一、理论基础

随着社会发展和电器应用领域的拓宽，对传统的电能接入方式带来了巨大挑战。传统的接入方式存在电源线杂乱、线路易老化、灵活性差，连接插拔处易产生电火花等问题，促使着人们寻求电能接入的新方式。无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术是一种新型的电能接入方式，以磁场、电场、微波或者激光等等作为电能传输的介质，摆脱了导线的束缚，使电能接入变得安全、灵活、可靠。其中基于磁场耦合的电能传输（ICPT，Inductively Coupled Power Transfer）技术起步较早，吸引了许多学者对其机理及应用展开了大量的研究和探索。电场在许多特性上与磁场相似且两者在基本理论上也呈现出对偶性，因此基于电场耦合的电能传输(ECPT，Electric-field Coupled Power Transfer)技术也逐渐引起了人们的关注。ECPT技术具有耦合机构简易轻薄且形状易变及成本低廉；正常工作时不会使极板之间以及附近的导体产生涡流效应；对周围环境产生的电磁辐射小；可以通过金属障碍物传输电能等优势。目前已有许多专家学者围绕旋转机构、移动机器人、生物医学设备、移动电话以及电动汽车充电等方面的应用展开研究，并取得了一定的成果。

在电能无线传输过程中，为了增强系统鲁棒性和提升系统能效，需要发射侧和接收侧的数据交互以实现闭环控制；在许多实际应用场合中，不仅需实现电能无线传输，还需同时实现控制信号从发送侧向接收侧的传输和监测数据从接收侧向发送侧的回传，例如在电动车无线供电系统中，需实时发送充电控制信号并接收电池状态数据等。因此在电能传输的同时，实现信号快速、可靠地传递成为了一个极具价值的课题。目前大量科研工作者围绕ICPT系统中的电能与信号并行传输问题展开了研究并提出了解决方案，且在小型生物医学装置、电动汽车及其他领域已有应用，而围绕ECPT系统的相关研究则相对较少。除此之外，ECPT系统具有特殊性，如以金属极板作为耦合机构，为了减小等效耦合电容，需提升系统工作频率；相对于ICPT系统的电感耦合机构而言，等效耦合电容具有不同的电气特性；为了提升系统能效，需要加入复合谐振网络来提升极板的激励电压，导致系统阶数较高。目前无线电能传输系统中电能与信号并行传输实现的方式主要可以分为电能调制式、分离通道式以及共享通道式三种，其中电能调制式的主要特点是对电能传输中的电压电流或其他电气特征根据信号进行调制以实现信号传输，这种方式原理简单，但是其对电能传输影响较大，且信号不宜实现从接收侧向发送侧的反向传输；分离通道式的主要特点是拓扑中存在多个物理隔离的传输通道，在物理上实现了电能传输与信号传输的分离，但是其系统成本相对较高且应用受限，且当两个通道的耦合机构相互靠近时依旧需要解决电能与信号之间相互干扰的问题；共享通道式的主要特点是可以将电能与信号通过同一耦合机构传输，并且对电能传输影响较小，但是为了解决其电能串扰问题，一般需要加入额外的隔离电路或者采用控制算法。通过对已有方式的分析可知，可以围绕降低系统成本，减小对电能传输的影响以及降低串扰和信号传输通道复杂度等方面，对ECPT系统中电能与信号并行传输技术进行更为深入的研究和探索，以寻找一种合适的方式来实现ECPT系统中的电能与信号并行传输。

基于电场耦合的电能与信号回路分离式并行传输系统，是在传统的电场耦合式电能传输系统的基础上添加一对信号传输极板构成的，图2.1是基本系统原理图。电能部分主要包括电源部分、高频逆变电路、谐振网络、整流滤波电路及用电设备，信号部分主要由信号调制电路与信号解调电路组成。根据实际的需求及系统功率等级，电源部分可由直流电源提供或者从电网获取电能再通过整流电路后提供；高频逆变电路种类较多，应用比较广泛的有全桥式、半桥式、推挽式及E类放大器，是产生高频电能的关键；谐振网络具有补偿放大、滤波及阻抗变换等作用，可提升整体系统能效；整流滤波一般选择不可控的二极管整流，但在对效率要求较高场合下，同步整流可以大大降低整流电路的损耗，提升系统性能。信号调制电路是根据确定好的调制方案所设计，对载波进行调制；信号解调电路的作用则是将数字信号还原。在本系统中，而无论是电能还是信号，都需通过耦合机构实现无线传输，耦合机构形式较多，最简单是平板式，由尺寸相同的两块极板构成，分析时可等效为一个电容。

二、核心程序

%OFDM参数
%数据采样率
Fs = 80e6;
Ker= 10;%调整传输速率
T1 = 0.8/(Fs/Ker);%1路转换为180，然后发送，所以实际速度为T1的180倍。
%OFDM内部采样率
T2 = 1.76/(Fs/Ker);
%导频采样率
T2b= 0.0568/(Fs/Ker);
%上下变频采样率
T3 = 0.011/(Fs/Ker);
Ns = 32;%载波采样个数
%实际载波频率
F = 1/T3/Ns
%下面的值是每次测试得到的结果进行汇总，然后绘图
%每次仿真的时候，改变载波频率的值，即代码中的T3值，然后调整速度，。然后每次测试后记录。这个工作量比较大，我这里测试了5个不同的载波频率值。
F=[2,4,8,16,24]*1e6;
V=[22,32,50,71,80]*1e6;
figure;
plot(F/1e6,V/1e6,'b-o');
grid on
xlabel('载波频率MHz');
ylabel('传输速度Mbps');
ylim([0,100]);
%下面的值是每次测试得到的结果进行汇总，然后绘图
%每次仿真的时候，减少Cs3的值，然后调整速度，使得传输没有错误。然后每次测试后记录。这个工作量比较大，我这里测试了5个不同的cs3值。
Cs3=[0.02,0.04,0.06,0.08,0.1]*1e-9;
V=[60,62,65,72,80]*1e6;
figure;
plot(Cs3/1e-9,V/1e6,'b-o');
grid on
xlabel('Cs3(nF)');
ylabel('传输速度Mbps');
ylim([50,100]);
A01-188