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微波传能的预编码技术与电磁辐射安全性研究

张一凡  
【摘要】:随着各种电子设备的广泛应用和分布,对于无接触充电和能量输送的需求也日益增多,为了解决特定应用场景下线缆难以部署且能量传输可持续性差的问题,无线能量传输技术也逐渐发展起来。微波传能技术是将电能转化成微波,微波经过自由空间到达能量接收端,再经过整流转化成电能的无线传能技术。微波传能传输距离远,传播能量大,频率高,在传输过程中很容易对周围环境中的通信设备造成干扰,且高能量密度的电磁波势必会对人身安全造成影响,所以微波传能系统的电磁兼容性和电磁辐射安全问题不容忽视。无线信能同传系统(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)是在微波传能技术基础上提出的信息和能量协同传输系统,系统依赖于接收机不同的工作模式可以分为信息传输和能量收集两种工作模式,两种模式的系统性能指标不同,实现两种模式下的性能最优化是信能同传系统研究的重点,具体内容包括:(1)本文首先分析了基于多用户 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)的SWIPT信能同传系统模型,接收机在不同时隙分别进行信息接收和能量收集,信息传输模式下,系统以实现信息传输速率最大化为目标,能量收集模式下,系统以实现收集能量最大化为目标。为了实现系统性能最优化,针对两种工作模式设计了多用户最大化信息传输速率预编码矩阵和最大化能量收集预编码矩阵,并通过仿真分析了不同预编码算法对SWIPT系统性能的影响,为SWIPT系统不同工作模式选择最优的预编码方式。为了针对用户QoS(Quality of Service)提升系统性能,建立了多用户SWIPT系统服务QoS评价模型,并提出了基于QoS的多用户SWIPT系统服务选择策略,在满足用户QoS的同时实现系统资源的合理利用,对于提升SWIPT信能同传系统的资源利用效率具有参考意义。(2)针对微波传能系统的电磁兼容性,首先选择了微波发射天线模型,并根据国际标准对微波传能发射天线的电磁辐射值进行评测,由于微波传能系统发射的电磁波频率高,携带的能量大,极易对其电磁环境中的通信系统产生阻塞干扰。本文在系统间的电磁兼容预测原理和分析模型的基础上研究了微波发射系统和邻频Wi-Fi通信系统之间的电磁兼容性,并创新性地利用ANSYS EMIT软件对微波传能系统和Wi-:Fi通信系统进行了系统级的电磁兼容仿真,分析了产生的电磁干扰问题,并提出了电磁兼容防护措施,对于微波传能基站部署时的电磁兼容设计具有参考意义。(3)针对微波传能系统的电磁辐射安全性,首先分析了电磁辐射对人体造成的不良影响,在选择的微波传能发射天线的基础上,利用CST仿真平台对微波传能发射基站周围环境中人体头部的SAR值(比吸收率)进行了仿真预测,并且根据国际规定的人体射频暴露的安全准则,划定了微波传能环境中人体电磁暴露的安全区域,并设计了一款电磁辐射安全距离自动化预测软件,可以根据输入的基站发射天线参数,计算并得到基站的电磁防护安全距离,对于微波传能基站的部署和设计具有参考意义。


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