CN107359706B - 微波无线输能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型微波无线输能系统，包括矢量网络分析仪、射频放大器、发射天线阵列、接收天线阵列和频谱仪。本专利采用了全新的设计方法，该方法同时对发射天线和接收天线进行优化设计，实现发射天线和接收天线之间的双向聚焦，从而实现最大化的传输效率。
Description
技术领域
本发明属于天线领域，具体地指一种微波无线输能系统。
背景技术
早在上世纪六十年代，人们就基于微波输能技术提出了太阳能空间发电站的概念。在太阳能空间发电站领域，国外做了大量研究。与传统的输能方式相比，微波输能技术有其独特的优势，如无需传输介质、速度快和损耗小和易于重新布局等。微波输能也可用于建筑中的无线配电系统以及用微波充电的汽车和飞行器等。
为了提高微波无线输能系统的传输效率，人们尝试了各种方法来优化发射天线阵列，以提高微波输能系统的效率、性能以及稳定性。2016年，Gowda等人提出了基于辐射近场区的微波输能系统,该系统以8×8阵列作为发射天线，以4×4阵列作为接收天线，工作在5.8GHz频段。在发射天线与接收天线相距40cm时，传输效率达到33.4％。但是现有的设计方法都是通过对发射天线进行优化，使得发射天线发射的能量聚焦在接收天线上，而没有考虑到对接收天线的优化设计，所以现有方法均未将发射天线和接收天线之间的功率传输效率达到最大化，效率仍可进一步提高。同时现有设计方法也均无法给出传输效率理论上的最大值。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述不足提供一种微波无线输能系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种微波无线输能系统，包括矢量网络分析仪、射频放大器、发射天线阵列、接收天线阵列和频谱仪，所述矢量网络分析仪的信号输出端与射频放大器的信号输入端相连，所述射频放大器的信号输出端与发射天线阵列的信号输入端相连，所述发射天线阵列的信号输出端与接收天线阵列的信号输入端相连，所述接收天线阵列的信号输出端与频谱仪的信号输入端相连。
所述频谱仪的型号为安捷伦N9010A。
所述射频放大器的型号为AV3860C。
所述矢量网络分析仪为安捷伦N9918A。
一种根据所述的微波无线输能系统，其计算方法的具体步骤是：
测量发射天线阵列与接收天线阵列之间的传输系数|S21|；
然后通过来计算微波输能系统的传输效率Tarray；在测量|S21|时，将发射与接收天线间距传输距离正对摆放，用双端口的矢量网络分析仪同时接入发射与接收天线阵列，然后从矢网中直接调出传输系数进行计算。
本专利采用了全新的设计方法，该方法同时对发射天线和接收天线进行优化设计，实现发射天线和接收天线之间的双向聚焦，从而实现最大化的传输效率。同时该方法可以直接给出传输效率理论上的最大值。本专利中采用微带天线作为单元完成了微波无线输能系统的设计(本专利采用与Gowda等人类似的微带贴片形式，从而与他们取得的成果进行对比。但并不限定微带贴片形式，甚至于单元天线形式，设计方法完全通用)。与Gowda等人取得的效率相比，本设计仅用一半的发射单元数量以及更小尺寸的发射和接收天线阵列将传输效率提高了25.7％。36单元发射天线以及16单元接收天线具有较小尺寸21.6cm×21.6cm×1.524cm、15cm×15cm×1.524cm，在40cm的传输距离上达到了42％的传输效率；64单元收发天线尺寸28cm×28cm×1.524cm(该系统中发射天线和接收天线是相同的)，在100cm的传输距离上达到了46.9％的传输效率。
附图说明
图1是本专利微带单元尺寸图。
图2a是本专利36单元发射天线实物图。
图2b是16单元接收天线实物图。
图3a是本专利36单元发射天线与实测S参数。
图3b是16单元接收天线仿真与实测S参数。
图4是本专利64单元发射天线与接收天线实物图。
图5a是本专利64单元发射天线与实测S参数。
图5b是接收天线仿真与实测S参数。
图6是本专利微波无线输能系统图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明。
本专利以能量传输效率最大化理论为基础。作为例子，所设计的微波无线输能系统工作在5.8GHz(本专利不限于特定频率。频率改变时，设计方法类似)。第一个系统采用6×6贴片阵列作为发射天线，4×4贴片阵列作为接收天线，传输距离为40cm。该系统实测的传输效率达到42％。第二个系统采用两个相同的8×8贴片阵列作为收发天线，两天线相距100cm，传输效率达到46.9％。本专利设计的两个微波无线输能系统均达到目前同类设计中最好的结果。本专利中微波无线输能系统收发阵列的单元数目并非限定，任意单元数目的发射天线和接收天线都是可以的，均能够利用能量传输效率最大化理论完成微波无线输能系统的设计。
本专利采用微带天线作为阵元，将贴片单元排列在介质基板上，由于基板上的等效半波波长要小于空气中半波波长，所以这样既有效的减小了阵列天线的尺寸，又易于天线阵列和馈电网络的加工，制作简单，成本低廉。
本专利中，收发阵列天线的阵元均为微带天线，采用了n×n方阵的排列方式，但阵元的激励分布并不是等幅同相的，而是基于能量传输最大化理论优化得出。我们通过在预定传输距离上正对摆放收发天线阵列的形式，优化所设计的发射天线与接收天线之间的传输效率，找到对应最大传输效率的一组发射天线的激励分布，这组激励就是我们最后设计出的发射天线所需要的激励分布。根据互易原理，同样可以得到接收天线单元的最优化激励。然后通过馈电网络的方式将激励赋给相应的阵元，从而实现收发阵列之间最好的无线输能效果。整个过程所需的所有S参数可以由电磁仿真软件HFSS得到。通过调节阵元之间间距以及阵元尺寸等参数，我们还可以优化整个微波无线输能系统的传输效率，当然阵元之间间距过小时会引起失配。
本专利的微波无线输能系统的收发天线阵列由介质基板，微带单元阵列和馈电网络组成。其中微带单元阵列与馈电网络共面，制作简单，费用较低。
以上天线的设计过程中，所有S参数均由电磁仿真软件HFSS15.0优化设计得到。将仿真得到散射参数矩阵利用能量传输效率最大化理论进行计算，可以直接得到理想的最大传输效率。第一个系统理想的最大传输效率为59.4％，而第二个系统理想的最大传输效率为65.7％。这是以往技术方法所无法比拟的。
发射和接收天线阵列单元均为图1所示的微带天线，以n×n方阵的形式排列。通过在Rogers4003基板上贴覆铜皮制作出上述天线辐射单元，实物图2和图4所示。实物正面除去微带天线阵列，还包括馈电网络，只对这两部分覆铜，而反面全部覆铜。馈电网络采用微带线的形式进行设计。天线实物制作完成以后利用N9918A矢量网络分析仪测得天线|S11|和|S21|，将其与仿真得到的|S11|和|S21|进行对比，如图3，图5所示。
在测微波无线输能系统传输效率时，采用下面方法进行测量：
测量发射天线阵列与接收天线阵列之间的传输系数|S21|，然后通过来计算微波输能系统的传输效率Tarray。在测量|S21|时，将发射与接收天线间距传输距离正对摆放，用双端口的矢量网络分析仪同时接入发射与接收天线阵列，然后从矢网中直接调出传输系数进行计算。最终测得第一个系统在40cm的传输距离上达到了42％的传输效率；第二个在100cm的传输距离上达到了46.9％的传输效率。这与理想最大传输效率存在一定差距，主要原因是馈电网络无法避免的损耗以及加工和实测环节中存在的误差。
还可以直接测量接收天线接收到的功率，然后计算接收功率与输入功率的比值即得到微波无线输能系统的传输效率，具体实验装置实物图如图6所示。
矢量网络分析仪的输出单经过射频放大器放大到一定值后接入到发射天线阵列。接收天线阵列连接在频谱仪上，直接读出接收到的功率数值。通过简单计算可知，该第一个系统的实际传输效率为42.5％，而第二个系统的实际传输效率为47.1％，与第一种方法得到的传输效率是十分接近的，证明了两种测量方法的有效性和正确性。
所设计的微波无线输能系统工作在5.8GHz。36单元发射天线与16单元接收天线构成的系统在40cm的传输距离上达到了42％的传输效率；64单元发射天线和接收天线构成的系统在100cm的传输距离上达到了46.9％的传输效率。本专利设计的两个微波无线输能系统均达到目前同类设计中最好的结果。
Claims (5)
1.一种微波无线输能系统，其特征在于：包括矢量网络分析仪、射频放大器、发射天线阵列、接收天线阵列和频谱仪，所述矢量网络分析仪的信号输出端与射频放大器的信号输入端相连，所述射频放大器的信号输出端与发射天线阵列的信号输入端相连，所述发射天线阵列的信号输出端与接收天线阵列的信号输入端相连，所述接收天线阵列的信号输出端与频谱仪的信号输入端相连；所述发射天线阵列和接收天线阵列均由介质基板、微带单元阵列和馈电网络组成，所述微带单元阵列与馈电网络共面；所述微带单元阵列由若干个微带天线采用n×n方阵的排列方式排列形成，所述微带单元阵列设置在介质基板上，所述介质基板的等效半波波长小于空气中半波波长；所述发射天线阵列和接收天线阵列的阵元均为微带天线，所述发射天线阵列和接收天线阵列的阵元均基于能量传输最大化理论优化得出其激励分布；所述发射天线阵列和接收天线阵列间距传输距离正对摆放。
2.根据权利要求1所述的微波无线输能系统，其特征在于：所述频谱仪的型号为安捷伦N9010A。
3.根据权利要求1所述的微波无线输能系统，其特征在于：所述射频放大器的型号为AV3860C。
4.根据权利要求1所述的微波无线输能系统，其特征在于：所述矢量网络分析仪为安捷伦N9918A。
5.一种根据权利要求1至3中任意一项所述的微波无线输能系统，其计算方法的具体步骤是：
测量发射天线阵列与接收天线阵列之间的传输系数|S21|；
然后通过来计算微波输能系统的传输效率Tarray；
在测量|S21|时，将发射与接收天线间距传输距离正对摆放，用双端口的矢量网络分析仪同时接入发射与接收天线阵列，然后从矢网中直接调出传输系数进行计算。
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