基于耦合电感的无线携能通信系统研究

耦合电感作为无线能量传输(WPT)中最常用的传输媒介，不仅可用来传输能量，也可用来传输信息。本文研究了利用耦合电感同时传输信息和能量(SWIPT)时的误码率、能量传输效率及系统各参数对性能的影响，优化了系统参数，并且比较了ASK和EBPSK调制信号用于该携能通信系统时的性能。仿真结果表

近年来， 无线能量传输技术(Wireless Power Transmission, WPT)迅猛发展并广为应用， 小到电动牙刷、手机等生活用品，大到电动汽车、无人机这样的交通工具，都在使用无线能量传输。然而在很多应用场景中， 不仅需要传输能量还需要传输信息。

如植入式医疗设备为减轻病人痛苦常常需要为设备无线充电， 同时还需要读取设备中存储的病人身体信息，电动汽车在无线充电的同时可能还需要传输一些状态信息和控制数据，因此在这样的需求下，无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)应运而生。

SWIPT 是传统的WPT 技术和无线信息传输(Wireless Information Transmission, WIT)技术的结合，旨在利用电磁能量同时无线地传输能量和信息。最早提出这一概念并从理论上进行分析的是Varshney，他从信息论的角度分别给出了离散和连续情况下加性高斯白噪声(AWGN)信道的容量能量函数(Capacity Energy Function) [1]。之后Pulkit Grover 和Anant Sahai 提出了通过耦合电感电路同时传输信息和能量的问题，将其等效为平均功率受限的频率选择性AWGN 信道，并通过注水法得到了最优的功率分配，其研究结果显示可以通过损失很少能量传输效率的同时获得一半的信道容量[2]。

本文延续Grover 和Sahai 的研究，探讨了耦合电感电路中，利用实际的调制信号同时传输信息和能量时的误码率和传输效率，通过仿真给出了电路各参数的选取依据，最终实现了损失一点能量传输效率的同时达到很低的误码率。

2. 基本原理 2.1. 系统模型 图1 是耦合电感的电路模型， 一般通过在发送端和接收端串联或并联电容提高能量传输的效率[3] [4]， 下面就串联–串联补偿类型的耦合电感模型进行分析。

记sU 为理想电压源， 1R 和1R 分别为电感1L 和1L 的内阻， 1C 为发端的补偿电容， 2C 为收端补偿电容，1i 和2i 分别为收发端电流。则对于任意信号可得下列时域方程组 ( )( )( )( )( )( )( )1121 1112222 2ddddddd( )ddsi tti titR i tLMUtttCititLR i tMtt+−+=+=∫ (1) 两边同取拉普拉斯变换得到