微波輸能技術(shù)的研究進展及發(fā)展趨勢分析

林先其 許冬冬 曾姜杰 樊勇

摘要微波輸能技術(shù)（MPT）是實現(xiàn)遠距離能量無線傳輸?shù)闹饕绞街唬彩强臻g太陽能電站系統(tǒng)的核心技術(shù)之一.本文主要介紹了微波輸能技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對微波輸能技術(shù)的系統(tǒng)組成與關(guān)鍵技術(shù)做了分析，其中主要針對微波發(fā)射子系統(tǒng)與微波接收子系統(tǒng)兩大模塊進行了詳細的討論.最后，對微波輸能系統(tǒng)技術(shù)所存在的問題以及未來發(fā)展的趨勢進行了概括.關(guān)鍵詞微波輸能技術(shù)；空間太陽能電站系統(tǒng)；微波發(fā)射子系統(tǒng)；微波接收子系統(tǒng)

中圖分類號TN011

文獻標志碼A

收稿日期

20161130

資助項目國家自然科學基金（61571084）；教育部新世紀優(yōu)秀人才（NCET130095）

作者簡介林先其，男，博士，教授，博士生導師，教育部新世紀優(yōu)秀人才，主要研究方向為天線理論與技術(shù)、無線輸能、微波毫米波電路與系統(tǒng). xqlin@uestc.edu.cn

1電子科技大學電子信息工程學院，成都，611731

0 引言

1億年前，數(shù)以萬計的微生物、植物用千萬年的時間收集太陽的能量并把其儲存在大地深處，它們就是我們現(xiàn)在所使用的煤、天然氣和石油.正是這千萬年的積累才使人類在現(xiàn)代社會生活得如此舒適和富足.在過去的100年里，世界人口從17.5億增長到70億，超過20億人移居到了城市，人類開始慢慢地步入現(xiàn)代化社會.以此同時，人類所需的能源也越來越多，現(xiàn)代社會正在快速地消耗著這些不可再生的能源.據(jù)資料顯示，世界所剩下的石油儲量僅夠人類使用40年，天然氣及煤炭儲量則分別為55年和152年.21世紀面臨著能源危機的挑戰(zhàn)，急需尋求可持續(xù)發(fā)展的新能源來代替這些不可再生的能源，一方面解決能源短缺的問題，另一方面解決由于煤、天然氣和石油等礦物能源使用所帶來的環(huán)境污染問題.太陽能、風能、水能和地熱能等新能源正在逐步被人類研究和利用，其中太陽能更是一種巨大、久遠、無盡的能源.盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75×1026 W ）的22億分之一，但是已高達1.73×105 TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤.從某種程度上來說，地球上的風能、水能等能源均來自太陽能，即使是地球上的化石燃料（如煤、天然氣、石油等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能.

近年來對于太陽能利用的研究越來越多，其中空間太陽能電站系統(tǒng)（Space Solar Power System ，SSPS）就是一種采集空間中的太陽能，并轉(zhuǎn)為地球表面使用的系統(tǒng).空間太陽能電站系統(tǒng)[1]如圖1所示，它是將太陽能衛(wèi)星放置在同步軌道或近地軌道，通過太陽能電池板持續(xù)接收空間太陽能并將其轉(zhuǎn)化成電能，然后將電能轉(zhuǎn)化成電磁能量通過無線能量傳輸?shù)姆绞綄⒛芰枯斔偷降厍虮砻娴慕邮障到y(tǒng).其中微波輸能技術(shù)（Microwave Power Transmission， MPT）占到了主導性作用，它可以將能量以無線的形式進行大功率、遠距離的傳輸，這為空間太陽能電站的充分利用提供了基礎(chǔ).相對于利用交通工具或高壓送電設(shè)備等傳統(tǒng)的能量傳輸方式，微波輸能技術(shù)由于其獨特的優(yōu)點，它的應用領(lǐng)域也日益擴展，除了用于太陽能發(fā)電衛(wèi)星計劃之外，微波輸能還可以應用于臨近空間飛行器、微波驅(qū)動直升機、機器人供能及偏遠地區(qū)的能量傳輸[2].

1 國內(nèi)外的研究進展

1.1 國外的研究

1888年，基于麥克斯韋理論，Heinrich Hertz利用火花隙式無線發(fā)射機第一次用實驗驗證了無線電的存在.1899年，特斯拉就用實驗驗證了赫茲用無線電波傳輸能量的理論并提出了無線電能傳輸（Wireless Power Trasmission，WPT）的概念，如圖2所示.圖2a是特斯拉建造的巨大“特斯拉氏感應圈”[3]，這也是特斯拉首次嘗試無線輸能[4]（圖2b）.隨后他又領(lǐng)導建造了如圖2c所示的Wardenclyffe Tower[4].最后由于資金不足，Wardenclyffe Tower未能徹底完成.

20世紀30年代末，磁控管和速調(diào)管的發(fā)明解決了高頻源的問題，同時促進了WPT從低頻向微波頻率發(fā)展即MPT[5].基于第二次世界大戰(zhàn)期間微波管的發(fā)展，美國人Brown[6]開始了MPT的研究和開發(fā)，他在1964年與美國雷聲公司合作完成了MPT系統(tǒng)的實驗，成功利用了S波段的MPT系統(tǒng)驅(qū)動直升機.安裝在該飛機機身上的整流天線陣接收發(fā)射天線發(fā)射的射頻能量，然后通過整流電路將其轉(zhuǎn)換成直流，整個整流天線陣輸出的直流功率為200 W.1968年，美國人 Glaser 發(fā)表了有關(guān)太陽能衛(wèi)星的工作報告（S波段），它首先通過太陽能電池板獲得太陽輻射的能量，然后通過微波源產(chǎn)生微波能量，最后通過發(fā)射天線陣列定向傳送給地面上的大型整流天線陣.

1970年，馬歇爾航天中心（MSFC）與雷聲公司合作，不斷提高整個MPT系統(tǒng)的效率.系統(tǒng)效率主要包括3個：微波源將直流變?yōu)樯漕l的效率、發(fā)射天線的傳輸效率、接收端將射頻轉(zhuǎn)換為直流的效率，將這3個效率相乘就得到系統(tǒng)的總體效率.到1974年伴隨著SPS的研究，MPT系統(tǒng)效率達到了54%左右，系統(tǒng)工作頻率為2.446 GHz，整流天線輸出直流功率為495 W，此效率被JPL（Jet Propulsion Laboratory）實驗室的質(zhì)保部認證為當時最高的MPT系統(tǒng)效率.如圖3所示，1975年在JPL Goldstone的金星站成功地完成了MPT的演示.發(fā)射端是直徑26 m的拋物面天線，接收端是3.4 m × 7.2 m的長方形陣列天線，收發(fā)端之間的距離是1英里.從速調(diào)管傳出的2.388 GHz的微波有450 kW，整流輸出的直流功率有30 kW（DC），整流效率是82.5%.

1980—1990年之間日本和歐洲少部分地區(qū)還有加拿大對MPT的研究較多、發(fā)展比較迅速.1980年加拿大提出了一種高空持續(xù)繼電平臺[7]（ Stationary High Altitude Relay Platform， SHARP），該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作，無需燃料，通過微波給輕型飛機供能，使其保持長時間飛行狀態(tài).在1987年，大小為原型1/8的SHARP由微波供能在150 m高空飛行了20 min，系統(tǒng)工作的頻率為2.45 GHz，發(fā)射端采用拋物面天線進行發(fā)射，整流天線接收的功率密度可達400 W/m2，轉(zhuǎn)換的直流能量為150 W，這種級別的直流能量可以使4.1 kg的飛機起飛（圖4）.

1983年，在數(shù)值預測基礎(chǔ)上日本進行了MINIX（微波電離層非線性交互實驗）實驗[8]（圖5a），該實驗MPT系統(tǒng)工作頻段2.45 GHz，實驗過程中對強微波束在電離層中的影響進行了評估和計算機仿真.1992年日本又進行了微波給飛機供能的實驗（圖5b），微波能量通過汽車上的固態(tài)相陣發(fā)射到飛機上，整個MPT系統(tǒng)工作頻率為2.41 GHz.

20世紀90年代日本京都大學的RISH分別提出了相位控制磁控管[9]以及相位和幅度控制磁控管[10]，相位控制磁控管、相位和幅度控制磁控管系統(tǒng)工作的頻率分別為2.45和5.8 GHz，這兩項技術(shù)被應用于SPORTS（Space Power Radio Transmission System）2.45和SPORTS 5.8[11].如圖6a所示，SPORTS 2.45由3個子系統(tǒng)組成，分別是太陽能電池板提供直流輸入，相位控制磁控管的相控陣作為微波發(fā)射器以及整流天線接收陣.太陽能電池板提供8.4 kW的直流能量給微波發(fā)射器，相位控制磁控管的相控陣通過磁控管將直流轉(zhuǎn)化成射頻發(fā)射出去，整流天線陣接收到2.45 GHz的射頻功率為4 kW.SPORTS 5.8（圖6b）的結(jié)構(gòu)組成與SPORTS 2.45類似，不同的只是內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及器件工作的頻率.SPORTS 5.8的發(fā)射模塊由288個天線組成，發(fā)射功率為1.26 kW，整流天線的單元最大RF-DC效率為71.8%，輸出直流功率為100 mW，最佳負載為200 Ω.

NASA在日本的實驗成功后也開始重新考慮大型SSP系統(tǒng)的研究與發(fā)展.2000年，NASAMSFC領(lǐng)導了“SSP科學探索研究與技術(shù)”項目，該項目對于Glaser之前提出的許多問題進行了諸多探討，主要包括社會經(jīng)濟的評估、能源需求、環(huán)境影響以及法律問題.隨著美國對SSP的再次關(guān)注以及日本和其他國家研究者的持續(xù)研究，SSP的發(fā)展趨于平穩(wěn).2001年法國國家科學研究中心在留尼旺島搭建了一個點對點的無線能量傳輸系統(tǒng)，點亮了40 m外的 200 W燈泡，并成功將 10 kW 的電能輸送到谷底的村莊[12].2003 年美國宇航局 Dryden飛行中心提出了室內(nèi)激光驅(qū)動飛機模型，年底 SAE 展覽會上美國一家公司展出了微波充電汽車.2007 年曼徹斯特技術(shù)研究團隊（MIT）根據(jù)電磁共振原理，進行了相距2 m，收發(fā)2個線圈半徑為 60 cm無線能量傳輸系統(tǒng)的實驗，并點亮了 60 W 的燈泡，效率為40%.2008年 INTEL 又重新做了 MIT 的實驗，以更短的距離點亮燈泡，效率達到 75%.2012年美國洛克希德馬丁公司發(fā)明了激光無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功為無人偵察機供電.

1.2 國內(nèi)的研究

國內(nèi)微波輸能的研究較晚，1994年林為干院士首次引入微波輸能的概念，然后中國科學院電工研究所研究了微波輸能系統(tǒng)中的各種關(guān)鍵技術(shù)，并分析了磁懸浮列車微波無線供電系統(tǒng)的可行性[13].1998年電子科技大學李中云采用時域散射參數(shù)法對整流天線進行了理論分析，并仿真驗證了二極管SPICE參數(shù)、輸入功率、整流效率之間的關(guān)系[14] ；隨后電子科技大學李樂偉教授、樊勇教授以及林先其教授對不同功率下的微波能量傳輸進行了各種創(chuàng)新設(shè)計與實驗.2009年，四川大學在某飛行訓練機場進行了微波輸能演示實驗，其中發(fā)射端為平面天線，接收端為接收整流天線陣列，實現(xiàn)了200 m距離的微波輸能實驗.這是國內(nèi)較早采用大規(guī)模陣列天線的長距離微波輸能的外場實驗.黃卡瑪教授還分別在2009年和2013年提出了微波化學反應裝置的微波能量傳輸方法[15]和一種多路注入鎖定磁控管相干功率合成的微波源[16]，并對微波輸能技術(shù)進行了較為深入的研究.上海大學自從1998年開始，在國家自然科學基金等項目的支持下，對MPT系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)做了比較系統(tǒng)和深入的探索，在國內(nèi)較早實現(xiàn)了對管道機器人的微波輸能[17].其中上海大學的楊雪霞對接收整流天線陣進行了模型的分析，對整流天線的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)混合組陣進行了討論[18].雖然我國對微波輸能系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了一些較為深入的研究，但是大功率遠距離的無線輸電方面實驗項目還是太少.

2 微波輸能系統(tǒng)組成

微波輸能系統(tǒng)主要由微波發(fā)射子系統(tǒng)、微波接收子系統(tǒng)及空間傳輸三部分組成，具體電路由微波發(fā)射機、發(fā)射天線陣、接收天線陣和整流電路4個分部分組成.其中，微波發(fā)射機主要包括信號源和功率放大器兩部分；整流電路包括整流單元以及直流合成網(wǎng)絡(luò)兩部分.整個演示系統(tǒng)[19]組成如圖7所示.

目前微波輸能系統(tǒng)使用的頻率主要有2.45以及5.8 GHz，采取這些頻段進行能量傳輸是綜合考慮了受大氣影響情況、鏈路傳輸效率、系統(tǒng)規(guī)模以及技術(shù)成熟度等方面的因素.隨著元器件技術(shù)以及加工工藝的不斷發(fā)展，微波輸能系統(tǒng)的工作頻率可以提高到 35 GHz甚至更高，從而使系統(tǒng)的質(zhì)量和體積大大減小.

2.1 微波發(fā)射子系統(tǒng)

微波發(fā)射子系統(tǒng)由微波功率源和微波發(fā)射天線兩部分組成.微波發(fā)射子系統(tǒng)的效率是由微波功率源的直流轉(zhuǎn)化成射頻的效率和微波發(fā)射天線的輻射效率相乘而得到的.其中微波功率源使用的器件有產(chǎn)生微波的真空管和固態(tài)器件兩大類，微波真空管分為磁控管、行波管和速調(diào)管3種，而固態(tài)器件又分為半導體器件和混合器件.目前研究表明在2.45和5.8 GHz微波輸能系統(tǒng)中磁控管的直流到射頻的轉(zhuǎn)換效率最高可接近90%，同時磁控管的成本較低，所以磁控管是目前微波輸能系統(tǒng)中使用最多的直流到射頻的轉(zhuǎn)換器件.其他類型的器件在大功率輸出以及頻譜控制方面也具有相對的優(yōu)勢，所以根據(jù)實際情況的需要，這幾類剩下的器件在特定的情況下也會發(fā)揮很大的作用.對于35 GHz甚至更高頻段的這些器件正在不斷地進行探索研究，但是目前尚不具備非常成熟的技術(shù).微波源中直流轉(zhuǎn)化成射頻之后為了增加發(fā)射功率，有時候會加入功放，GaN功放[20]由于其效率高并且能夠承受的功率非常大，所以得到了不斷的發(fā)展研究，并且理論預測表明，其效率高于GaAs功放.

微波發(fā)射天線陣進行正常的工作需要具備兩個基本的功能：1）具有方向跟蹤定位功能，若接收天線是隨設(shè)備移動的，則發(fā)射天線陣必須能夠?qū)σ苿拥脑O(shè)備進行實時的波束跟蹤，從而完成射頻能量的傳輸；2）將磁控管轉(zhuǎn)換的微波能量盡最大可能輻射給接收天線的接收角Ω區(qū)域內(nèi)，也就是發(fā)射天線陣必須具備高聚焦能力.第一個功能可以通過給微波發(fā)射子系統(tǒng)增加波束回溯控制[2125]實現(xiàn)，文獻[2124]中的波束回溯控制基本上都是通過一個編碼好的導頻信號來實現(xiàn)的，這個導頻信號由接收端反饋的來波所得.假設(shè)一個N單元的二位發(fā)射天線陣，位于（xn，yn）（n=0，…，N-1）處的單元接收到發(fā)射端反饋回來的導頻信號電壓為γn，n=0，…，N-1，該信號的相位為∠γn=χn，n=0，…，N-1，則文獻[23]中所提到的相位共軛的方案可大致分為以下3步：

1）計算導頻信號的相位（∠γn=χn，n=0，…，N-1）；

2）計算每個單元所接收到的導頻信號相位與系統(tǒng)自帶的參考本陣的相位（χ^）的差值：Δχn=χn-χ^，n=0，…，N-1；

3）給第n個單元的饋電相位為φn=-Δχn，n=0，…，N-1.

通過相位共軛方案處理后，發(fā)射天線陣就能夠通過導頻信號來自動跟蹤移動的接收設(shè)備.第二個功能就是要通過調(diào)節(jié)天線陣的饋電，設(shè)計最合適的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)最佳的聚焦能力[2628].

在文獻[29]中，一個由256個單元組成的5.8 GHz的相控陣天線如圖8a所示，輸出的射頻功率為1.5 kW.該相控陣天線通過旋轉(zhuǎn)電場矢量的方法（REV）來實現(xiàn)天線電場的計算并通過軟件回溯系統(tǒng)來控制對接收部分的跟蹤，對接收部分的跟蹤誤差可以實現(xiàn)小于0.1°.文獻[23]中設(shè)計了一個小規(guī)模由2個子陣組成的MPT天線，每個天線單元由微帶貼片切去邊角實現(xiàn)圓極化，該陣的工作頻率為5.8 GHz，傳輸功率為40 W，由于結(jié)構(gòu)簡單，所以跟蹤的角度只有±5°.

現(xiàn)階段大多數(shù)的MPT發(fā)射天線陣都是基于均勻饋電的方案[3034]，在文獻[3132]中就運用了均勻加權(quán)輻射模塊實現(xiàn)了大的輻射結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)?0 W的射頻功率傳輸150 km.相同的設(shè)計思路也運用在文獻[30，34]，如圖8b所示.在文獻[30]中發(fā)射天線陣由5個均勻饋電的喇叭天線組成一個相控陣天線，傳輸?shù)墓β蕿? W.該相控陣工作在5.8 GHz，同時在旁邊增加了導頻信號的收發(fā)天線，導頻信號通過后臺的計算機處理，從而控制相控陣的波束對移動的微型飛行器進行跟蹤，在方向位上的跟蹤最大誤差為1.97°，橫向上的跟蹤最大誤差為1.79°.在文獻[34]中驗證了有源相控陣和有源集成相控陣作為微波輸能的發(fā)射天線陣的可行性，圖9a所示為4×8的一個有源相控陣，該發(fā)射天線陣的發(fā)射功率為120 W，接收天線裝在一個移動的小車上，該車的驅(qū)動平均功率需要4 W，發(fā)射與接收端的平均距離為25 m并且通過安裝在接收端的超聲波系統(tǒng)來進行定位；圖9b所示為8×4的一個有源集成相控陣，該發(fā)射陣模擬了無線通信和功率傳輸，發(fā)射5.8 GHz的載波攜帶了2 Mbps的MSK調(diào)制信號.

2.2 微波接收子系統(tǒng)

微波接收子系統(tǒng)中最重要的就是整流天線的設(shè)計，高效率的整流天線是微波輸能的關(guān)鍵技術(shù)之一.盡管之前大部分對于整流天線的研究都是對單個整流天線的研究[3335]，但是由于單個整流天線輸出的直流功率較小，而往往現(xiàn)實中所需要的是大功率遠距離的傳輸，所以近年來對于整流天線的組陣也越來越多[3540]，只有通過很多的整流天線陣的組合才能滿足現(xiàn)實中對于大功率的需求.

整流天線由接收天線與整流電路兩部分組成，整流電路中整流二極管性能是決定整流效率的關(guān)鍵因素.20世紀70年代，由于金屬半導體結(jié)的重復性較好，肖特基二極管逐漸取代了點接觸式半導體二極管，并且肖特基二極管可以達到的整流效率接近80%～90%.對于整流二極管的選擇十分重要，因為整流二極管自身的性質(zhì)對整流效率的影響非常大.在查找整流二極管的類型時，必須選擇寄生串聯(lián)電阻、零偏置電容較小以及反向擊穿電壓較大的整流二極管，這樣的整流二極管的整流效率相對而言會更高.當然在實際中需要運用專業(yè)軟件（ADS）對整流電路進行仿真設(shè)計，對整流電路的輸入功率、負載值、源內(nèi)阻等參數(shù)進行綜合考慮才能得到整流電路最佳的整流效率.

接收天線的形式也多種多樣，常見的有微帶貼片天線、偶極子天線以及其他形式的天線等.接收天線的極化方式大致分為線極化和圓極化.圖10是整流天線的組成框圖，首先通過接收天線接收空間的射頻信號，然后通過帶通濾波器（對于2.45 GHz的系統(tǒng)通帶就包括2.45 GHz，對于5.8 GHz的系統(tǒng)通帶就包括5.8 GHz，以此類推）將天線接收的基頻信號輸入到整流二極管上進行整流，帶通濾波器還有一個作用反射二極管的高頻信號到整流二極管，使這些高頻信號繼續(xù)進行多次整流.低通濾波器可使整出的直流信號通過，同時將基頻和基頻以上的諧波反射回去進行多次整流以提高整體的整流效率.

文獻[41]設(shè)計了一個電感補償?shù)恼麟娐?，通過電感補償電路中的電容使失配更小從而提高整流效率，在9 dBm的輸入功率下最佳的整流效率為86.7%.文獻[42]設(shè)計了一個5.8 GHz圓極化雙菱形環(huán)的整流天線，4×1的高增益右手圓極化雙菱形環(huán)天線和反射面設(shè)計為接收天線，圓極化增益為14.6 dB，3 dB軸比帶寬為7%，整流天線的效率達到了82%.文獻[43]設(shè)計了一個2.45 GHz的圓極化微帶貼片天線，天線的10 dB回波損耗帶寬為300 MHz，3 dB軸比帶寬為30 MHz，最高的整流效率為37.8%.文獻[44]設(shè)計了一個寬帶諧波抑制的整流天線，該天線具有較好的高次諧波抑制，在輸入功率10 dB下的最佳效率為70.2%.文獻[45]設(shè)計了一個高功率的整流電路，該整流電路首先將射頻信號通過耦合器分成4路進行橋式整流，然后通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式將獲得的直流能量合成起來，在920 MHz的時候串聯(lián)的整流效率為62%，并聯(lián)的整流效率為76%，并通過這個整流電路給手機進行了充電實驗.文獻[46]設(shè)計了一個6頻帶的雙圓極化天線，6個頻帶分別為550、750、900、1 850、2 150和450 MHz這些數(shù)字電視、LTE/4G、GSM900、GSM1800/4G和WiFi的頻段，接收天線為蝴蝶結(jié)形自互補對數(shù)周期交叉偶極子天線，通過90°相位差饋電實現(xiàn)圓極化，最大的整流效率為67%.文獻[47]設(shè)計了多種整流電路，并做了簡單的微波系統(tǒng)的演示，最佳的整流天線效率為80.78%.表1中列出了一些不同頻率、不同接收天線形式，以及不同輸入功率情況下，整流天線單元的輸出功率（或電壓）和轉(zhuǎn)換效率，其中輸出功率（或電壓）和轉(zhuǎn)換效率均是最大值.

現(xiàn)實需求中需要大功率遠距離的傳輸，上述所描述的整流天線大多數(shù)都是單個的整流天線單元，每個單元的輸出直流功率大都在100 mW以下，即使組陣也是很小的陣，比如在文獻[50]中組的就是3×3的小陣.當我們要求的輸出直流功率為幾百瓦或者幾千瓦的時候就必須組成一個很大的整流天線陣.圖11給出了整流天線陣的常規(guī)設(shè)計的幾種方案.

整流天線組陣的第1種方案如圖11a所示.首先對天線進行組陣，然后再將天線陣接收到的射頻信號通過射頻合成集體進行整流，但是這種方案對整流電路要求太高.由于合成的射頻功率較大，所以必須要求整流二極管的耐壓值要高，但是實際中的整流二極管的耐壓值是有限的，而且隨著耐壓值的增高，電容必定會增大，這樣必然會引起整流效率的降低，所以這種方案只能適合中功率的整流，不適合大功率遠距離的傳輸.第2種方案如圖11b所示.首先組成一些整流天線的子陣，然后再將這些子陣作為一個單元再進行組陣，這種方案就要比第1種要靈活得多，對整流二極管的要求也不那么高，輸出的直流功率也比較大.第3種方案如圖11c所示，就是通過串并聯(lián)、串聯(lián)并聯(lián)混合組成子陣的方式進行整流天線的組陣，該方案比第2種更加靈活，與第2種組成的子陣不同，這種方案組成的子陣可以通過單個整流天線隨意組合，是目前采取的最為普遍的方案，其組成的超大陣輸出的直流功率可以達到幾百瓦或者幾千瓦，滿足實際的需求.

文獻[54]分析了2種不同的整流組合的性能，一種是首先進行天線組陣，也就是第1種方案，另一種是先單個天線整流然后進行直流合成.分析結(jié)果表明2種方案的好壞可以通過單元個數(shù)、射頻組合效率、直流組合效率等因素進行估算.實際中我們可以通過這些因素選擇較好的一種組合方案，從而達到最佳的直流輸出.文獻[55]分析了在組成超大陣的時候串并聯(lián)連接方式對組陣后的直流輸出功率的影響，該分析方法是將每個整流天線等效為一個等效源加上源內(nèi)阻然后外接負載，再分析此模型通過串并聯(lián)或者串聯(lián)并聯(lián)組合的方式得到的效果，這種方法在理論上給出了一個組陣方案的參考，但是實際中的每個整流單元都不同，所以實際效果還得通過實驗進行驗證.

文獻[56]設(shè)計了一個超大的整流天線陣，總共有2 304個整流天線單元，整流天線陣的大小為3.2 m×3.6 m，最大的直流輸出接近600 W，整體的整流效率接近50%.文獻[57]設(shè)計了一種新型的整流天線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)很適合進行整流天線的組陣.文獻[58]也設(shè)計了一種新型的整流天線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與文獻[55]中的整流天線結(jié)構(gòu)具有很大的相似之處，也很容易實現(xiàn)整流天線的組陣.文獻[59]設(shè)計了一個整流天線陣，這個天線首先是將16個整流天線單元組成一個子陣，然后將這樣的16個子陣再次組成一個大陣，整個大陣的整流單元個數(shù)為256個.由于實驗時輸入整流天線陣的射頻功率較低，所以最后總的輸出直流功率接近600 mW，效率為60%.文獻[60]設(shè)計了一個微帶偶極子整流天線陣，該整流天線陣具有32個整流天線陣單元，在發(fā)射功率為1 257 mW的情況下得到的直流功率為210 mW，系統(tǒng)整體的效率為16.7%.文獻[61]設(shè)計了一個垂直堆疊的整流天線陣，總共堆疊了4層，每層上都有16個整流單元，實驗結(jié)果表明4層堆疊得到的直流功率是單層的5倍.這種堆疊的設(shè)計可以將整流天線陣實現(xiàn)三維的組陣，可以有效利用空間.文獻[62]將頻率選擇表面與整流天線進行了綜合的設(shè)計，該混合設(shè)計可以運用在實際環(huán)境中，最后實驗用的是4×3的一個整流天線陣.表2給出了一些研究計劃及其整流天線陣列研究成果.

3 微波輸能的未來發(fā)展

能源危機是21世紀人類必須要面對的問題，微波輸能技術(shù)由于可以對太陽能進行很好的利用而得到了國內(nèi)外積極的研究，但是，目前只有一些高校以及研究中心的MPT實驗系統(tǒng)，而沒有實際商用的MPT系統(tǒng).阻礙微波輸能實際應用的原因主要有以下幾點：

1）MPT的整體傳輸效率低下，能量擴散損耗以及熱損耗嚴重，進而也導致了單位能量的傳輸成本昂貴.微波發(fā)射子系統(tǒng)中的DCRF以及發(fā)射天線陣的發(fā)射效率這兩部分效率已經(jīng)達到了90%，微波接收子系統(tǒng)的整流天線的效率也能達到70%甚至更高，但是制約整體系統(tǒng)效率的還是空間傳輸.目前超遠距離傳輸時的空間傳輸效率很低，有時甚至只有百分之幾，所以提高空間傳輸?shù)男适翘岣進PT整體系統(tǒng)效率的關(guān)鍵.

2）微波發(fā)射子系統(tǒng)對于移動接收端的精確定位能力有待提升.實際應用環(huán)境復雜，傳輸對象的移動無規(guī)律，對于移動的接收設(shè)備進行精確定位是實現(xiàn)MPT技術(shù)的基礎(chǔ)，而目前對于移動接收端的定位研究還遠遠不夠.

3）整流天線陣的大規(guī)模共形化技術(shù)有待提升.實際中需要充電的設(shè)備如飛行器并沒有給整流天線陣的安裝提供很好的安裝區(qū)域，這就需要接收的整流天線陣能夠進行共形，以期能夠?qū)崿F(xiàn)更大面積的接收微波能.

4）MPT系統(tǒng)中泄露的能量會對臨近的通信、雷達等無線系統(tǒng)產(chǎn)生干擾.規(guī)劃中的空間太陽能電站，其發(fā)射功率至少在兆瓦級別也即60 dBW以上，而常規(guī)天線陣列設(shè)計其副瓣電平抑制僅為40 dB，也即其泄露功率為百瓦（20 dBW）級別.縱然是按照有文獻報道的實驗極限值75 dB的副瓣電平抑制，其泄露功率也有30 mW以上（-15 dBW），遠大于現(xiàn)有通信系統(tǒng)的常規(guī)接收信號功率值.再則，若是對移動接收端進行跟蹤充電，其泄露控制能力會進一步降低.

5）大功率微波傳輸對環(huán)境以及生物的影響需要進一步分析與研究.隨著無線系統(tǒng)的不斷增加，電磁污染已越來越多地受到人們的重視，而對于微波能量傳輸系統(tǒng)，其功率級別比之通信系統(tǒng)更高，更會引起人們的恐慌心理.另外，大功率微波對自然界中的各類生物也會產(chǎn)生多種影響，如微波熱效應以及生物電效應等.這些也需要進一步研究并提供相應的對策.

針對空間傳輸效率低下以及接收整流天線的共形問題，國內(nèi)外專家提出了分場景的不同頻段微波能量傳輸技術(shù)，如在太空以及近距離場景下采用毫米波段，以期利用相同口徑更高增益的天線收發(fā)來提升空間傳輸效率并實現(xiàn)更好的共形設(shè)計.針對動目標的能量傳輸，則可以通過嘗試通信以及雷達系統(tǒng)中的高定位技術(shù)包括方向回溯技術(shù)等，快速實現(xiàn)目標的跟蹤定位與能量傳輸，甚至可以采用能量傳輸與通信的異頻同時工作或者分時同頻工作等.針對MPT系統(tǒng)的微波泄露干擾問題，則可以通過特殊的副瓣電平綜合技術(shù)或者是尋求對電磁干擾要求不高的工作場景來實現(xiàn).關(guān)于微波對人類以及地球上生物的威脅問題，日本正在尋找大片森林區(qū)域布置MPT接收點進行實驗驗證.

微波輸能技術(shù)作為一種特殊而通用的技術(shù)，其應用領(lǐng)域越來越廣泛，如太陽能發(fā)電衛(wèi)星、臨近空間飛行器、微波驅(qū)動直升機、機器人供能及偏遠地區(qū)的能量傳輸，甚至是智慧城市的多用途電子設(shè)備供電等.因此，針對大功率MPT，建議制定三步走發(fā)展戰(zhàn)略[67]：

第一步（10年）：嘗試多種頻段的多場景微波輸能共形技術(shù)研究，在地面建立中遠距離的高功率微波輸能實驗平臺，對各關(guān)鍵部件以及技術(shù)進行攻關(guān).

第二步（10～20年）：形成特定的微波輸能標準包括可用頻段，運用特定的MPT頻段從地面對移動目標進行高功率微波輸能實驗；開拓出多種應用領(lǐng)域包括地地、地空、空空能量傳輸，引導MPT技術(shù)的商用化發(fā)展.

第三步（20～30年，最終目標）：實現(xiàn)地地、地空、空空的微波輸能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，包括空間太陽能電站.

相信未來我國微波輸能技術(shù)的研究必將極大促進國民經(jīng)濟的建設(shè)以及能源結(jié)構(gòu)的改善.

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