无线能量传输PPT课件
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f ( , ) 称为天线的方向性函数，表达了天线的方向性特性。
其不仅决定了场的大小也决定了场的相位。
24
• 天线的方向性函数D
天线的方向性系数D用来表示天线集中辐射能量的特性。
D S (1 , 1 )
Su
其物理意义为：天线的方向性使某方向的辐射功率密 度比之均匀辐射时的倍数。
25
• 对于天线方向性的求解
6
• 2007年美国麻省理 工学院的研究人员 在无线传输电力方 面取得了新进展， 他们用两米外的一 个电源，“隔地” 点亮了一盏60瓦的 灯泡 。
7
2008年在Intern 公司技术峰会上， 研究人员声称此项 技术可以运用到 笔记本电脑上， 借此摆脱了电线的 束缚！
8
如果这项技术得以应用，我们的生活将会 发生巨大的变化：我们不再需要电线、插 座，手机充电比打开蓝牙还要简单，只要 你处于一定得区域内，手机就一直可以被 充电；同样笔记本电脑也不用担心电池没 电了。
•有效接收面积
有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。
Ae
PL m ax S av
接收天线在最佳状态下所接收的功率可以看成是被具有面积
为 有效接受面积 的口面所截获的垂直入射波功率密度的总
和
29
30
电磁波输电遇到的困难
• 电磁波的衰减 • 电磁波反射 • 接收天线的面积 • 电磁污染
长距离的输电线 路占用了大量的 空间，金属。能 否省去？？
5
早在了19世纪30年代迈克尔·法拉第就发现， 磁场变化后将在电线周围产生电流，这就为无线 传输电能提供了理论可能！
1913年，既是航海家又是网球选手的法 国人罗兰-加洛斯就提出能否从地面为空中飞 行器提供动力。
这是人们当时美好的遐想，试图摆脱电线 的思考。
所以可得
在方向( 1 , 1 ) ，
Su2E Zm 0 2a xr42
2
0
f2(,)sindd
0
S(1,1)E2m Z2a0x f 2(1,1)
27
∴可得
D
2
4f 2(1,1) f2(,)sindd
00
所以在最大辐射方向上有
D
2
4 f2(,)sindd
00
28
• 天线的接收
接收：天线导体在空间电磁场的作用下产生感应电动势 ，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生 电压并在接收机回路中产生电流。其过程是发射天线的 逆过程。
9
甚至，可能没有电 网这个概念，我们 不需要电线了。这 极大的鼓舞着人们 去进行研究无线传 输能量的具体方法。
10
11
电磁能量在空间的传播
电磁波的产生 在空间的传播性质 空间传播规律 电磁波所载能量
12
电磁波的产生
电流可以产生磁场，而变化的磁场同样可以 产生电场，这就形成的电磁场。
变化的电、磁场间存在耦合，以波的形式存 在于空间，这就是电磁波。电磁波虽然看不见， 摸不着，但是他无时无刻不存在于我们的周围， 凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。
13
空间的传播
电磁波的传播过程就是能量传播的过程 高频时电磁波可以在自由空间内传递
14
空间传播规律
假设自由空间为无缘空间 ，媒质是各向同性、线性和均匀。 可以得到电磁波动方程
2H H 2H 0
t
t2
2E E 2E 0
t
t2
环境在无限大的均匀理想介质中，电磁波电场强度和磁场强度
随时间做正弦变化
S(E H )d S VE eJ d V VJ2 d V W t
电磁能流密度
S=E*H
它表示在单位时间内通过垂直于能量传播方向的单位面积的电磁 能量。
17
电磁能量的发射与接收
18
无限能量传输的中枢结构：
天线
天线是一种专门的电磁波辐射器。
19
天线的发射参数
• 天线的辐射功率
辐射功率：在远区单位时间内通过球面的 电磁能量的平均值。
H jI2lsirnej2r
E
0 jIlsinej2r 0 2r
21
所以，可得辐射功率：
P
I2 2
2
3
(l )
其中 I 为流经的电流， l 为单元偶
极子的长度
22
• 天线辐射电阻
将辐射功率视为一个电阻吸收的功率，并使流过电阻 的电流等于天线上的电流的有效值，则称这个电阻为天 线的辐射电阻。
1、相速等于波速；2、场量的幅值与x、f无关。
15
能量流动问题与分析
电场能量储存在电场中，磁场能量储存在磁场中， 电磁场为电、磁场的耦合，既有电场能量又有磁场能量。
wwewm12DE12BH
16
能量流动问题与分析
坡印亭定理 坡印亭定理给出了电磁能流和电磁场量之间的一般关系， 反映了电磁能量符合自然界物质运动过程中能量守恒和转化定律。
在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均 值称为天线的辐射功率。在球面，单位面积上 通过的功率密度就是坡印亭矢量S，则
Sav
1 2 E H
20
ຫໍສະໝຸດ Baidu
∴经过面积dS的功率
1 dP 2E HdS
将 H E
代入得
P sdP r22 0 2d0 H 2sind
以单元偶极子天线为例，有 E rE H rH 0
为求方向性，我们可以将研究的天线与理想的，辐射功 率相等的点源做比较。
对点源来说，其没有方向性，即
Su
P
4 r 2
26
通过无穷小单位面的功率为
所以辐射功率为 dPE 2m Z 2a0x f2(,)r2sindd
P E 2 m 2Z ax0 r2
2 f2(,
00
)sindd
Z 0 为天线所在媒质的特性阻抗。
31
电磁波的衰减
• 从接收面积考虑
• 我们可以看到能量以1/r^2
0
衰减.
32
接收天线的面积
• 接收天线的面积需要很大
33
电磁波的衰减
• 在介质中的衰减
E y(x) ,t2E e xco t sβ( x θ 1)
可得单元偶极子的辐射电阻：
R
2
3
(l )
R 表征了天线辐射电磁能量的能力，其值越大，辐射能力
越强。
23
• 天线的方向性函数
对于任何天线，在空间的电场公式均可写成
E A f(,)e j( , ) e jk r
f ( , ) 表示天线方向性的振幅特
性
( , ) 表示天线方向性的相位特性。
Energy Wireless Transfer
1
无线能量传输背景/论文整合 无线能量传输原理/ppt整合 无线能量传输原理 无线能量传输问题整合
无线能量传输前景
师威浩 刘兴业 任想 李超 彭涛
2
3
无线电力传输背景
• 电线充斥在我们的生 活当中，错综复杂的 连接方式 给我们带 来很大的不便。
4
其不仅决定了场的大小也决定了场的相位。
24
• 天线的方向性函数D
天线的方向性系数D用来表示天线集中辐射能量的特性。
D S (1 , 1 )
Su
其物理意义为：天线的方向性使某方向的辐射功率密 度比之均匀辐射时的倍数。
25
• 对于天线方向性的求解
6
• 2007年美国麻省理 工学院的研究人员 在无线传输电力方 面取得了新进展， 他们用两米外的一 个电源，“隔地” 点亮了一盏60瓦的 灯泡 。
7
2008年在Intern 公司技术峰会上， 研究人员声称此项 技术可以运用到 笔记本电脑上， 借此摆脱了电线的 束缚！
8
如果这项技术得以应用，我们的生活将会 发生巨大的变化：我们不再需要电线、插 座，手机充电比打开蓝牙还要简单，只要 你处于一定得区域内，手机就一直可以被 充电；同样笔记本电脑也不用担心电池没 电了。
•有效接收面积
有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。
Ae
PL m ax S av
接收天线在最佳状态下所接收的功率可以看成是被具有面积
为 有效接受面积 的口面所截获的垂直入射波功率密度的总
和
29
30
电磁波输电遇到的困难
• 电磁波的衰减 • 电磁波反射 • 接收天线的面积 • 电磁污染
长距离的输电线 路占用了大量的 空间，金属。能 否省去？？
5
早在了19世纪30年代迈克尔·法拉第就发现， 磁场变化后将在电线周围产生电流，这就为无线 传输电能提供了理论可能！
1913年，既是航海家又是网球选手的法 国人罗兰-加洛斯就提出能否从地面为空中飞 行器提供动力。
这是人们当时美好的遐想，试图摆脱电线 的思考。
所以可得
在方向( 1 , 1 ) ，
Su2E Zm 0 2a xr42
2
0
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0
S(1,1)E2m Z2a0x f 2(1,1)
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∴可得
D
2
4f 2(1,1) f2(,)sindd
00
所以在最大辐射方向上有
D
2
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00
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• 天线的接收
接收：天线导体在空间电磁场的作用下产生感应电动势 ，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生 电压并在接收机回路中产生电流。其过程是发射天线的 逆过程。
9
甚至，可能没有电 网这个概念，我们 不需要电线了。这 极大的鼓舞着人们 去进行研究无线传 输能量的具体方法。
10
11
电磁能量在空间的传播
电磁波的产生 在空间的传播性质 空间传播规律 电磁波所载能量
12
电磁波的产生
电流可以产生磁场，而变化的磁场同样可以 产生电场，这就形成的电磁场。
变化的电、磁场间存在耦合，以波的形式存 在于空间，这就是电磁波。电磁波虽然看不见， 摸不着，但是他无时无刻不存在于我们的周围， 凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。
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空间的传播
电磁波的传播过程就是能量传播的过程 高频时电磁波可以在自由空间内传递
14
空间传播规律
假设自由空间为无缘空间 ，媒质是各向同性、线性和均匀。 可以得到电磁波动方程
2H H 2H 0
t
t2
2E E 2E 0
t
t2
环境在无限大的均匀理想介质中，电磁波电场强度和磁场强度
随时间做正弦变化
S(E H )d S VE eJ d V VJ2 d V W t
电磁能流密度
S=E*H
它表示在单位时间内通过垂直于能量传播方向的单位面积的电磁 能量。
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电磁能量的发射与接收
18
无限能量传输的中枢结构：
天线
天线是一种专门的电磁波辐射器。
19
天线的发射参数
• 天线的辐射功率
辐射功率：在远区单位时间内通过球面的 电磁能量的平均值。
H jI2lsirnej2r
E
0 jIlsinej2r 0 2r
21
所以，可得辐射功率：
P
I2 2
2
3
(l )
其中 I 为流经的电流， l 为单元偶
极子的长度
22
• 天线辐射电阻
将辐射功率视为一个电阻吸收的功率，并使流过电阻 的电流等于天线上的电流的有效值，则称这个电阻为天 线的辐射电阻。
1、相速等于波速；2、场量的幅值与x、f无关。
15
能量流动问题与分析
电场能量储存在电场中，磁场能量储存在磁场中， 电磁场为电、磁场的耦合，既有电场能量又有磁场能量。
wwewm12DE12BH
16
能量流动问题与分析
坡印亭定理 坡印亭定理给出了电磁能流和电磁场量之间的一般关系， 反映了电磁能量符合自然界物质运动过程中能量守恒和转化定律。
在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均 值称为天线的辐射功率。在球面，单位面积上 通过的功率密度就是坡印亭矢量S，则
Sav
1 2 E H
20
ຫໍສະໝຸດ Baidu
∴经过面积dS的功率
1 dP 2E HdS
将 H E
代入得
P sdP r22 0 2d0 H 2sind
以单元偶极子天线为例，有 E rE H rH 0
为求方向性，我们可以将研究的天线与理想的，辐射功 率相等的点源做比较。
对点源来说，其没有方向性，即
Su
P
4 r 2
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通过无穷小单位面的功率为
所以辐射功率为 dPE 2m Z 2a0x f2(,)r2sindd
P E 2 m 2Z ax0 r2
2 f2(,
00
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Z 0 为天线所在媒质的特性阻抗。
31
电磁波的衰减
• 从接收面积考虑
• 我们可以看到能量以1/r^2
0
衰减.
32
接收天线的面积
• 接收天线的面积需要很大
33
电磁波的衰减
• 在介质中的衰减
E y(x) ,t2E e xco t sβ( x θ 1)
可得单元偶极子的辐射电阻：
R
2
3
(l )
R 表征了天线辐射电磁能量的能力，其值越大，辐射能力
越强。
23
• 天线的方向性函数
对于任何天线，在空间的电场公式均可写成
E A f(,)e j( , ) e jk r
f ( , ) 表示天线方向性的振幅特
性
( , ) 表示天线方向性的相位特性。
Energy Wireless Transfer
1
无线能量传输背景/论文整合 无线能量传输原理/ppt整合 无线能量传输原理 无线能量传输问题整合
无线能量传输前景
师威浩 刘兴业 任想 李超 彭涛
2
3
无线电力传输背景
• 电线充斥在我们的生 活当中，错综复杂的 连接方式 给我们带 来很大的不便。
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