微波輸能應(yīng)用中整流天線陣列接收效率的研究

韓　英，黃卡瑪

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

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微波輸能應(yīng)用中整流天線陣列接收效率的研究

韓英，黃卡瑪

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

摘要整流天線陣列是微波無線能量傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，其接收和轉(zhuǎn)換效率關(guān)系到能量無線傳輸?shù)某蓴?。?.8 GHz頻段采用矩形、圓形和三角形3種微帶貼片單元，分別以發(fā)射天線陣列最大口徑效率和接收天線陣列最高接收效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，仿真計(jì)算了各天線陣列對(duì)空間電磁來波的接收效率。結(jié)果表明，天線單元形狀會(huì)影響整流天線陣列的接收效率，相對(duì)于按發(fā)射天線陣列最大口徑效率設(shè)計(jì)，以最高接收效率優(yōu)化排布的整流天線陣列，對(duì)空間電磁來波的接收效果較好。

關(guān)鍵詞微波無線能量傳輸；整流天線陣列；單元形狀；排列組陣；接收效率

0引言

微波無線能量傳輸(Microwave Wireless Power Transmission，MWPT)就是將電能以微波無線能量的形式從供電設(shè)備傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備，可以不需要借助任何導(dǎo)波系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了功率傳輸?shù)臒o線化。Brown最先[1]在太陽能衛(wèi)星計(jì)劃中提出將空間中的太陽能轉(zhuǎn)換成微波能量，并傳輸?shù)降厍蛞怨┦褂?，無線能量傳輸系統(tǒng)就是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。近年來，微波無線能量傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域也日益擴(kuò)展，除了用于太陽能發(fā)電衛(wèi)星計(jì)劃之外，微波輸能還可以應(yīng)用于臨近空間飛行器、微波驅(qū)動(dòng)直升機(jī)、機(jī)器人供能及偏遠(yuǎn)地區(qū)的能量傳輸[3]。

整流天線由接收天線和整流電路組成[4]，是微波無線能量傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。自從整流天線的概念提出以來，已對(duì)整流天線單元進(jìn)行了一系列的研究[5]，但在實(shí)際應(yīng)用中，整流天線一般都是以陣列的形式進(jìn)行使用。1975年，美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的微波輸能實(shí)驗(yàn)中使用的整流天線陣列[6]，輸出直流功率34 kW，轉(zhuǎn)換效率為82.5%。1994年，京都大學(xué)、神戶大學(xué)和關(guān)西電力公司聯(lián)合進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，在2.45 GHz上使用了2 304個(gè)整流天線單元[7]。京東大學(xué)還研究了多種工作在2.45 GHz和5.8 GHz的整流天線陣列[8]，口徑約為1 m。1995年，日本的通信研究實(shí)驗(yàn)室和神戶大學(xué)進(jìn)行的無燃料飛機(jī)實(shí)驗(yàn)，在MPT系統(tǒng)中使用了單元數(shù)1 000的整流天線陣列[9]。2003年美國研究了一款雙菱形圓極化整流天線陣列[10]。相對(duì)于國外，國內(nèi)對(duì)大型整流天線陣列的研究還比較少。

到目前為止，國際上對(duì)于整流天線陣列的設(shè)計(jì)仍然不是很清楚[11]。整流天線陣列包括接收天線陣列和整流電路2部分，高接收效率是保證其高轉(zhuǎn)換效率的前提。為了改善整流天線陣列的性能，加快太陽能衛(wèi)星電站的建設(shè)，本文研究了天線單元形狀及排列組陣方式對(duì)整流天線陣列接收效率的影響。仿真計(jì)算結(jié)果表明，天線單元形狀會(huì)影響整流天線陣列的接收效率，以最高接收效率優(yōu)化排布的整流天線陣列，對(duì)空間電磁來波的接收效果較好。

1整流天線陣列及效率

整流天線由接收天線和整流電路組成，整流天線單元按照一定的排列組合就構(gòu)成了整流天線陣列。對(duì)于微波的整流，通常采用2種結(jié)構(gòu)：一種是利用具有高增益和大功率容量的天線或天線陣列作為微波能量的接收，利用回旋管[12]以進(jìn)行微波的集中整流；另一種則是采取整流天線陣列的形式以進(jìn)行微波功率的分布式整流，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1　分布式整流

集中式整流一方面單元功率要求高，合成效率低，另一方面當(dāng)采用天線陣列時(shí)，更是含有復(fù)雜的微波功分網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2　集中式整流

能量以微波連接的形式匯集，損耗較大，設(shè)計(jì)困難。隨著整流規(guī)模的擴(kuò)大，尤其是對(duì)于空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星(Solar Power Satellites，SPS)系統(tǒng)中的微波整流，需要采取整流天線陣列的整流方式，整流天線單元之間的功率通過直流網(wǎng)絡(luò)匯集而成，相比于集中式微波整流，分布式整流具有損耗小，單元功率要求低，直流合成效率高，功率容量易于擴(kuò)展，成本低，以及比較容易維護(hù)等優(yōu)勢。但整流天線單元之間以直流而非微波形式連接，其設(shè)計(jì)方法跟普通的接收天線陣列有著很大的差異[6]。

整流天線陣列包括接收天線陣列和整流電路2部分，其效率為接收天線陣列對(duì)微波的接收效率ηra和整流電路的轉(zhuǎn)換效率ηrd之積，即ηr=ηraηrd。從這個(gè)公式可以看出，接收天線陣列對(duì)空間電磁來波的高接收效率是保證整流天線陣列高轉(zhuǎn)換效率的前提，對(duì)于整流天線陣列的轉(zhuǎn)換效率，有研究[13]表明，其轉(zhuǎn)換效率不僅依賴于電路而且還跟電路間的連接方式有關(guān)。本文主要討論的是整流天線陣列對(duì)空間電磁來波的接收效率ηra。

2整流天線陣列接收效率的計(jì)算模型

為了研究天線單元形狀及排列組陣對(duì)整流天線陣列接收效率ηra的影響，在每一個(gè)天線單元后面都接上50 Ω的線性負(fù)載，建立了整流天線陣列對(duì)空間電磁來波接收效率的計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3　整流天線陣列接收效率計(jì)算模型

設(shè)入射到整流天線陣列物理口徑平面的微波功率為Pin，忽略天線陣列的介質(zhì)損耗，可以把Pin的去向分為3部分：整流天線陣列表面對(duì)空間電磁來波的反射功率Prf、透射功率Ppt及所有線性負(fù)載的吸收功率Pload，則有

Pin=Prf+Ppt+Pload。

(1)

第i個(gè)天線單元負(fù)載電阻R的吸收功率為Ploadi，整個(gè)整流天線陣列對(duì)空間電磁來波的接收功率和為Pload。定義整流天線陣列對(duì)空間電磁來波的接收效率為：

(2)

通常對(duì)于整流天線陣列的排布設(shè)計(jì)，都是以其最大增益或口徑效率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，而本文采取直接優(yōu)化ηra的大小，便可獲得最佳排列組陣，以實(shí)現(xiàn)整流天線陣列對(duì)空間電磁來波的高接收效率，為其高轉(zhuǎn)換效率提供了保障。同時(shí)，為了對(duì)比不同天線單元形狀及不同排列組陣方式對(duì)整流天線陣列接收效率的影響。本文首先設(shè)計(jì)了矩形、圓形和三角形這3種微帶貼片天線單元，然后分別以發(fā)射天線陣列最大口徑效率和接收天線陣列最高接收效率ηra為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化排列組陣，最后仿真計(jì)算并對(duì)比各天線陣列對(duì)空間電磁來波的接收效率。

3仿真及結(jié)果分析

3.1仿真計(jì)算

本文在5.8 GHz頻段，設(shè)計(jì)了3種不同形狀的線極化天線單元，即矩形微帶貼片天線、三角形微帶貼片天線和圓形微帶貼片天線，如圖4所示。通過電磁仿真軟件的優(yōu)化，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：L=14.77 mm，W=19.14 mm，a=19.25 mm，r=8.25 mm。圖4中的小圓圈是同軸線饋電所在位置發(fā)射系數(shù)S11都小于-20 dB，輸入阻抗Z11約50 Ω。微波介質(zhì)基板采用F4BM265，相對(duì)介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm。

圖4　3種微帶貼片單元

為了探討天線單元形狀及不同優(yōu)化目標(biāo)所得陣列參數(shù)對(duì)整列天線陣列接收效率的影響，分別對(duì)3種微帶貼片天線單元在電磁仿真軟件中進(jìn)行組陣建模。陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。陣列的數(shù)目為10×10，貼片單元距邊緣為6 mm，單元中心位置之間的橫向間距和縱向間距分別用dx和dy表示。對(duì)于參數(shù)dx和dy的確定，第1種方法是給予每一個(gè)天線單元等幅同相的激勵(lì)，按照發(fā)射天線陣列以最高口徑效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化；第2種方法是根據(jù)第2部分建立的整流天線陣列接收效率計(jì)算模型，在每一個(gè)天線單元后面都連接上一個(gè)50 Ω的線性負(fù)載，以最高接收效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。本文仿真并計(jì)算了3種微帶天線陣列在2組不同dx和dy參數(shù)排列下的接收效率。

圖5　10×10陣列結(jié)構(gòu)示意

3.2結(jié)果分析

對(duì)于天線陣列，都是根據(jù)天線的互易性，直接按發(fā)射天線陣列去進(jìn)行設(shè)計(jì)，但并不是所有適合用于發(fā)射的天線也適合用于接收[14]。發(fā)射天線的主要目的是在某個(gè)或某些接收點(diǎn)獲得盡可能大的場強(qiáng)，追求高效率和高增益，而接收天線追求低旁瓣更勝于高增益。因此，本文一方面根據(jù)天線陣列理論，給予每一個(gè)天線等幅同相的激勵(lì)，按照發(fā)射天線陣列以最高口徑效率為目標(biāo)對(duì)陣列參數(shù)dx和dy進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)優(yōu)化結(jié)果達(dá)到最佳時(shí)，把每一個(gè)天線端口改為接上50 Ω的線性負(fù)載，仿真計(jì)算此陣列參數(shù)排布下天線陣列對(duì)空間電磁來波的接收效率，結(jié)果如表1所示。另一方面，在無線能量傳輸系統(tǒng)中，由于整流天線陣列中的接收天線陣列，對(duì)空間電磁來波的接收效率是衡量其性能的唯一指標(biāo)，所以本文采取以接收天線陣列最高接收效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，所得陣列參數(shù)和最佳接收效率結(jié)果如表2所示。

表1　按照發(fā)射天線陣列口徑優(yōu)化下的接收效率

表2　按照接收天線陣列直接優(yōu)化下的接收效率

從表1和表2可以看出，同種排列組陣方式下，3種不同形狀的天線單元所組成的接收天線陣列，對(duì)空間電磁來波的接收效率都有著一定的差異。通過對(duì)比表1和表2中同種天線單元組成的接收天線陣列的接收效率，數(shù)據(jù)顯示，以接收天線陣列最高接收效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化排布的整流天線陣列，對(duì)空間電磁來波的接收效果較好，為其高轉(zhuǎn)換效率提供了保障。按照發(fā)射天線陣列對(duì)用于整流天線陣列中的接收天線陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，忽略了天線單元的耦合效應(yīng)，但就是由于陣元間耦合的存在，每一個(gè)天線單元的輸入阻抗發(fā)生了變化，不再是50 Ω。當(dāng)在每一個(gè)天線單元后面改接上一個(gè)50 Ω的線性負(fù)載，作為整流天線陣列中的接收天線陣列使用時(shí)，由于負(fù)載跟天線單元端口輸入阻抗的不匹配，引起了微波功率的反射，導(dǎo)致了其對(duì)空間電磁來波的接收效率不能達(dá)到最佳。此外，天線陣列中陣元的輸入阻抗不僅跟天線陣列單元之間的排列間距相關(guān)，還跟陣列中每一個(gè)天線端口的電壓和電流比值有關(guān)，計(jì)算起來比較復(fù)雜，很難做到每一個(gè)天線單元端口的阻抗匹配。所以，本文采取在天線陣列每一個(gè)天線單元后面接上50 Ω的線性負(fù)載，以其對(duì)空間電磁來波的最高接收效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,不需要再額外考慮陣元間耦合效應(yīng)的影響，不僅接收效果較好而且也方便跟整流電路的匹配連接。

4結(jié)束語

本文研究了天線單元形狀和排列組陣方式對(duì)整流天線陣列接收效率的影響，得出如下結(jié)論：按照發(fā)射天線陣列高口徑效率的排列參數(shù)，對(duì)整流天線陣列進(jìn)行排布，其接收效率不能達(dá)到最佳；為了保證整流天線陣列的高接收效率，建議以其最高接收效率為目標(biāo)直接進(jìn)行優(yōu)化排列組陣；天線單元形狀會(huì)影響整流天線陣列的接收效率。此外，為了提高整流天線陣列的系統(tǒng)效率，加快太陽能衛(wèi)星電站的建設(shè)，下一步將對(duì)整流天線陣列的轉(zhuǎn)換效率及總體效率進(jìn)行探討與研究。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.16

收稿日期：2016-03-23

中圖分類號(hào)TN820.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0060-04

作者簡介

韓英女，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向：微波系統(tǒng)與設(shè)計(jì)。

黃卡瑪男，(1964—)，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：電磁場微波工程與微波能應(yīng)用。

Research on Receiving Efficiency of Rectenna Array for Microwave Power Transmission Applications

HAN Ying,HUANG Ka-ma

(CollegeofElectronicandInformationEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

AbstractRectenna array is an important component of a microwave wireless power transmission system,its receiving and converting efficiencies are crucial to the wireless power transmission.In this paper,a rectangular,a circular and a triangular microstrip patch antenna array are designed at 5.8 GHz and optimized respectively as transmitting antenna arrays for the highest aperture efficiency and receiving antenna arrays for the highest receiving efficiency.The receiving efficiency of these arrays for space electromagnetic waves is simulated and calculated by the electromagnetic simulation software.The simulation results show that the shape of antenna element will affect the receiving efficiency of rectenna array,and the rectenna arrays optimized for the highest receiving efficiency have better receiving performance for space electromagnetic waves.

Key wordsmicrowave wireless power transmission;rectenna array;element shape;arraying;receiving efficiency

引用格式：韓英,黃卡瑪.微波輸能應(yīng)用中整流天線陣列接收效率的研究[J].無線電工程,2016,46(7):60-63.