微波無線能量傳輸與收集應(yīng)用系統(tǒng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)①

曹 壘，林先其，陳越騰

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731 )

0 引言

早期的微波無線能量傳輸技術(shù)(MWPT：Microwave Wireless Power Transmission)研究，主要圍繞在空間太陽能電站系統(tǒng)(SSPS: Space Solar Power System)上的應(yīng)用[1-4]。MWPT技術(shù)是將能量通過微波源輻射，通過自由空間傳輸，再被接收端收集，最后由接收端整流傳遞到負(fù)載的過程。近年來MWPT技術(shù)在近距離的應(yīng)用也在飛速發(fā)展，尤其是在低功率電子設(shè)備的應(yīng)用中有著顯著的優(yōu)越性。比如，MWPT應(yīng)用系統(tǒng)用于智能家居、小型傳感器、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)以及荒島等偏遠(yuǎn)地區(qū)的能量傳輸[5-8]。針對(duì)MWPT技術(shù)研究也從之前集中在固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線輸能的系統(tǒng)效率以及關(guān)鍵器件的能量轉(zhuǎn)換效率提升上，開始向?qū)崿F(xiàn)動(dòng)目標(biāo)及多目標(biāo)的應(yīng)用系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)變。

本文對(duì)MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成與特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外對(duì)不同工作方式的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)和現(xiàn)狀作較為全面的概述，最后分析概括了MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)能

如圖1所示，MWPT應(yīng)用系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)、空間傳播、接收系統(tǒng)三部分組成。發(fā)射系統(tǒng)主要包括微波信號(hào)源和發(fā)射天線兩部分，接收系統(tǒng)主要包括接收天線和整流電路兩部分，微波信號(hào)源將直流能量轉(zhuǎn)換成微波能量，發(fā)射天線將微波信號(hào)源輸出的射頻能量以電磁波的形式發(fā)射出去，射頻能量經(jīng)過空間傳播之后被接收天線接收到，整流電路將接收天線接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換成直流能量提供給負(fù)載端[9,10]。

圖1 MWPT系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of microwave wireless power transmission system

發(fā)射系統(tǒng)、空間傳播、接收系統(tǒng)三部分的效率分別為ηTX、ηspace、ηRX，三者分別為：

(1)

(2)

(3)

而MPT系統(tǒng)整體的效率為：

(4)

發(fā)射系統(tǒng)的效率ηTX主要影響因素是微波信號(hào)源中磁控管或者速調(diào)管將直流能量轉(zhuǎn)換成射頻能量的效率以及發(fā)射天線的輻射效率，空間傳播的效率ηs主要影響因素是收發(fā)天線的性能。接收系統(tǒng)的效率ηRX主要影響因素是整流電路的性能。相對(duì)于利用高壓送電等傳統(tǒng)的能量傳輸方式和激光能量傳輸?shù)绕渌滦湍芰總鬏敺绞剑琈WPT技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)MWPT技術(shù)突破了諧振耦合式無線供電距離的限制，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無線能量傳輸；

(2)MWPT技術(shù)打破了輸能工程中對(duì)地形空間等多方面的限制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線能量傳輸；

(3)MWPT技術(shù)相對(duì)于激光能量傳輸大功率收發(fā)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；

(4)MWPT技術(shù)傳輸速度快，傳輸方向可控。

2 MWPT應(yīng)用系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 相控陣技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)

相控陣技術(shù)采用電控制其單元相位，改變單元的初始相位可以改變波束指向，達(dá)到快速掃描的目的，具有快速無慣性的優(yōu)點(diǎn)。在MWPT應(yīng)用系統(tǒng)中，能夠根據(jù)接收端的位置不同，實(shí)現(xiàn)高精度定點(diǎn)能量傳輸，提高能量傳輸效率，從而得到廣泛應(yīng)用。

2.1.1 國(guó)內(nèi)外相控陣技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)研究

自上世紀(jì)90日本使用基于相控技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)研究一直處于研究的前沿地位，其研究也一直向著更高頻率和更高效率的方向進(jìn)行[11]。

圖2 基于相控陣技術(shù)的動(dòng)目標(biāo)MWPT應(yīng)用系統(tǒng)Fig.2 the moving target MWPT application system based on phased array technology

在1992年，日本H. Matsumoto教授團(tuán)隊(duì)搭建出基于相控陣技術(shù)的動(dòng)目標(biāo)MWPT系統(tǒng)，如圖2所示，相控陣發(fā)射陣列安裝在汽車的頂部驅(qū)動(dòng)無人機(jī)飛行，使用計(jì)算機(jī)和CCD攝像機(jī)的獲取的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)控制相控陣的波束指向無人機(jī)。無人機(jī)機(jī)

身上共有120個(gè)整流天線，陣元間距為0.7 ，整流天線單元直流輸出為功率1W時(shí)的整流效率為61%。無人機(jī)僅使用相控陣傳輸?shù)奈⒉芰匡w行，無人機(jī)在距離地方約10m處飛行[12]。

在2011年，Yoshiharu Fuse開始了微波地面無線能量傳輸?shù)难邪l(fā)項(xiàng)目，作為SSPS的太空驗(yàn)證的預(yù)研階段。系統(tǒng)整體工作示意圖如圖3所示，低功率低頻段(10mW)用于通信，大功率高頻段(5.8GHz，100W)用于能量傳輸。發(fā)射端采用MMIC封裝的HEMT作為末級(jí)放大器，功率附加效率為70%，能夠?yàn)榘l(fā)射端提供充足的功率輸出，同時(shí)減小了發(fā)射子陣的尺寸。作為將接收端裝載在移動(dòng)的漫游車上，測(cè)試移動(dòng)目標(biāo)的無線能量傳輸效果。整流天線陣列尺寸為340mm×600mm，由97個(gè)整流天線單元組成，整流效率為65%。圖X表示緩沖電池充電狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微波能量傳輸功率可以為移動(dòng)接收端提供足夠的能量進(jìn)行充電，同時(shí)接收端與系統(tǒng)外部設(shè)備間的通信狀態(tài)正常[13]。

圖3 微波地面無無線能量傳輸系統(tǒng)工作示意圖Fig.3 the diagram of microwave ground wireless power transmission system

圖4 日本2017年更新的空間太陽能電站發(fā)展路線圖Fig.4 The updated SSPS roadmap of Japan

在2011年，Yukihiro Homma設(shè)計(jì)了一套多功能基于相控陣技術(shù)的MWPT系統(tǒng), 采用幅度脈沖法的波束指向控制精度為0.4°。此外，采用收發(fā)天線與后級(jí)電路分離，便于根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更換調(diào)整。在接收端加載頻率選擇表面材料，抑制雜散輻射[14]。并在2017年，同年，日本提出SSPS分階段發(fā)展路線，如圖4所示，從2020年逐步開展SSPS關(guān)鍵技術(shù)的在軌驗(yàn)證[15]。

2.2 方向回溯技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)

用于方向回溯技術(shù)的天線陣可以在不知道入射波源位置的情況下將自身發(fā)射信號(hào)對(duì)準(zhǔn)來波方向。并且此種跟蹤可以依靠純模擬方式實(shí)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的相控陣和智能天線，該種方式不需要復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理與移相網(wǎng)路。因此具有速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可靠性高等特點(diǎn)。在現(xiàn)代無線通信和無線能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用前景[16,17]。

2.2.1 方向回溯技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究

在2018年，電子科技大學(xué)林先其教授團(tuán)隊(duì)的楊永穆搭建出一套基于方向回溯的MWPT演示系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)與雙目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤供電的演示，在目標(biāo)位置變化過程中，接收端的供電功率保持不變[18]。

圖5 同頻異極化方向回溯MPT演示系統(tǒng)Fig.5 Co-frequency different polarization retrodirective MPT demonstration system diagram

中國(guó)科學(xué)院的蔣凱旋在2019年針對(duì)針對(duì)分布式星簇內(nèi)部個(gè)衛(wèi)星之間的數(shù)傳及組網(wǎng)通信需求，采用超外差混頻技術(shù)開發(fā)了工作在8.1GHz上的一維方向回溯天線。對(duì)其進(jìn)行單站RCS和雙站雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section,RCS)測(cè)試，如圖6所示，在喇叭天線主波束±30°范圍內(nèi)，方向回溯天線的指向誤差控制在±3°以內(nèi)[19]。

(a)方向回溯天線結(jié)構(gòu) (b)雙站RCS測(cè)試結(jié)果圖6 MWPT應(yīng)用系統(tǒng)中方向回溯天線結(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果Fig.6 Retrodirective antenna structure and test results in MWPT application system

圖7 使用有源相位共軛器的圓極化方向回溯陣列Fig.7 Retro-directive circular array of using active Phase conjugator

在2019年，Anil Chepala提出將圓極化天線以圓形方式布陣，如圖7所示，同時(shí)采用有源相位共軛形式，實(shí)現(xiàn)360°全向覆蓋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有效提高接收端定位跟蹤的范圍和能量傳輸?shù)男蔥20]。

2.3 時(shí)間反演技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)

時(shí)間反演(time reversal，TR)是近年來電磁波領(lǐng)域發(fā)展出的一種新型自適應(yīng)空間電磁波傳輸技術(shù)。時(shí)間反演鏡將接收到的電磁信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并重新發(fā)射出去的技術(shù)。它的工作流程如下：接收端的信標(biāo)源向TR天線發(fā)射一個(gè)信標(biāo)信號(hào)，TR天線將接收到的信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行逆時(shí)處理后再發(fā)射，電磁波將自動(dòng)地聚焦于原源點(diǎn)處，克服多徑效應(yīng)，表現(xiàn)出環(huán)境自適應(yīng)性和空時(shí)聚焦的效果[21]。

2.3.1 時(shí)間反演技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究

臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)的Meng-Lin Ku，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的K.J.Ray Liu以及電子科技大學(xué)的王秉中教授等人最早提出了將時(shí)間反演理論用于微波無線能量傳輸技術(shù)當(dāng)中，并展開了相關(guān)研究[22,23]。

電子科技大學(xué)的王秉中教授在2017年提出一種聚焦窄帶時(shí)間反演無線輸能方案，在密閉的矩形金屬混響腔內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有16個(gè)輸能天線的TR聚焦系統(tǒng)可以達(dá)到87%的無線鏈路效率。分別實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)聚焦、多點(diǎn)聚焦的電磁能量無線傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、低危害、多目標(biāo)無線能量傳輸。在降低TR操作的實(shí)現(xiàn)難度下但時(shí)間反演技術(shù)必須依托實(shí)時(shí)信號(hào)處理以及收發(fā)鏈路中的相位幅度精準(zhǔn)控制。如圖8所示，該系統(tǒng)可以任意地點(diǎn)亮指定的LED燈，驗(yàn)證了TR的聚焦無線傳能效果。

圖8 窄帶TR聚焦無線輸能系統(tǒng)演示效果圖Fig.8 The demo result of narrow band TR focused MWPT system

在2019年，華南理工大學(xué)的胡斌杰教授利用自動(dòng)匹配的天線輻射和TR技術(shù)的環(huán)境自適應(yīng)性，構(gòu)建室內(nèi)3D模型，如圖9所示，提出一種基于時(shí)間反演的3D室內(nèi)MWPT的優(yōu)化算法。打破傳統(tǒng)MWPT系統(tǒng)中陣列單元必須具有相似結(jié)構(gòu)和分布的限制，通過單次TR計(jì)算和傅里葉變換操作即可獲得寬頻范圍內(nèi)陣列激勵(lì)相位，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。此外，該算法針對(duì)任意放置的多個(gè)接收端實(shí)現(xiàn)同時(shí)充電，消除功率分配不均勻的現(xiàn)象。將基于時(shí)間反演技術(shù)的MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的環(huán)境從從常規(guī)的密閉金屬腔體拓展至室內(nèi)環(huán)境，以及用于室外的復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境中，遺憾的是缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[24]。

圖9 MWPT應(yīng)用系統(tǒng)在3D室內(nèi)環(huán)境示意圖Fig.9 Illustration of MWPT application system in a 3D indoor environment

3 MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)與展望

MWPT技術(shù)經(jīng)過多年的研究，也從早期的理論驗(yàn)證階段，逐步走向應(yīng)用系統(tǒng)的研究，但作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，還有一些關(guān)鍵技術(shù)仍需要繼續(xù)進(jìn)一步的研究。

(1)小型化與共形集成研究

目前MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的研究主要集中在C波段和X波段，該頻段的天線口徑依舊較大，很難與傳感器一些穩(wěn)定設(shè)備，后續(xù)的研究可以采用35GHz乃至更高頻率，減小天線的口徑，從而實(shí)現(xiàn)接收端小型化與共形集成。

(2)實(shí)時(shí)跟蹤高效能量傳輸研究

MWPT系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景接收端大多是移動(dòng)目標(biāo)或者多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)?，F(xiàn)有的MWPT技術(shù)研究主要集中在靜止目標(biāo)的能量傳輸效率提升上，針對(duì)動(dòng)目標(biāo)MWPT技術(shù)的研究較少，未來針對(duì)動(dòng)目標(biāo)的無線能量傳輸，將集中于研究動(dòng)目標(biāo)的精確定位，微波能量的精確投送，分布式的波束賦形，實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤高效按時(shí)、按需供能；

(3)智能組網(wǎng)研究

信息與能量的自適應(yīng)調(diào)控應(yīng)用。一方面，與接收端的無人機(jī)、智能傳感器等設(shè)備相融實(shí)現(xiàn)供能、監(jiān)測(cè)偵察、通信一體化應(yīng)用；另一方面，與接收端的移動(dòng)設(shè)備終端、可穿戴設(shè)備構(gòu)建成萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈，融入到日常生活中。相信未來也會(huì)有越來越多的科研工作者投入到此方向的研究。

(4)電磁環(huán)境及對(duì)生物體影響研究

MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)射端在將大功率微波輻射在空間中具有隨機(jī)性，與敏感系統(tǒng)存在多重耦合通道，對(duì)系統(tǒng)及周邊自然環(huán)境造成不可忽視的影響。建立合適電磁干擾評(píng)價(jià)體系，將非必須的電磁能量按性質(zhì)劃分等級(jí)，按等級(jí)采用相應(yīng)的弱化技術(shù)，即濾波、對(duì)消、吸波，降低多周邊環(huán)境和生物體的影響，提高M(jìn)WPT應(yīng)用系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)論

目前這些研究更多集中在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MWPT的系統(tǒng)效率以及關(guān)鍵器件的能量轉(zhuǎn)換效率提升上，針對(duì)MWPT應(yīng)用，未來在單獨(dú)優(yōu)化應(yīng)用系統(tǒng)各部分組件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，綜合考慮空間傳輸環(huán)境因素，進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)一步提升MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的能量傳輸效率，與此同時(shí)拓展MWPT應(yīng)用系統(tǒng)的功能，為傳感器網(wǎng)絡(luò)、大功率移動(dòng)裝備、航天器等提供傳統(tǒng)供電方式無法實(shí)現(xiàn)的靈活性能源保障和通信安全。