自17世纪人类发现如何发电后就用金属电线来四处传输电力。时至今日，供电网、高压线已遍布全球的各个角落。在工作和生活中，越来越多的电器给我们带来极大便捷的同时，不知不觉各种“理不清”的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增。不过，这些年的科技发展表明，在无线数据传输技术日益普及之时，科学家对无线电力传输（Wireless Pow-er Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，从某种意义上来讲，无线电力传输也不再是幻想——在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线已成为可能。

1.无线电力传输的基本原理

（1）电磁感应——短程传输

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的基本原理是，发射线圈和接收线圈之间利用磁耦合来传递能量。若发射线圈中通以交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，接收线圈中产生的感应电势可供电给移动设备或者给电池充电。

（2）电磁耦合共振——中程传输

中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100kHz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100kHz时，电磁波便可以在空气中传播，并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频（RF）。将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后，经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源，这一过程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签等，实现效率较高的无线电力传输。

具体来说，整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转化为磁场。当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。图8-38是一个典型的利用电磁共振来实现无线电力传输的系统方案。电磁波的频率越高，其向空间辐射的能量就越大，传输效率就越高。

图8-38 无线电力传输原理图

（3）微波/激光——远程传输

理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好，弥散就越小。所以，可以利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发利用、解决未来能源短缺问题也有着重要意义。1968年，美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念。其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能送回地球。

2.无线电力技术的应用前景

无线电力传输作为一种先进的技术一般应用于特殊的场合，具有广泛的应用前景，比如：

1）给一些难以架设线路或危险的地区供应电能。如高山、森林、沙漠、海岛等地的台站经常遇到架设电力线路困难的问题，而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电，无线输电可补充电力不足。此外，无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。

2）解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题。我国的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒芜土地，南方部分地区水力、风力资源丰富，这些地区有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。可是，这些地区人烟稀少、地形复杂，在崇山峻岭之中难以架设线路，这时无线输电技术就有了用武之地。采用无线输电技术，还可以把核电站建在沙漠、荒岛等地。这样一方面便于埋葬核废料，另一方面当电站运行发生故障时也可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。

3.无线电力技术在无线传感器网络节点电源中的应用

传统的物联网传感器节点多采用电池供电，大大限制了传感器节点在更加恶劣的环境中工作的可靠性。同时，大量电池的使用和更换，既浪费了人力也给环境带来了污染。射频无线供电将使传感器节点彻底摆脱传统电池供电的种种束缚与弊端，通过高频信号输出、高频放大器、势垒稳压电路、动态释放电路等模块进行非接触式的微电量传输。下面对以上各核心电路模块进行设计与描述。

（1）无线供电模型

物联网传感器节点一般在一定的区域内分散部署，并以一定的拓扑结构进行数据交换以及通信。在一定数量的节点中会有一个或者几个主节点，或者称为协调器节点，进行数据的汇聚以及通信协议的管理。可以借用这样的主节点作为电磁能量的供体，其他从属于它的从节点为能量的受体，构成一种广播式的无线射频能量传输系统。

无线输电的无线传感器网络系统总体结构示意图如图8-39所示。

图8-39 无线输电的无线传感器网络系统总体结构示意图

圆形区域内为主节点T电磁波辐射有效作用范围，在该区域内不规则地分布着若干个从节点。任意一个从节点Ri都可以从主节点天线辐射出的电磁波能量中得到可供自己工作的电能，一般作用半径为3m。如果在更广阔的区域内进行类似部署，就需要多个主节点来提供能量，由若干个相交或者相切的半径为3m的圆形区域组成一个庞大的系统区间。(www.daowen.com)

在系统正常运行状态下，主节点的工作状态是一直通电，并且一直向区域内辐射一定频率的电磁波，而从节点则不间断地从空间中吸收由主节点发出的微弱的电磁波能量。这个能量是远远不足以支撑从节点工作组件（单片机芯片、射频芯片、传感器等）实时正常工作的，故从节点的工作模式是间隙性、非实时的。系统工作流程如图8-40所示。

图8-40 系统工作流程

系统需要工作时，主节点先上电启动，而后开始向空间辐射电磁波。此时从节点处于非工作状态，但是此时从节点前端的无源电路（天线、滤波整流电路等）是在工作的，并且将得到的能量储存起来。接着由电压阈值判断电路判断电能存储器的电压是否能满足负载完成一个完整的工作周期，如果满足，则向负载提供电能。待负载完成工作后，电能就不满足其工作了，就要停止运转，由前端无源器件继续进行能量收集储存，等待下一个工作周期的触发。

图8-41和图8-42分别为主节点发射端和从节点接收端的电路框图。由于主节点上是有单片机的，所以固定频率的方波可以由程序控制单片机的某个引脚产生。高频功率放大电路和发射电路主要是为高频电磁波的产生与发射做准备，它们的核心电路为E类放大器。从节点的接收端接收到的高频交流信号经整流滤波、势垒稳压等电路后由动态释放电路驱动负载。

图8-41 主节点发射端电路框图

图8-42 从节点接收端电路框图

（2）主要电路

1）发射极电路。

发射极主要是将能量以高频电磁波的方式辐射出去，并且要保证一定的辐射功率。电磁波的原始信号由单片机发出，接着高频信号经过高频放大器的作用被辐射出去。这里采用E类放大器（见图8-43）作为射频输电系统的发射极，其发射距离可达10m，实时传输功率在几毫瓦到100mW，并且其电路结构简单，可以做到很小，对最终产品的小型化很有好处。此外E类放大器效率高，高频性能好，比较适合做射频供电的发射极。因此，由E类放大器为主要组件，组成了发射极的功放以及发射电路模块。

2）接收端电路。

接收端的电路主要实现电磁波信号向可用的稳定电源的转变功能，需要有滤波、整流、能量收集、能量释放等诸多步骤。这里利用电容式电势累加器和基于二极管设计的利用阈值判断动态释放电能的电路为核心组件，构成接收端的电路。该电路高频滤波性能好，并且输出直流电压稳定可靠，同时还具有防静电功能，可以有效保护负载的超低功耗设备。

图8-44为带ESD（静电释放）的电容式电势累加电路。它利用开关阵列逐次增加输出电压的大小，接收电路的输入信号为高频的交流信号。在输入信号的正半周，二极管D1导通，输入信号对C1充电，此时C1的左极板为正电压，右极板为负电压。在输入信号的负半周，C1相当于电池，与输入信号串联，此时二极管D2导通，对C2充电，C2的电压大于C1电压。依此类推，电压随着累加电路级数而逐渐累加，最后对电容C26进行充电。电容C26起到了微能量收集器的作用，应采用电容值较大的电容，例如超级电容。电容式电势累加电路中还采用了防静电设计。如图8-44所示，该防静电设计包括两个晶体管M1、M2。M1的源极与所述第一输入端连接，M1的漏极、栅极及衬底引线均与所述第一输出端连接；M2的源极与所述第二输入端连接，M2的漏极、栅极、衬底引线均与所述第一输出端连接。若有静电进入电路，M1、M2导通，将高电压释放掉。

图8-43 E类放大器

图8-44 带ESD的电容式电势累加电路

电容式电势累加电路中，最后一级累加电路中的第二电容（例如图8-44中的电容C26）作为微能量收集器，存储足够的电荷以供负载在输入能量较小的时刻维持正常工作所需的电源电压。当输入的能量较高时，电容中储存的电荷过多，可能导致输出给负载的电压过高。为此，在接收端装置中又加入了一个电能动态释放电路，如图8-45所示。包括一个电压感应器和一个晶体管M3。电压感应器包括一组串联的二极管（D1～D5）和一个电阻R。当此动态电能释放电路的输入功率较低时，动态电能释放电路的输入电压较低，二极管D1～D5尚未导通，电阻R上电压近似为0，晶体管M3关断；当动态电能释放电路的输入功率逐渐增大时，D1～D5导通，电阻R上的电压逐渐增大，当电压高于M3的开启电压之后，M3导通将微能量收集器C26中多余的电荷释放掉，从而起到稳压的效果。

图8-45 电能动态释放电路