新視野電子電氣科技叢書：無綫電力傳輸 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

Copyright �i First published 2014 in Great Britain & the United States by ISTE and John Wiley & Sons

All Rights Reserved. This translation published under license. Authorized translation from the English language edition Published by John Wiley & Sons. Responsibility for the accuracy of the translation rests solely with Tsinghua University Press Limited and is not the responsibility of John Wiley & Sons. No part of this book may be reproduced in any form without the written permission of the original copyrights holder.

目錄

緒論
第1章無綫電力傳輸的曆史﹑現狀及未來
1.119世紀的理論預測和首次嘗試
1.220世紀60年代微波技術激活無綫電力傳輸
1.320世紀電感耦閤無綫電力傳輸項目
1.421世紀無綫電力傳輸技術將改變世界
第2章無綫電力傳輸理論
2.1理論背景
2.2波束效率和耦閤效率
2.2.1無綫電波的波束效率
2.2.2理論上波束效率的提高
2.2.3近耦閤距離處的耦閤效率
2.3波束成形
2.3.1相控陣波束成形理論及其誤差
2.3.2通過無綫電波檢測目標
2.4波束接收
第3章無綫電力傳輸技術
3.1引言
3.2射頻的生成——使用半導體高功率放大器
3.3射頻生成——微波管
3.3.1磁控管
3.3.2行波管、行波管放大器
3.3.3速調管
3.4波束成形和相控陣目標檢測技術
3.4.1介紹
3.4.220世紀90年代的相控陣
3.4.321世紀初的相控陣
3.4.4磁控管相控陣
3.4.5方嚮迴溯係統
3.5射頻整流器——整流天綫與電子管類型
3.5.1整流天綫的一般整流理論
3.5.2整流天綫Ⅰ——整流迴路
3.5.3整流天綫Ⅱ——更高的頻率和雙頻帶
3.5.4整流天綫Ⅲ——弱電和能量收集
3.5.5整流天綫陣列
3.5.6真空管整流器
第4章無綫電力傳輸的應用
4.1引言
4.2能量獲取
4.3傳感器網絡
4.4泛在電源
4.5管道中的微波電力傳輸
4.6微波在建築中的應用
4.7二維無綫電力傳輸
4.8電動汽車的無綫充電
4.9點對點無綫電力傳輸
4.10運動或飛行目標的無綫電力傳輸
4.11太陽發電衛星
4.11.1基本概念
4.11.2二氧化碳零排放的太陽能發電衛星為人類可持續
發展提供清潔能源
4.11.3太陽能發電衛星上的微波電力傳輸
4.11.4太陽能發電衛星模型
參考文獻

精彩書摘

　　第3章無綫電力傳輸技術
　　3.1引言
　　正如第2章所述，基於麥剋斯韋方程組、天綫理論和基於高頻的電磁理論及耦閤理論，能量是可以通過無綫電波來傳輸的。另外，需要高效頻率轉換器將直流電或者50/60Hz的交流電轉換為高頻，來進行無綫電力傳輸。與此相反的是，需要高效整流器將高頻轉換為直流電或者50/60Hz的交流電。
　　特彆對微波電力傳輸(MPT)而言，使用半導體和微波管的高功率放大器(high�瞤ower amplifiers，HPAs)經常被用作功率放大器和微波發生器。總體而言，使用半導體和微波管的高功率放大器的特性如下所述。
　　（1) 使用半導體(砷化鎵，氮化鎵等)的高功率放大器用作微波電力傳輸(如圖3.1(a)所示)：
　　�r 具有較低的功率(使用砷化鎵半導體功率小於幾十瓦特，使用氮化鎵半導體功率小於幾百瓦特)；
　　�r 具有較低的電壓需求(使用砷化鎵半導體電壓小於5V，使用氮化鎵半導體電壓小於50V)；
　　�r 效率特性(在2GHz帶寬下，效率小於80%； 在5GHz帶寬下，效率小於70%)；
　　�r 具有較小的尺寸(使用瞭單片微波集成電路(monolithic microwave integrated circuit，MMIC)技術，因此減小瞭體積)；
　　�r 價格昂貴(取決於大批量生産);
　　�r 適用於相控陣(具有較低的功率和較小的體積)。
　　（2) 用於微波電力傳輸的微波電子管(如磁控管、速調管、行波管(traveling wave tube，TWT)等，如圖3.1(b)所示)：
　　�r 具有更高的功率(大於1000W)；
　　�r 具有更高的電壓需求(需求大於幾十韆伏)；
　　�r 效率特性(在2GHz帶寬下，效率小於80%)；
　　�r 具有更大的尺寸(需要真空的條件)；
　　�r 價格便宜(如使用電磁爐型磁控管)；
　　�r 不適用於相控陣(由於抑製柵瓣需要較高的功率和較大的體積)。
　　使用半導體的微波管和高功率放大器的功率和頻率特性如圖3.2所示。
　　圖3.1（a) 使用半導體的高功率放大器電路(砷化鎵場效應管)；
　　（b) 微波電力傳輸的電磁爐型磁控管(微波管)
　　圖3.2不同頻率下各種微波管和半導體射頻平均功率輸齣［TRE 02］
　　在20世紀60年代，由於微波管的效率高於半導體HPAs，因此微波管經常被用於微波電力傳輸。近年來，半導體HPAs的效率得到瞭較大的提升，所以半導體HPAs有時也會用在相控陣的微波電力傳輸實驗中。微波管仍用於點對點的或者短距離的沒有任何波束成形的微波電力傳輸實驗中。由於電磁爐式(cooker�瞭ype)磁控管具有低成本的特點，所以仍然被經常使用。依據係統的設計和目的，從而可以決定是使用微波管還是半導體HPAs。在電感耦閤和諧振耦閤無綫電力傳輸(WPT)係統中，一直使用的是半導體頻率轉換器。特彆是在低頻率時的反相電路中使用。
　　整流電路是無綫電力傳輸中另外一個重要的係統。在室內或者是工業應用中，電子産品經常需要頻率為50/60Hz的交流電，有時候需要使用直流電。因此，無綫電力傳輸係統必須能將韆赫到韆兆赫範圍內的高頻轉換為直流電或者50/60Hz的交流電。但從高頻轉換到50/60Hz的交流電還是相當睏難的。因此，在無綫電力傳輸係統中，經常直接使用將高頻轉換為直流的整流器，在這種整流器中經常使用半導體二極管。在微波電力傳輸係統中，接收係統包含天綫和整流器，也就是整流天綫。
　　3.2射頻的生成——使用半導體高功率放大器
　　在20世紀80年代以後，特彆是晶體管取代瞭微波管，半導體設備在微波領域占據瞭主導地位。引起這種改變原因是移動電話網絡的發展。由於半導體設備的易管理性和能夠被大量生産的特性，半導體設備被用來擴展微波技術的應用，這種擴展的微波應用包括相控陣和有源集成天綫。20世紀90年代以後，日本做瞭一些使用半導體HPAs的相控陣微波電力傳輸實驗。
　　微波電路中典型的晶體管設備是場效應晶體管(field effect transistor，FET)、異質結雙極性晶體管(heterojunction bipolar transistor，HBT)和高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor，HEMT)。現在半導體設備用的頻率在幾韆兆赫以下的材料是矽，在更高的頻率下的材料則是砷化鎵。最近，氮化鎵和碳化矽有望應用於微波電路中。氮化鎵和碳化矽被用於寬帶隙半導體，與砷化鎵半導體一樣可以適應高功率和高頻率。在微波頻率範圍內常常使用氮化鎵，低頻的轉換電路中則用的是碳化矽。新型的氮化鎵高功率放大器的輸齣電壓與頻率的特性如圖3.3所示。
　　微波電路是由這些半導體器件構成的。通過使用半導體器件的微波電路來控製相位和幅度是非常簡單的，電路中包括放大器、移相器、調製器等。從電路設計理論層麵上來說微波放大器決定瞭效率和增益。通過微波放大器中的偏置電壓的不同，微波放大器被分為A、B、C類微波放大器。圖3.4(a)中的放大器電路和A,B,C類放大器是等效的。這些不同類的放大器同樣適用於韆赫茲到兆赫茲係統。
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前言/序言

　　根據麥剋斯韋電磁場理論，變化的電場可以産生變化的磁場，而變化的磁場也可以産生變化的電場，因此會形成電磁波在介質中傳播。基於此原理，無綫通信技術獲得瞭巨大的成功，如移動電話、廣播電視、Wi�睩i網絡、衛星通信等技術與我們現在的生活息息相關，極大地提高瞭人類的生活質量。然而，電磁波不僅可以攜帶信息，而且具有一定的能量，雖然在電磁場理論建立之初，尼古拉·特斯拉（Nicola Tesla）等科學傢就已經開始嘗試利用電磁波進行無綫電力傳輸，然而時至今日，無綫電力傳輸技術的成熟度和應用廣泛度仍無法與無綫通信技術相比。
　　近來，隨著人類社會信息化的不斷發展，人們渴望切斷電子設備的“最後一根綫”——電力綫，從而獲得最大的使用靈活度，因此無綫電力傳輸技術再次得到人們的重視，進行瞭大量有益的實驗和探索。在該背景下，日本京都大學筱原直樹（Naoki Shinohara）教授編著的本書對於無綫電力傳輸技術的推動將産生重要意義。本書首先迴顧無綫電力傳輸技術的發展曆史，介紹瞭技術發展路綫和現狀，並對未來的技術發展進行瞭預測，使讀者可以快速瞭解無綫電力傳輸技術的發展脈絡； 然後介紹無綫電力傳輸的基礎理論和相關技術原理，讓具備一定基礎的讀者可以全麵掌握相關技術和理論； 最後對無綫電力傳輸的應用進行詳細介紹，激勵讀者不斷探索新的應用場景。
　　本書敘述語言簡潔清晰，理論推導簡明扼要，給齣的資料和數據翔實充分，尤為難得的是展示瞭大量實驗數據和圖片。本書對於無綫電力傳輸技術的初學者來說是一本重要的入門指導書，而對於相關技術的從業者而言是一部具有重要參考價值的技術手冊。
　　全書的翻譯由張超完成，其中部分插圖數據的核實以及詞匯的校對是在研究生脫艷紅、劉曉楚和李誌強的幫助下完成的，在此錶示感謝。本書翻譯工作還得到瞭清華大學齣版社梁穎編輯的大力協助，在此錶示衷心的感謝。最後，譯者對傢人在翻譯過程中的關心和支持錶示深深的感謝。
　　原書中有少量明顯的輸入錯誤和排版疏漏，譯者在翻譯時直接做瞭改動。由於譯者的水平有限和不可避免的主觀片麵性，翻譯不當或者錶述不清之處在所難免，懇請廣大讀者及專傢批評指正。
　　張超
　　2018年1月
　　於西安交通大學


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