無線功率傳輸演進與發展

Chapter 1 簡介

有效率之無線功率傳輸是現今很重要之研究議題，無線感測網路為無線功率 傳輸其中一個重要應用，目的為建立一套能源管理系統並有效率的供電，取代傳 統以電池來提供電力，然而，無線感測網路由許多的發射器及接收器所組成，因 此在空間中如何提供足夠的能量給每一個接收器，而不需要手動調整接收器之位 置及角度，在任何放置角度下，均能接收到穩定的功率，是本論文將研究的方向。

1.1 無線功率傳輸演進與發展

無線功率傳輸歷史可追溯至 1862 年，Maxwell equation 被提出，其中 Poynting Theorem 解釋了能量傳輸之現象，一百年前，Nicole Tesla 希望能透由無線方式來 提供電力，因此，他便於 19 世紀末做了一個實驗，他試圖使用頻率 150kHz 電波 傳輸功率 300kW 能量，由於天線尺寸以及工作頻率之問題，實驗最終失敗，但該 實驗成為許多科學家研究之方向[1]。1960 年二次世界大戰，William C. Brown 開 發無線通信以及雷達感測技術，他使用 2.45GHz 微波管進行一系列實驗以及開發 了整流天線，對微波進行接收與整流[2]。

圖 1-1 為無線功率傳輸系統方塊圖，輸入端產生交流訊號，進入 TX 以及阻抗 匹配網路，經由耦合將能量傳送至 RX，並經由 AC-DC 整流器，輸出直流電壓。

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圖 1-1 無線功率傳輸系統方塊圖。

無線功率傳輸最近的趨勢始於麻省理工學院（MIT）在2007年所採用的共振耦 合原理[3]，使用簡單之共振電路實現TX與RX架構，操作頻率為10.56MHz，便可 傳輸達2公尺，傳輸功率可達60瓦，傳輸效率為50%，其電路架構使用四個線圈進 行能量傳輸，如圖 1-2所示。

圖 1-2 線圈架構[3]。

A 線圈主要提供訊號源給 S 線圈，D 線圈負責接收從 S 線圈耦合過來之能量，

再將其能量傳輸至 B 線圈並送至負載，由於訊號源內阻以及負載電阻會影響線圈 的品質因數 (quality factors)，四線圈架構相較於傳統兩線圈架構，線圈之品質因數 較高，傳輸效率較佳。

由於能量傳輸的發射與接收主要由 S 線圈及 D 線圈負責，因此 A 線圈與 S 線

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圈距離以及 D 線圈與 B 線圈距離不需離的太遠，考量到阻抗匹配，當 A 線圈與 S

線圈距離以及 D 線圈與 B 線圈距離約為 S 線圈與 D 線圈距離之¹

4時，約可得到該 傳輸距離最佳效率[3]。

然而，使用單一發射器作為無線功率傳輸可能會面臨兩個問題，第一，當 S 線圈與 D 線圈間的角度改變時，傳輸效率也會隨著角度而改變，當 S 線圈與 D 線 圈間的角度垂直時，D 線圈會收不到能量，第二，當 S 線圈與 D 線圈沒有對準時，

亦會影響傳輸效率，因此，本論文提出多發射器架構，目的為傳輸效率不因旋轉 角度改變而收不到能量，並透過多發射端間調變使傳輸效率不會受到接收端旋轉 角度影響。

1.1.1 無線功率傳輸標準

無線功率傳輸主要有三個標準: Wireless Power Consortium (WPC)，Alliance for Wireless Power (A4WP)及 Power Matters Alliance (PMA)。

WPC 最早成立於 2008 年，推出 Qi 標準，需要電子裝置與無線充電板對好位 置，並使用磁感應技術進行供電，傳輸距離為可達數公分，傳輸頻段為 1 kHz 到 200kHz[4]。

A4WP 成立於 2012 年，使用磁共振之進行供電，推出 Rezence 標準，傳輸功率 20 到 50 瓦，傳輸距離較遠，因此傳輸效率低[5]。

PMA 成立於 2012 年，亦以磁感應方式進行供電，推出標準為PMA，目前得到 了 Google、AT&T 及星巴克的加盟，正在努力躋身 IEEE 標準體系，目前在星巴 克已在數家店裡部署無線充電站，連同咖啡一起計費[6]。

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