小功率微波無線能量傳輸系統關鍵技術的研究

喬帥翔，魏順航，張瀚文

（鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000）

隨著人民物質生活以及精神需求的不斷提升，電能在人類生活中起著越來越重要的作用。如今大多數情況下人們都是通過電纜、充電線等傳輸線對電能進行傳輸。但在一些特殊環境或場合下，例如化工、礦場等場所，裸露的電纜電線很容易造成安全事故，有線傳輸電能的方式已不能滿足這類場所安全的供電供能。因此在這種需求下，通過無線的方式對電能進行有效傳輸已越來越成為一種新的研究方向。

上個世紀時，通常只有信號或數據才能通過無線的方式進行傳播傳送。然而隨著近代以來半導體技術和材料科學技術的高速發展，無線電能傳輸技術開始加快進展，學術界對無線電能傳輸的不同方式均展開了研究。其在各個不同的領域均具有廣泛的應用前景，具有重要研究意義與價值。

無線電能傳輸方式又被稱為非接觸式電能傳輸(WPT)，以電磁波為媒介來進行電能的無線輸送。根據不同的傳輸機理，主要可分為以下幾類：電磁感應式無線電能傳輸、磁耦合共振式無線電能傳輸以及微波式無線電能傳輸。其中微波式無線電能傳輸相比于其他幾類，具有穩定性強、傳輸距離遠、定向性較高等優點，具有較高的研究價值與較為廣泛的應用前景。為了試驗的安全性同時考慮設計成本，本文在相對較安全的功率配置下對微波式無線電能傳輸進行研究，并設計了一款小功率微波無線電能傳輸系統。

1 微波無線電能傳輸系統的原理及分析

1.1 無線電能傳輸方式比較

在無線電力傳輸系統中，由來自電源的電力驅動發射器設備生成隨時間變化的電磁場，該電磁場將空間中的功率傳輸到接收器設備，接收器設備從該場中提取功率并將其提供給電氣設備。無線電能傳輸技術可以消除對電線以及電池的使用，從而為所有用戶增加了電子設備的移動性、便利性和安全性。表1 對3 種常見的無線電能傳輸方式進行了比較。

表1 3 種無線電能傳輸方式比較

根據傳輸距離范圍與波長的關系，無線電能傳輸可分為近場和遠場傳輸。其中電磁感應式和磁耦合共振式主要是近場傳輸，而微波式無線電能傳輸方式通常在遠場進行傳播。遠場又稱為輻射區，因而能量具有輻射性，即無論是否有接收裝置，發射端的能量都不會繼續在端口停留，而是向外部空間進行輻射，因此這類傳輸方式可進行較遠距離的電能傳輸，如無人機、溫室大棚傳感器等。同時在密閉潮濕的特殊環境下，更能明顯地突出微波式無線電能傳輸方式的優勢。不過由于距離較遠時，空氣中的大氣和遮擋物會對微波能造成一定損耗，故距離越遠傳輸效率會逐漸降低。因此提升微波無線電能傳輸系統的轉換效率是關鍵的技術環節。

2 微波無線電能傳輸系統關鍵技術研究

2.1 天線類型的選擇

本文主要研究的是小功率低電壓情況下的無線電能傳輸系統。由表2 可知，后2 種天線類型所需電壓等級較大，制作成本較高，不方便攜帶，同時危險系數較高，高強度的聚焦容易對人體造成傷害。

表2 常用天線類型及特點

因此，綜合考慮設計需求以及實驗安全性，本系統采用安全性能較好，同時傳輸效率較高，成本較低且方便控制的微帶天線作為系統的發射端天線。

微帶天線結構模型如圖1 所示。輻射貼片的長度為L，寬度為W，介質板厚度為h，正常工作波長為λ。由于介質板厚度h 遠小于工作波長λ，則可認為電場在h 范圍內沒有減小。接下來在此基礎上對矩形微帶天線的尺寸大小以及饋電方式進行設計計算。

圖1 微帶天線結構模型

2.2 天線尺寸的設計計算

天線的尺寸對于微波功率能的有效傳輸至關重要。而在確定需要設計的尺寸之前則應優先確定適合的介質板。本文采用工程常用的FR4 環氧樹脂板作為發射端天線的電路基板。該基板介電常數εr=4.4，厚度h=1.6mm。更適合作為工作在2.45GHz 頻率下微帶天線的介質基板。

由于微帶天線是無源元件，不能直接產生電壓和電流，因此需要通過傳輸線亦或其他元件對其進行供電并連入系統，即饋電。

為提高傳輸效率，本系統進行設計時，采用能量損耗更小的同軸線饋電的方式對天線進行饋電。這種方式由于其饋線與天線地板在同一側，故天線向反向側的輻射量更小。通過這種方式，能夠有效減小天線的反向輻射損耗，獲得更高的輻射前后比，從而提高傳輸效率。

由公式(1)可得出單個介質基片的寬度Wp：

式中，? 為工作頻率，c 為光速。

將?=2.45GHz 代入式(4-9)中，可求得Wp=36.5mm。

而介質的有效介電常數εe可由公式(2)求得：

若要求得單個介質基片的長度Lp，則需要分別對等效輻射縫隙的長邊度數ΔLp

以及FR4 板的有效介電常數εe進行求解：

將上述(3)(4)，代入求解Lp的公式(5)中：

可得出考慮邊際效應后的介質基片的長度Lp=28mm。有效介電常數εe和ΔLp分別為3.8mm 和0.77mm。

而在通過傳輸線對天線進行饋電時，主要需要考慮2個方面：阻抗的匹配和電流的平衡。

常規的微帶天線進行阻抗匹配時最佳阻抗為50Ω。故本設計同樣采用50Ω 的微帶饋線進行匹配，即Zin=50Ω。

由于同軸饋電點的位置不同，輸入天線的阻抗也不同。為了使傳輸線與天線阻抗匹配，需對饋電點的位置進行求解。

根據公式(5)：

可得出天線的壁導納值YW。設天線也作為傳輸線時的特性阻抗值為Z0(Z0=1/Y0)單位為歐姆(Ω)，饋電點在長為Lp的介質貼片上距貼片兩端的距離為L1和L2，單位為毫米(mm)。

天線的饋電點位置輸入導納值Y1 為：

天線輸入阻抗的公式如下：

由式(6)～(8)可計算出同軸饋電點的位置，其到貼片邊緣的距離L1=7mm。

2.3 微帶天線HFSS 仿真分析

上節對天線尺寸大小以及HFSS 軟件仿真所需參數進行計算后，具體數值如表3 所示。

表3 發射端天線的仿真參數

將 以 上 參 數 輸 入HFSS 軟 件 的“Design Properties”中，作為天線仿真的模型參數，之后依照表3 的尺寸大小對微帶天線進行模型建立。

通常同軸饋線的半徑不必過大，本設計中設置其半徑為0.6mm，而地面圓孔的半徑為1.5mm，在不影響天線增益大小的同時，也方便后續天線實物的制作。

由于本系統的工作頻率為2.45GHz，在計算頻率范圍（掃頻）時只需將此頻率包含在內即可。因此本設計將仿真的掃頻范圍設置為1.4～3.4GHz，頻率步進為正常的0.01GHz。

HFSS 仿真后微帶天線的回波損耗S11的波形如圖2 所示。從仿真結果中可以看出，天線在頻率為2.45GHz 時其回波損耗值達到最大，表明本設計中的天線的中心頻率為2.45GHz，符合本設計需求。

圖2 矩形微帶天線的回波損耗波形

天線的方向圖能夠直觀的看到天線在不同方向上的增益大小，是反映天線性能的主要參考。HFSS 仿真后天線的3D 增益如圖3 所示，由于單個天線主瓣較大，且沒有旁瓣，同時微帶天線的方向性較強，故正向增益較高。圖中可看到最大正向增益為3.8dB，最大輻射增益的方向垂直于天線平面。

圖3 微帶天線3D 增益方向圖

需要特別指出的是，由于天線為無源器件，因此不存在對信號或能量的放大作用。因此天線增益的含義與功率放大器將功率放大倍數意義不同，它代表天線對輸入天線的信號能量的集中程度以及轉換的效率。

由于單元天線的輻射增益以及傳輸功率較低，且方向性較弱，若使用一個單元的微帶天線效果不明顯。因此通常采用天線陣列——將多個單元天線有序地進行排列后，在同一工作頻率范圍內進行陣列式傳輸，從而大大提升其傳輸功率和輻射強度，同時天線陣列的方向性更強，在特定方向上的增益遠大于單元天線產生的增益效果。

天線陣列的數量和排列方式對微波無線電能傳輸系統具有較大的影響。在確定本設計的天線數目之前，需要先對天線陣列的輻射原理進行簡要的分析。

在天線的方向圖中，主要包括E 面、H 面和立體方向圖。其中E、H 面為經過最大輻射平面且與電場和磁場相正交的2 個平面，表示天線輻射的大小。

通過對單元微帶天線和陣列微帶天線的E、H 面方向性函數的分析和比較，可發現在尺寸、頻率和材質等影響變量一定的情況下，由于同一平面內幾列電磁波在相同相位相互疊加，陣列天線的方向性明顯大于相應的單元天線，且輻射強度也會增大，從而提升系統的傳輸功率，達到更好的效果。

基于以上分析，結合本設計小功率下的系統需求，同時考慮傳輸效率，旁瓣抑制，制作成本以及實用價值等因素，最終在發射端采用4×4 陣列的矩形微帶天線。單元輻射貼片的大小依舊為長28mm，寬36.5mm，厚1.6mm的RF4 環氧樹脂板。

陣列天線各參數的設置過程以及對邊界條件、求解頻率的設定等環節與上文單個天線仿真時步驟相同，在此不再贅述。在對模型進行檢查，確保無誤后，設置掃頻范圍為1.5~3.5GHz，頻率步進為0.01GHz，并運行仿真。

圖4為仿真后天線的S11 參數波形圖。圖中在2.45GHz 的工作頻率——m1點時，回波損耗為-17.5，且為最值，表示在此頻率內能夠穩定運行。盡管在m2點有相似幅值，但兩頻率相互獨立，在本設計中并不影響正常頻率內的增益大小。

圖4 陣列天線回波損耗波形圖

圖5為仿真輸出后，發射端陣列天線的3D 增益方向圖。對比其與圖3 的增益大小，可看到陣列天線的增益有了明顯升高，最大輻射增益（紅色頂端）約為10dB。

通過上述計算及仿真，對本設計中發射端4×4 陣列天線進行制作，其實物圖如圖6 所示。

圖6 微波無線電能傳輸系統發射端天線實物圖

3 結語

通過對發射端天線的類型進行選擇與分析，確定了微帶天線陣列的形式，隨后根據設計的頻率與要求對微帶天線的尺寸和陣列進行計算分析，并通過Ansoft HFSS仿真軟件對其進行電磁輻射分析，得出單元天線的特性，然后對設計的4×4 陣列的微帶天線進行仿真分析與優化，確認設計及結構的合理性，并得出最大輻射增益近似為10dB，符合設計需求。