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内容简介

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.

目录

绪论
第1章无线电力传输的历史﹑现状及未来
1.119世纪的理论预测和首次尝试
1.220世纪60年代微波技术激活无线电力传输
1.320世纪电感耦合无线电力传输项目
1.421世纪无线电力传输技术将改变世界
第2章无线电力传输理论
2.1理论背景
2.2波束效率和耦合效率
2.2.1无线电波的波束效率
2.2.2理论上波束效率的提高
2.2.3近耦合距离处的耦合效率
2.3波束成形
2.3.1相控阵波束成形理论及其误差
2.3.2通过无线电波检测目标
2.4波束接收
第3章无线电力传输技术
3.1引言
3.2射频的生成——使用半导体高功率放大器
3.3射频生成——微波管
3.3.1磁控管
3.3.2行波管、行波管放大器
3.3.3速调管
3.4波束成形和相控阵目标检测技术
3.4.1介绍
3.4.220世纪90年代的相控阵
3.4.321世纪初的相控阵
3.4.4磁控管相控阵
3.4.5方向回溯系统
3.5射频整流器——整流天线与电子管类型
3.5.1整流天线的一般整流理论
3.5.2整流天线Ⅰ——整流回路
3.5.3整流天线Ⅱ——更高的频率和双频带
3.5.4整流天线Ⅲ——弱电和能量收集
3.5.5整流天线阵列
3.5.6真空管整流器
第4章无线电力传输的应用
4.1引言
4.2能量获取
4.3传感器网络
4.4泛在电源
4.5管道中的微波电力传输
4.6微波在建筑中的应用
4.7二维无线电力传输
4.8电动汽车的无线充电
4.9点对点无线电力传输
4.10运动或飞行目标的无线电力传输
4.11太阳发电卫星
4.11.1基本概念
4.11.2二氧化碳零排放的太阳能发电卫星为人类可持续
发展提供清洁能源
4.11.3太阳能发电卫星上的微波电力传输
4.11.4太阳能发电卫星模型
参考文献

精彩书摘

　　第3章无线电力传输技术
　　3.1引言
　　正如第2章所述，基于麦克斯韦方程组、天线理论和基于高频的电磁理论及耦合理论，能量是可以通过无线电波来传输的。另外，需要高效频率转换器将直流电或者50/60Hz的交流电转换为高频，来进行无线电力传输。与此相反的是，需要高效整流器将高频转换为直流电或者50/60Hz的交流电。
　　特别对微波电力传输(MPT)而言，使用半导体和微波管的高功率放大器(high�瞤ower amplifiers，HPAs)经常被用作功率放大器和微波发生器。总体而言，使用半导体和微波管的高功率放大器的特性如下所述。
　　（1) 使用半导体(砷化镓，氮化镓等)的高功率放大器用作微波电力传输(如图3.1(a)所示)：
　　�r 具有较低的功率(使用砷化镓半导体功率小于几十瓦特，使用氮化镓半导体功率小于几百瓦特)；
　　�r 具有较低的电压需求(使用砷化镓半导体电压小于5V，使用氮化镓半导体电压小于50V)；
　　�r 效率特性(在2GHz带宽下，效率小于80%； 在5GHz带宽下，效率小于70%)；
　　�r 具有较小的尺寸(使用了单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit，MMIC)技术，因此减小了体积)；
　　�r 价格昂贵(取决于大批量生产);
　　�r 适用于相控阵(具有较低的功率和较小的体积)。
　　（2) 用于微波电力传输的微波电子管(如磁控管、速调管、行波管(traveling wave tube，TWT)等，如图3.1(b)所示)：
　　�r 具有更高的功率(大于1000W)；
　　�r 具有更高的电压需求(需求大于几十千伏)；
　　�r 效率特性(在2GHz带宽下，效率小于80%)；
　　�r 具有更大的尺寸(需要真空的条件)；
　　�r 价格便宜(如使用电磁炉型磁控管)；
　　�r 不适用于相控阵(由于抑制栅瓣需要较高的功率和较大的体积)。
　　使用半导体的微波管和高功率放大器的功率和频率特性如图3.2所示。
　　图3.1（a) 使用半导体的高功率放大器电路(砷化镓场效应管)；
　　（b) 微波电力传输的电磁炉型磁控管(微波管)
　　图3.2不同频率下各种微波管和半导体射频平均功率输出［TRE 02］
　　在20世纪60年代，由于微波管的效率高于半导体HPAs，因此微波管经常被用于微波电力传输。近年来，半导体HPAs的效率得到了较大的提升，所以半导体HPAs有时也会用在相控阵的微波电力传输实验中。微波管仍用于点对点的或者短距离的没有任何波束成形的微波电力传输实验中。由于电磁炉式(cooker�瞭ype)磁控管具有低成本的特点，所以仍然被经常使用。依据系统的设计和目的，从而可以决定是使用微波管还是半导体HPAs。在电感耦合和谐振耦合无线电力传输(WPT)系统中，一直使用的是半导体频率转换器。特别是在低频率时的反相电路中使用。
　　整流电路是无线电力传输中另外一个重要的系统。在室内或者是工业应用中，电子产品经常需要频率为50/60Hz的交流电，有时候需要使用直流电。因此，无线电力传输系统必须能将千赫到千兆赫范围内的高频转换为直流电或者50/60Hz的交流电。但从高频转换到50/60Hz的交流电还是相当困难的。因此，在无线电力传输系统中，经常直接使用将高频转换为直流的整流器，在这种整流器中经常使用半导体二极管。在微波电力传输系统中，接收系统包含天线和整流器，也就是整流天线。
　　3.2射频的生成——使用半导体高功率放大器
　　在20世纪80年代以后，特别是晶体管取代了微波管，半导体设备在微波领域占据了主导地位。引起这种改变原因是移动电话网络的发展。由于半导体设备的易管理性和能够被大量生产的特性，半导体设备被用来扩展微波技术的应用，这种扩展的微波应用包括相控阵和有源集成天线。20世纪90年代以后，日本做了一些使用半导体HPAs的相控阵微波电力传输实验。
　　微波电路中典型的晶体管设备是场效应晶体管(field effect transistor，FET)、异质结双极性晶体管(heterojunction bipolar transistor，HBT)和高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)。现在半导体设备用的频率在几千兆赫以下的材料是硅，在更高的频率下的材料则是砷化镓。最近，氮化镓和碳化硅有望应用于微波电路中。氮化镓和碳化硅被用于宽带隙半导体，与砷化镓半导体一样可以适应高功率和高频率。在微波频率范围内常常使用氮化镓，低频的转换电路中则用的是碳化硅。新型的氮化镓高功率放大器的输出电压与频率的特性如图3.3所示。
　　微波电路是由这些半导体器件构成的。通过使用半导体器件的微波电路来控制相位和幅度是非常简单的，电路中包括放大器、移相器、调制器等。从电路设计理论层面上来说微波放大器决定了效率和增益。通过微波放大器中的偏置电压的不同，微波放大器被分为A、B、C类微波放大器。图3.4(a)中的放大器电路和A,B,C类放大器是等效的。这些不同类的放大器同样适用于千赫兹到兆赫兹系统。
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前言/序言

　　根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场可以产生变化的磁场，而变化的磁场也可以产生变化的电场，因此会形成电磁波在介质中传播。基于此原理，无线通信技术获得了巨大的成功，如移动电话、广播电视、Wi�睩i网络、卫星通信等技术与我们现在的生活息息相关，极大地提高了人类的生活质量。然而，电磁波不仅可以携带信息，而且具有一定的能量，虽然在电磁场理论建立之初，尼古拉·特斯拉（Nicola Tesla）等科学家就已经开始尝试利用电磁波进行无线电力传输，然而时至今日，无线电力传输技术的成熟度和应用广泛度仍无法与无线通信技术相比。
　　近来，随着人类社会信息化的不断发展，人们渴望切断电子设备的“最后一根线”——电力线，从而获得最大的使用灵活度，因此无线电力传输技术再次得到人们的重视，进行了大量有益的实验和探索。在该背景下，日本京都大学筱原直树（Naoki Shinohara）教授编著的本书对于无线电力传输技术的推动将产生重要意义。本书首先回顾无线电力传输技术的发展历史，介绍了技术发展路线和现状，并对未来的技术发展进行了预测，使读者可以快速了解无线电力传输技术的发展脉络； 然后介绍无线电力传输的基础理论和相关技术原理，让具备一定基础的读者可以全面掌握相关技术和理论； 最后对无线电力传输的应用进行详细介绍，激励读者不断探索新的应用场景。
　　本书叙述语言简洁清晰，理论推导简明扼要，给出的资料和数据翔实充分，尤为难得的是展示了大量实验数据和图片。本书对于无线电力传输技术的初学者来说是一本重要的入门指导书，而对于相关技术的从业者而言是一部具有重要参考价值的技术手册。
　　全书的翻译由张超完成，其中部分插图数据的核实以及词汇的校对是在研究生脱艳红、刘晓楚和李志强的帮助下完成的，在此表示感谢。本书翻译工作还得到了清华大学出版社梁颖编辑的大力协助，在此表示衷心的感谢。最后，译者对家人在翻译过程中的关心和支持表示深深的感谢。
　　原书中有少量明显的输入错误和排版疏漏，译者在翻译时直接做了改动。由于译者的水平有限和不可避免的主观片面性，翻译不当或者表述不清之处在所难免，恳请广大读者及专家批评指正。
　　张超
　　2018年1月
　　于西安交通大学

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