一種基于微波的無線能量系統(tǒng)研究

俞萍 崔彥君 劉輝

摘 要：本文主要針對(duì)廣東培正學(xué)院青年基金科研項(xiàng)目進(jìn)行探討和研究，通過設(shè)計(jì)高增益天線和Butler矩陣匹配網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)高效收集微波能量，將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為電能提供給低功耗的小型設(shè)備使用，將為利用無線電能源提供新思路。

關(guān)鍵詞：微波 天線 能量

人們對(duì)于無線能量傳輸?shù)膲?mèng)想追逐開始于19 世紀(jì)，美國(guó)能源部（DOE）和美國(guó)航空航天局（NASA）共同探究太陽(yáng)能衛(wèi)星系統(tǒng)無線充電的可行性。他們將 5 GW 的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉úㄊ湎蛐l(wèi)星，衛(wèi)星使用相控陣天線接收，并將電磁波轉(zhuǎn)化成直流能量存儲(chǔ)使用。無線能量收集技術(shù)被廣泛用于超低功耗設(shè)備供電方法的研究，無線能量傳輸?shù)难芯繄F(tuán)隊(duì)遍布全球，諸如芬蘭、美國(guó)、韓國(guó)、日本、比利時(shí)、德國(guó)等。國(guó)內(nèi)外研究的無線能量收集天線主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：輸入端與轉(zhuǎn)換電路匹配好；陣列形式提升增益和方向性；集成整流電路和天線構(gòu)成整流天線。雖然各式各樣的天線都可以用于能量收集，但是不同類型的天線在收集能效上還是存在差異。

一、天線的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外研究的無線能量收集天線主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1、輸入端與轉(zhuǎn)換電路匹配好；2、陣列形式提升增益和方向性；3、集成整流電路和天線構(gòu)成整流天線。雖然各式各樣的天線都可以用于能量收集，但是不同類型的天線在收集能效上還是存在差異。對(duì)于低射頻輸入功率的情況下，需要高增益以提升輸入功率，同時(shí)需要良好的前端匹配以減少射頻功率的損失，典型天線設(shè)計(jì)。

無線能量經(jīng)過收集天線進(jìn)入到轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過前端匹配，進(jìn)入整流升壓電路進(jìn)行射頻與直流的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電磁波波長(zhǎng)，無線能量供電技術(shù)可分成遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)兩種形式。近場(chǎng)傳輸一般通過線圈耦合的方式傳遞能量，傳輸距離較短，而遠(yuǎn)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離超視距傳輸。周圍環(huán)境中獲取無線能量的方式被稱為無線能量收集而通過增加能量源以實(shí)現(xiàn)近距離充電的方式被稱為無線能量傳輸。電視、廣播、無線局域網(wǎng)等均以無線電波作為載體傳輸信息，它們從基站發(fā)出的信號(hào)源能量有時(shí)高達(dá)kW量級(jí)，但接收端，收到的能量很小，其余的都散射到空間中轉(zhuǎn)化為熱能或被其他物體吸收。本設(shè)計(jì)的無線能量收集系統(tǒng)是利用日常生活中常見的微波信號(hào)，信號(hào)源能量強(qiáng)度穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，便于進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的無線能量收集。

二、項(xiàng)目系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)主要來源廣東培正學(xué)院科研項(xiàng)目：一種基于微波的無線能量系統(tǒng)研究。對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行研究和分析。通過設(shè)計(jì)高增益天線和Butler矩陣匹配網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)高效收集微波能量，將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為電能提供給低功耗的小型設(shè)備使用，將為利用無線電能源提供新思路。

1、來波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將偵測(cè)天線與Butler矩陣相接，在每次無線能量收集前，借助該系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)源能量分布情況的檢測(cè)，找出最大來波方向，使收集天線對(duì)準(zhǔn)該方向，確保無線能量收集測(cè)試的準(zhǔn)確性。首先ARM內(nèi)核微處理器控制數(shù)據(jù)選擇器，不同的數(shù)據(jù)選擇將改變Butler矩陣的相位，從而可以接收到天線在不同方向上的微波信號(hào)，將接收到的微波信號(hào)通過轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。再經(jīng)過微處理器處理后，液晶屏上將會(huì)顯示不同方向所接收到的信號(hào)大小，從而確定能量接收最強(qiáng)的方向。

2、無線能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)了來波檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)無線能量收集的信號(hào)源的最大來波方向，接著將設(shè)計(jì)基于穩(wěn)定微波信號(hào)的無線能量收集系統(tǒng)。針對(duì)收集天線設(shè)計(jì)了與Butler矩陣鏈接的天線陣列，并給出該天線的仿真與實(shí)測(cè)情況。進(jìn)行設(shè)計(jì)高增益天線、Butler矩陣匹配設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，使用CST，ADS，HFSS等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，并用轉(zhuǎn)換效率和電路效率評(píng)價(jià)電路的性能。

3、收集效能評(píng)價(jià)

針對(duì)微波信號(hào)設(shè)計(jì)了無線能量收集系統(tǒng)，結(jié)合無線能量收集系統(tǒng)的框架，提出收集效率、轉(zhuǎn)化效率、電路效率三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。搭建用于模擬相應(yīng)的微波信號(hào)的室內(nèi)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)不同收集天線、射頻合路和直流合路的連接方式進(jìn)行不同輸入功率條件下的測(cè)試，最后給出所測(cè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)情況。

三、總結(jié)

無源多波束饋電網(wǎng)絡(luò)主要利用Butler矩陣實(shí)現(xiàn)，其中選擇單層微帶線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)Butler矩陣網(wǎng)絡(luò)。在將各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)完成后，將其組合成無線能量收集系統(tǒng)，如何設(shè)計(jì)符合本系統(tǒng)的所使用的Butler矩陣是難點(diǎn)。各個(gè)模塊間要匹配良好才能達(dá)到高效能。匹配包括阻抗的匹配，首先接收天線與Butler矩陣要實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，其次是Butler矩陣與能量轉(zhuǎn)換電路模塊間的。頻率的匹配，依據(jù)所采用的能量轉(zhuǎn)換電路等因素來確定的中心頻率在完成各模塊調(diào)試后組合在一起時(shí)頻率應(yīng)在各自的中心頻率上，達(dá)到最大的效率。

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作者簡(jiǎn)介：俞萍，女，1981年出生，碩士，計(jì)算機(jī)講師，主要從事電子信息以及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作。

項(xiàng)目來源：廣東培正學(xué)院青年基金科研課題“一種基于微波的無線能量系統(tǒng)研究”，項(xiàng)目編號(hào)為18pzxmqn01。