5m的收发线圈，点亮了2m外的60 W灯泡，效率为40%～50%[5]。磁共振技术的出现，打破了电磁感应方式传输效率严格依赖于线圈耦合系数的传统思路，将能量传输距离由毫米级提高到米级，为无线电能传输技术带来了突破。该技术在工业位置检测、无线传感网络、航空航天、植入式人造器官等领域具有广泛的应用前景[1,2,3,4,5,6]。
目前，对磁共振技术的研究，已就系统理论建模[7,8,9]、传输特性[10,11,12,13]、共振频率自适应调整[14,15]方面进行了探索。对于传输特性的研究，主要集中在共振频率分叉与消失机理方面，但对负载功率和效率频率响应曲线形状与传输参数间关系，以及峰值功率与峰值效率间关系等问题未深入探讨。文献[14]所提出的共振频率自适应跟踪控制策略，需要在收发端额外增添射频（RF）通信模块，以将接收端状态检测模块采样的负载功率实时发送至接收端，结合优化控制算法，动态调整系统驱动信号频率，维持共振运行状态。该方法对于解决因实际工作参数偏离最佳运行参数引起传输性能下降的问题切实有效，但是需要在电能传输通道外围增添RF通信模块，系统体积较大、结构复杂，在弹药与武器系统信息交联、植入式人造器官等对空间体积有严格限制的场合并不适用。若能直接利用电能传输通道，实现接收端工作状态向发送端的实时反馈，将降低系统复杂程度并节约有限的系统空间体积，是种良好的解决方案。
本文以共振系统电能非接触传输电路模型为基础，理论结合实验分析传输参数对负载功率与效率频率响应曲线形状的影响规律，探讨峰值功率与峰值效率传输间关系；研究能量传输通道中信息反向传输方法，实现无外加RF模块下的能量传输过程闭环控制，优化能效传输过程。
1 系统模型
图1为基于互感耦合理论的共振系统等效电路模型。图中：L1,L2,L3,L4分别为驱动、发送、接收、拾取线圈的自感；C2和C3分别为发送线圈和接收线圈的谐振电容；R1,R2,R3分别为驱动、发送、接收线圈回路等效电阻；RL为系统等效负载，包括拾取线圈的电阻；V1·为激励电压源；M12,M23,M34为两回路间互感。
根据基尔霍夫定律可求得系统负载功率和效率分别为[7,16]:
上式中各变量的具体表达式见附录A。
2 功率与效率传输特性分析
2.1 功率传输特性
图2为磁共振耦合无线电能传输系统负载功率传输特性的典型频率响应曲线。可知，对于一般磁共振耦合无线能量传输系统，共振频率分叉条件下系统存在主从共振频率的差别，即相对于从共振频率，负载在主共振频率工作时会获得更大的功率，且随收发端参数非对称程度的增加，这种差距会更明显。
k23由大至小变化过程中（对应收发端间距由近至远变化），主共振频率下的负载功率先增大后减小，因此，系统最大负载功率并不是在收发端大的耦合系数条件下得到的，最大负载功率传输可能发生在收发端距离较大（即耦合系数k23较小）情况下。共振频率分叉与消失机理已有文献涉及，本文不再讨论。图2中仿真参数见附录B表B1。
共振频率的分叉与否存在一分界点，该分界点由耦合系数k23决定，此时的耦合系数称为临界耦合系数，记作kc。当k23>kc时，系统存在2个共振频率点；当k23≤kc时，系统仅存在一个共振频率点。将驱动及拾取线圈回路参数分别映射至发送线圈和接收线圈回路中，图1原四线圈系统可等效为考虑驱动和拾取线圈影响下的双线圈共振系统，如附录B图B1所示。参考文献[17]中对双线圈临界耦合系数的求解，该四线圈共振系统临界耦合系数为：
式中：ωr为发送线圈和接收线圈的固有谐振频率，且
由图2可知，对于一各线圈参数确定的磁共振系统，收发端存在一最优相对位置，即发送线圈与接收线圈间耦合系数k23存在一优化值，系统在该耦合系数下运行时，负载会获得最大功率。为求得最大负载功率条件下k23的优化值，对共振系统等效计算模型作必要简化，主共振频率条件下。则负载功率可近似表示为：其中，C1′=[R21+（ωL1)2]/[ω2 L1（ωM12)2],C4′=[R2L+（ωL4)2]/[ω2 L4（ωM34)2]
式中：V2为发送线圈等效激励电压源的电压幅值。
令dP0/dk23=0，得到系统在最大负载功率传输目标下的优化耦合系数k23-opt为：
发送端（驱动与发送线圈回路）与接收端（接收与拾取线圈回路）参数完全相同的传输系统是一特例，该系统除具有磁共振耦合传输系统的一般特性外，还具有自身的特殊性。图3为收发端参数相同条件下的负载功率频率响应曲线仿真图。图3中仿真参数见附录B表B2。
由图3可知，k23≤kc时的共振频率f近似为一定值，不随k23的变化而变化。该负载功率频率响应曲线具有良好的对称性，关于f近似对称。k23>kc条件下，负载功率峰值为一定值，不随收发端距离的变化而变化，当k23≤kc后，共振条件下的负载功率随k23减小而迅速减小。
图4为主共振频率下负载功率随收发端距离d2变化的实验与理论对比曲线。实验中，线圈直径为75mm，导线直径为0.9mm。驱动和拾取线圈为2匝，发送和接收线圈匝数为5匝。驱动线圈与发送线圈、接收线圈与拾取线圈分别紧靠且相对位置固定，收发端同轴放置且可相对轴向移动。各线圈回路测试参数如表1所示。
利用Tektronix AFG3102信号发生器作为系统驱动源（输出电压峰值为5V，输出阻抗为50Ω）。功率测量采用Tektronix TCP312电流探头结合Tektronix TDS2022示波器实现。本文实验数据均以此传输线圈组为基础。
由图4可看出：负载RL=50Ω的传输系统（收发端参数相同），在收发端距离d2≤35mm时，负载功率基本维持在51mW左右，随d2变化较小；当d2>35 mm后，负载功率随d2的增大而下降。d2=35mm时，k23实验测量值为0.099，根据式（3）得临近耦合系数kc=0.091。RL=150Ω的传输系统，负载功率随d2增大出现先增大后减小的趋势，在d2=40 mm处，取得最大值，此处k23测量值为0.088，根据式（5）得优化系数k23-opt=0.092，两者较为接近。以上结论与理论分析一致。
2.2 效率传输特性
图5为图3参数下的系统传输效率随工作频率及k23的变化曲线。可看出，传输效率随工作频率及耦合系数k23的变化与负载功率传输曲线类似，也存在频率分叉现象，并且随着收发端距离的增大，两频率汇聚在一起，频率分叉现象消失。收发端参数对称与否条件下的效率特性曲线无明显区别。传输效率的频率分叉机理与详细分析参见文献[18]。
负载RL=50Ω时传输效率随工作频率变化的理论与实验对比曲线见附录B图B2。可看出，系统传输效率对工作频率变化表现的亦较为敏感，当工作频率偏离峰值频率点后，传输效率急剧下降。另一方面，传输效率与负载功率类似，也会出现随收发端距离增大而增大的现象，图中d2=60mm时的效率峰值即高于d2=25mm时的效率峰值。
3 峰值功率与峰值效率传输
对于一无线电能传输系统，希望通过合理参数设计获得期望的传输效果，负载功率和传输效率是系统传输的两个重要指标，峰值功率传输或峰值效率传输是设计者常常希望达到的效果。图6为收发端不同相对位置处的系统峰值功率与峰值效率传输时所对应工作频率的变化曲线，仿真参数同图3。由图6，并结合图3和图5可知，峰值效率频率fη1和fη2与峰值功率频率f1和f2并不重合，即峰值功率输出与峰值效率传输可能分别工作在不同的频率点处，两者往往不可兼得，为获得峰值功率传输往往要以牺牲传输效率为代价，反之亦然。
表2列出了系统峰值功率P1及该条件下的传输效率η1，同时，列出了峰值传输效率η2及该条件下的负载功率P2的实验值。表中：f0和fη分别为峰值功率及峰值效率传输时的系统工作频率；情况1表示RL=50Ω，d2=25mm；情况2表示RL=150Ω，d2=25mm；情况3表示RL=50Ω，d2=60mm，情况4表示RL=150Ω，d2=60mm。由表中数据可知，峰值传输效率与峰值负载功率往往在不同工作频率条件下得到，并且系统峰值传输效率处的负载功率可能较小，与理论分析结论吻合。
通过阻抗映射，可将四线圈共振系统等效为激励源驱动下的单线圈回路，回路等效阻抗及负载电阻映射阻抗随激励频率的不同而变化，该无线传输系统的峰值功率与峰值效率工作频率点不重合特性与线性有源二端网络的负载功率和效率最值在不同负载条件下获得的特性相仿。
4 能效优化控制
通过上面分析可知，负载功率和效率随工作频率及收发端距离的变化而变化，工作频率偏离共振频率后系统传输性能急剧下降，并且峰值功率与峰值效率传输时的工作频率点往往不相同，这些特点给能量的高效率、高质量及传输稳定性带来负面影响。对此，本文研究该情况下的能效优化控制策略，以期实现传输过程能效优化控制。
4.1 信息反向传输技术
磁共振无线能量传输系统的传输性能受全体参数的共同影响，负载阻值变化将引起回路等效阻抗变化，从而影响线圈回路电流幅值，即进行了调制。基于负载电阻调制的信息反向传输系统模型如图7所示。
信息反向传输时，由接收端控制器发出反馈信息编码控制开关S1的闭合或断开，引起系统等效负载阻抗在RL与RL∥Rmod间切换，其中Rmod为调制电阻；能量发送端信息解调模块通过对驱动线圈回路特征信号提取和处理可得到接收端电路控制开关S1的驱动信号，即实现反馈信息解码。为提高回路信号变化幅度，降低解调难度，本系统中取Rmod=0。信息反向传输阶段当控制开关S1闭合时，负载被短路而接收不到功率，但是该时段占电能传输总时间的比例很小。例如，采样周期为50ms，数据编码为80μs/bit，一帧数据由12bit构成，则负载被短路时间仅占总电能传输时间的0.96%。并且，通过提高信息反向传输速率及系统稳定后降低负载功率采样频率的方法可进一步降低负载短路的时间。
基于负载调制的驱动线圈端电压与解调信号输出波形实验测试图见附录B图B3。可知，借助电能传输通道，利用负载电阻调制技术，可实现接收端至发送端的信息正确传输。
4.2 实验验证
能效优化控制包括2层含义。(1)峰值功率或峰值效率传输间的自适应调整。某些应用场合，根据系统工作阶段，能量发送端控制电路调整输入驱动线圈中的激励信号频率，以在峰值功率传输和峰值效率传输间切换。如弹药与武器系统信息交联中，起初阶段要求峰值功率传输以缩短弹丸控制电路激活时间，在接下来的信息传输阶段，可降低负载功率，提高传输效率，优化电源利用。(2)收发端距离变化等条件下的功率或效率稳定传输。在一定距离范围内，通过调整激励频率，维持d2变化下负载功率或效率的恒值传输。
激励频率是系统传输性能决定因素之一，通过改变功率放大器输入频率，可方便调整系统传输特性。激励频率的调整要以系统闭环控制为前提，即能量发送端可检测并识别各激励频率对应的负载功率及系统传输效率。利用负载调制技术，在不额外增添RF通信模块或线圈组的情况下，可实现能量接收端至发送端的信息反馈。进行频率自适应调整前，根据式（1）和式（2）对可能的最优激励频率进行预测，以缩小频率寻优范围。其主要工作流程如下：能量发送端控制器调整信号发生器所产生的信号频率，以改变传输线圈中的激励信号频率；借助信息反馈技术，能量接收端通过功率检测模块实时对负载接收功率进行周期性采样，并将采样结果经编码后反馈至能量发送端；发送端控制器对接收的反馈信息解调、译码，并经适当数学运算，可准确获知系统不同激励频率下的负载功率与系统效率；能量发送端控制器通过对比不同激励频率下的系统传输性能，并依据系统控制要求（峰值功率传输、峰值效率传输、负载功率或效率的恒值传输），将系统调整至合适频率下运行。基于信息反馈的能效优化控制系统框图如图8所示。
以峰值功率传输为目标的工作频率寻优流程图见附录B图B4。峰值效率的寻优调整方法与此类似。基于图8原理的能效优化控制实验装置图见附录B图B5。能效优化控制实验波形图见附录B图B6。实验所用线圈参数见表1，收发端距离d2=35mm,R1=0,RL=50Ω。峰值功率传输时，激励频率f=1.95MHz，负载功率为21.1 W，传输效率为86.3%；峰值效率传输时，f=1.99MHz，负载功率为20.1 W，效率为90.5%。由实验结果可知，通过基于信息反馈的能效优化控制策略，可对能量传输过程进行闭环控制，实现最优效率与最优功率传输间的正确调整。
5 结论
采用理论分析结合实验研究的方法，分析了磁共振耦合无线能量传输系统的功率及效率传输特性，并探讨了能效优化控制策略，得到如下结论。
1）功率与效率频率响应曲线均在近距离条件下存在频率分叉现象，负载功率频率响应曲线形状与传输参数取值密切相关，收发端参数相同的系统，其负载功率频率响应曲线呈对称形状，而对于一般传输参数系统，共振频率分叉时存在主、从共振频率之分。
2）共振系统负载功率及系统传输效率均可能出现随收发端距离增大先增大后减小的现象。
3）给出了共振系统临界耦合系数及功率最优传输条件下的收发端优化耦合系数数学表达式；指出了峰值功率与峰值效率工作频率点往往不重合。
4）提出了基于信息反馈的能效优化控制方法，可实现峰值功率传输与峰值效率传输间的自由切换。
本文所得结论将丰富磁共振耦合无线能量传输理论，为工程化设计提供参考。
附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx）。
摘要：功率和效率是电能传输系统的两个重要指标,利用理论分析结合实验研究的方法,探讨磁共振耦合无线电能传输系统的功率和效率传输特性。分析指出负载功率与系统效率频率响应曲线均存在分叉现象,收发端参数相同的传输系统的负载功率频率响应曲线呈近似对称形状,分叉现象消失前的负载功率不随收发端距离的变化而变化;参数非对称系统频率分叉时存在主从共振频率之分,且负载功率会随收发端距离的增大先增大后减小。理论推导出系统临界耦合系数及功率最优传输条件下的收发端优化耦合系数数学表达式。针对峰值功率与峰值效率工作频率点不重合的特性,提出了基于信息反馈的能效优化控制策略,借助能量传输通道,利用负载调制技术将接收端工作状态向发送端实时反馈,实现能量传输过程的闭环控制。文中理论分析结论与实验结果相一致。
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