一種基于微波的無(wú)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(guò)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(wú)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(wú)線能量傳輸?shù)膲?mèng)想追逐開(kāi)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線能量經(jīng)過(guò)收集天線進(jìn)入到轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過(guò)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(wú)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(guò)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(wú)線能量的方式被稱為無(wú)線能量收集而通過(guò)增加能量源以實(shí)現(xiàn)近距離充電的方式被稱為無(wú)線能量傳輸。電視、廣播、無(wú)線局域網(wǎng)等均以無(wú)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(wú)線能量收集系統(tǒng)是利用日常生活中常見(jiàn)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(wú)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(lái)源廣東培正學(xué)院科研項(xiàng)目：一種基于微波的無(wú)線能量系統(tǒng)研究。對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行研究和分析。通過(guò)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(wú)線電能源提供新思路。

1、來(lái)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(wú)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(lái)波方向，使收集天線對(duì)準(zhǔn)該方向，確保無(wú)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(guò)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。再經(jīng)過(guò)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(wú)線能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)了來(lái)波檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)無(wú)線能量收集的信號(hào)源的最大來(lái)波方向，接著將設(shè)計(jì)基于穩(wěn)定微波信號(hào)的無(wú)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(wú)線能量收集系統(tǒng)，結(jié)合無(wú)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(wú)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)源：廣東培正學(xué)院青年基金科研課題“一種基于微波的無(wú)線能量系統(tǒng)研究”，項(xiàng)目編號(hào)為18pzxmqn01。