基于微帶天線的能量傳輸技術及其性能研究

1、第 29卷第 1期 電 子 與 信 息 學 報 Vol.29No.1 2007年 1月 Journal of Electronics & Information Technology Jan. 2007基于微帶天線的能量傳輸技術及其性能研究張雪松 朱超甫 李忠富 (北京科技大學機械工程學院 北京 100083 (中原工學院 鄭州 450007摘 要 : 對于安裝在旋轉(zhuǎn)部件上的監(jiān)測系統(tǒng)來說, 供能問題一直是一個難點。 該文提出了一種基于微帶天線的非接 觸式的能量傳輸技術,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑環(huán)或光電池等能量傳輸方法。該文以扭矩監(jiān)測為應用背景,提出了能量傳 輸系統(tǒng)的總體結構和天線饋源方案,并對天線的各種

2、能量傳輸情況進行了研究,同時分析了旋轉(zhuǎn)速度對能量傳輸 的影響。關鍵詞 : 微帶天線;能量傳輸;扭矩監(jiān)測;監(jiān)測系統(tǒng)中圖分類號 :TN823 文獻標識碼 :A 文章編號 :1009-5896(200701-0232-04The Studies of Energy Transmission Technology and Its Performances Based on Microstrip AntennasZhang Xue-song Zhu Chao-fu Li Zhong-fu (Mechanical Engineering School, University of Science and

3、Technology Beijing, Beijing 100083, China (Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China Abstract : For monitoring system which fixed on rotating component, the energy supply is a difficult problem for a long time. A non-contact energy transmission technology based on microstrip antenn

4、as is put forward to replace the traditional methods such as slip-rings or optoelectronic cell. Taking torque monitoring as the application background, the total scheme of the energy transmission system and the feeding method of antennas are presented. The various conditions of microstrip antennas i

5、n energy transmission course are studied and the influence of rotating velocity on energy transmission is analyzed.Key words: Microstrip antennas; Energy transmission; Torque monitoring; Monitoring system1 引言對于大型工業(yè)設備來說,對其旋轉(zhuǎn)軸的扭矩進行監(jiān)測是 十分必要的,它可以隨時對設備的載荷情況以及軸的工作狀 況進行監(jiān)測,以保證設備運行在正常狀態(tài)。特別是在冶金、 石油、重型機械等相關行業(yè),

6、一些重要的傳動軸的運行狀況 就直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量和設備的安全。因此,對一些重要 的大直徑的軸類部件進行實時監(jiān)測是十分必要的。但在監(jiān)測 系統(tǒng)進行工作時,就必然會遇到一個問題。那就是如何向旋 轉(zhuǎn)部件上的監(jiān)測系統(tǒng)提供能量。在傳統(tǒng)的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)中,向處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng) 提供能量的方法有很多種。如滑環(huán)供電,旋轉(zhuǎn)變壓器供電, 以及光電池供電等等。 這些方法各有其特點, 但也有其缺點。 如滑環(huán)在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下長期運行時,在滑環(huán)和電刷之間就 會因為電蝕而產(chǎn)生較大的電阻,從而使得傳輸不穩(wěn)定。旋轉(zhuǎn) 變壓器在安裝上要求較高,現(xiàn)場的污染和溫度變化對其影響 較大。而光電池法對環(huán)境的要求更高,粉塵、油污可能會嚴 重

7、影響其傳輸效率。為更好地解決以上方法所產(chǎn)生的弊端,2005-07-22收到, 2005-12-20改回 本文提出了一種新的非接觸式的能量傳輸方案,即采用微帶 天線來傳輸能量 1。微帶天線具有低剖面,低成本,易集成 等優(yōu)點 2。 采用收發(fā)兩套天線即可實現(xiàn)外部能量與旋轉(zhuǎn)軸之間 的傳輸。本文就針對微帶天線的傳輸性能進行研究。 2 總體結構方案及技術條件的確定能量傳輸系統(tǒng)的總體結構分兩大部分:能量的傳輸以及 能量接收后的處理。系統(tǒng)總體結構的框圖如圖 1所示,能量 傳輸系統(tǒng)的立體結構示意圖如圖 2所示。 圖 1 能量傳輸系統(tǒng)總體結構框圖 圖 2 傳輸系統(tǒng)立體結構示意圖在本系統(tǒng)中,發(fā)射天線的微波源,如圖

8、3所示,采用的 是單獨的、分散安裝的功率源方案。這樣省去了采用集中式第 1期 張雪松等:基于微帶天線的能量傳輸技術及其性能研究 233 供源方案時的功率分配器,減少了功率分配時的能量損失, 每一個單獨的功率源的功率很小,這樣設計制造難度降低 了,且安全防護的難度也降低了,便于現(xiàn)場使用。而且可以 通過集成化設計與發(fā)射天線組合為一體,這樣在安裝調(diào)整上 都很方便。圖 3 分散式功率源方案在通信工程中通常要求天線要有較寬的頻帶,而在本系 統(tǒng)中并不要求這一點,因為天線是在一個固定的頻率點工 作。由于微帶天線在本系統(tǒng)中是用來傳輸能量的,頻率高有 利于能量的集中,所以工作頻率應該在微波波段,一般應選 在 2

9、 GHz以上, 提高頻率對縮小天線的尺寸是有益的, 但頻 率太高又會增加功率源等其他設備的制造困難,而且對防護 問題也會提出更高的要求,所以根據(jù)現(xiàn)有設備的情況在本文 中將其確定為 2.5 GHz?？紤]到制造成本和對人體的影響, 本文將功率源的輸出功率確定為 18 dBm。在本系統(tǒng)中是選用的是微帶天線來作為能量的輻射和 接收單元。微帶天線型式選定為矩形。先按照經(jīng)典的微帶天 線設計方法確定天線的原始尺寸為 L =3.62210 m , W =4.3210 m ,背饋 0Y =1.143210 m 。然后通過實驗,采 用加載短路探針的方案實現(xiàn)了微帶天線的小型化。本實驗系 統(tǒng)如圖 4所示。在本文中主要

10、研究接收到的功率,對于將接 收到的功率進行直流化處理的技術將另文研究。圖 4 實驗系統(tǒng)示意圖3 天線能量傳輸分析對于天線來說,其發(fā)射、接收性能是互易的。即在將天 線作為發(fā)射使用時,其發(fā)射性能與天線作為接收使用時的接 收性能是一致的。也就是說天線具有互易性。在研究一對天 線間的發(fā)射和接收性能時,除了天線本身設計的合理性外, 還要求天線對必須是匹配的。這樣才能使天線的發(fā)射和接收 效率達到最佳狀態(tài)。下面對使用天線來進行能量傳輸時的功 率互易性進行分析3。3.1 功率互易原理任意兩個天線系統(tǒng)都可以看作一個二端口網(wǎng)絡。而一個 二端口網(wǎng)絡的匹配條件是, 若它在端口 1-1 和 2-2 接有適當阻抗 *01

11、Z , *02Z ,這兩個阻抗必須同時滿足下面兩個條件。 (1 端口 2-2接 *02Z (02Z 的復共軛 時,從端口 1-1 看進去的阻抗是 01Z (圖 5(a。(2 端口 1-1 接 *01Z (01Z 的復共軛 時, 從端口 2-2 看進去的阻抗是 02 Z (圖 5(b。(a (b 圖 5 阻抗匹配條件網(wǎng)絡圖在匹配條件下, 流入端口 1-1 的功率與端口 2-2 的端接負載 *02Z 的吸收功率 (如圖 6(a之比要等于流入端口 2-2 的 功率與端口 1-1 的端接負載 *01Z 的吸收功率 (如圖 6(b之 比。 即 1221a a b b P P =, 1a P , 2a P

12、 分別是流入端口 1-1 和負載 *02Z 所吸收的功率; 1b P , 2b P 分別流入端口 2-2 與端接 負載 *01Z 所吸收的功率。 如果天線是無損耗的,則可認為 1a P 是天線 1的輻射功 率, 2a P 是天線 2的接收功率。 1b P 和 2b P 也同樣如此。所以 功率互易也可以表達為:對一個給定的系統(tǒng), 在匹配條件下, 輻射功率與接收功率之比為常數(shù)。這里對兩個天線之間的距 離未作任何假定。 一般來說, 隨著兩天線間的距離變化, 01Z 和 02Z 都要發(fā)生變化。 只有當兩天線之間的距離很大時, 01Z 和 02 Z 才會是常數(shù),它們實際上就是天線 1和 2的自阻抗。圖

13、6 功率互易二端網(wǎng)絡圖3.2 能量傳輸?shù)囊话阌嬎惴椒ㄔ趫D 5(a中,令 S 是包圍天線 1或天線 2的任意曲面, 根據(jù)場的互易定理有3142( d a b b a b a b a S V I s V I =+ = H E E H n(1 根據(jù)匹配條件有30112a a V R I = (2 40222b b V R I = (3將式 (2和式 (3代入 (1式,于是得到 H E E H n110122022( d 2a b b a b a a b S I I R s I I R =+ = (4 上式取共軛,有*110122022( d 2a b b a b a a b SI I R s I I

14、 R =+ =H E E H n(5將式 (4和式 (5相乘,得222202101222210120210120211( d 162222a b b a b a Sa b a b I R I R s I R I R I R I R + = H E E H n即234 電 子 與 信 息 學 報 第 29卷2211212( d 16b a b a Sa b a ba bs P PP P P P + = H E E H n(6若天線是無耗的,則 *11Re ( d 2aa a a a S P s = E H n , a S 為包含天線 1的區(qū)域, a n為外法線單位矢量;*21Re ( d 2b

15、b b b b S P s = E H n, b S 為包含天線 2的區(qū)域, b n 為外法線單位矢量。于是,式 (6變成 221*121( d Re ( d Re ( d b a b aSa b a b a a a b b b SSs P PP P s s + = H E E H n E H n E H n(7 這個公式對任意兩無耗天線都是嚴格成立的,并且與兩天線 的相對距離無關。在計算場 a E , a H , b E 和 b H 時,都假定 兩天線同時存在, a E 和 a H 是天線 1作發(fā)射, 天線 2作接收 時的場, b E 和 b H 則是天線 2作發(fā)射,天線 1作接收時的場。

16、但由于兩天線之間的相互耦合,場 a E , a H , b E 和 b H 是很 難計算的,通常是天線 1為發(fā)射天線時假定天線 2不存在, 反之亦然。這里討論的只是能量傳輸時的一般性原理。當傳輸距離 較遠時,我們可以根據(jù)麥克斯韋方程進行具體的計算。但當 傳輸距離較近時,特別是當天線處于本文中所應用的近場區(qū) 域時, 其場關系較為復雜, 很難給出一個明確的解析表達式。 下面利用實驗的方法來對其進行研究。4 天線能量傳輸過程及其性能研究4.1 單對天線的能量傳輸研究在天線能量傳輸系統(tǒng)中最基本的能量傳輸模型就是一 對天線間的能量傳輸。這里先對一對天線的能量傳輸情況進 行研究。天線為正對面放置,距離從

17、3 mm逐步遠離到 10mm 。接收天線所接收到的能量與距離的關系如圖 7 所示。從圖 7 中可以看出,當距離較遠時 (10 mm由于微波的 衰減特性,功率損失很大,接收到的功率僅為 14.53 dBm, 亦即 28.38 mW,為發(fā)射功率的 45%。但隨著距離的縮短, 接收功率便提升很快。當在 5 mm的位置時其接收功率為16.79 dBm,即 47.75 mW,相當于發(fā)射功率的 75.68%。在 該能量傳輸狀態(tài)下,天線都是工作在近場區(qū),即接收和發(fā)射 天線都分別位于對方的近場區(qū),這種能量傳輸是輻射作用和 耦合作用的綜合,但主要還是通過耦合的作用來傳輸能量 的。4.2 多對多天線的能量傳輸研究

18、多對多天線是指能量傳輸系統(tǒng)有多個發(fā)射天線和多個接收天線,即發(fā)射天線和接收天線都為陣列時的情況。當接收天線從發(fā)射天線上耦合了能量之后,根據(jù)互易原理它本身也會有發(fā)射效應。這樣它也會對旁邊的接收天線產(chǎn)生影響。圖 7 單對天線能量傳輸接收功率 -距離圖這里將發(fā)射和接收天線都正對面布置,以考察在這種情 況下其接收功率與距離之間的關系。接收功率與距離的關系 如圖 8所示,從圖 8可以看出多對多天線的情況與單對多天線的情況基本上是一樣的。每片接收天線的輸出功率略有提 高,但并不很明顯。這說明接收天線數(shù)量的增加對每片天線 功率接收的影響很小。這樣在進行陣列布置時可以適當?shù)卦?加接收天線的數(shù)量,以提高能量的接收

19、率。圖 8 多對多天線能量傳輸接收功率 -距離圖4.3 交錯速度對接收性能影響的研究圖 9為天線交錯情況時的位置示意圖。圖中 e 為交錯距 離。圖 10顯示的是天線橫向交錯的距離與接收功率之間的 關系曲線。從圖中可以看出隨著天線對交錯距離的增加,接 收功率逐漸下降。這主要是由于位置的交錯使得接收天線逐 漸從發(fā)射天線的中心場的位置向邊緣場移動,發(fā)射天線的電 磁場逐漸減弱,從而使得接收天線的輸出功率也隨之下降。 當發(fā)射和接收天線的交錯距離為 10 mm時,接收到的功率 為 14.96 dBm,即 31.33 mW,傳輸效率為 50%。如果交錯 距離繼續(xù)增加,則發(fā)射的大部分能量將散失,而且經(jīng)過后續(xù)

20、能量轉(zhuǎn)換后的直流電壓將會更低,這將達不到系統(tǒng)對電壓的 要求。以上述結果為依據(jù),通過綜合考慮,天線對的交錯距 離最好不要超過 10 mm。這樣,在布置一個天線陣列時,相 鄰兩個天線間的距離不應大于 20 mm。在實際應用時發(fā)射天線和接收天線總是處于動態(tài)的交錯之中, 所以有必要研究發(fā)射、 接收天線處于動態(tài)時的情況。這里發(fā)射天線為一個陣列, 接收天線以不同的速度橫向 運動,即交錯運動,發(fā)射和接收天線陣中相鄰的兩個天線間 的距離為 20 mm,發(fā)射和接收天線的正面垂直距離保持為 5 mm ,其位置與前面靜止時的情況相似,不過此處有相對運第 1期 張雪松等:基于微帶天線的能量傳輸技術及其性能研究 235

21、 動。由于實驗手段的限制,在運動狀態(tài)下記錄每個瞬間接收 天線的輸出功率有一定的困難,所以這個實驗就直接記錄接收功率通過能量轉(zhuǎn)換后的直流電壓值。關于能量轉(zhuǎn)換器的技 圖 9 天線交錯位置示意圖 圖 10 天線對交錯距離 -功率圖術問題將在今后進行研究,這里只是使用其來記錄實驗結 果。圖 11、圖 12分別顯示的是交錯速度為 5 m/s和 10 m/s時的時間 -電壓關系。 圖 11 交錯速度為 10 m/s 圖 12 交錯速度為 5 m/s的時間 -電壓圖 的時間 -電壓圖從圖 11和圖 12可以看出,輸出電壓值隨時間軸做周期 性的變化。而且交錯速度的增加也會使得電壓值變化的頻率 增加。 如當交錯

22、速度為 5 m/s時電壓變化頻率為 2.5102 Hz, 交錯速度為 10 m/s時電壓變化頻率則為 5102 Hz。對于接 收天線來說它所處的電磁場環(huán)境也是呈周期性變化的,當它 與一片發(fā)射天線正對面時,這時的電磁場強度達到極大值, 其電壓值也達到極大值;隨著它的偏移,電磁場逐漸減弱, 電壓值也隨之逐漸減小,當其處于兩片發(fā)射天線的中間時電 磁場最弱,相應的電壓值也達到極小值;再往后又開始進入 下一片發(fā)射天線的近場區(qū),電磁場又逐漸增強,電壓值也逐 漸提高,當與下一片發(fā)射天線正對面時,電磁場以及電壓值 均達到極大值。如此循環(huán)往復,接收天線所處的電磁場環(huán)境 以及其輸出的電壓值就表現(xiàn)為周期性變化。這種

23、變化的頻率 與交錯速度是密切相關的,速度越快,頻率越高。在這個過 程中,接收天線在某個瞬間所處位置的輸出電壓值與靜態(tài)時 的輸出電壓值基本上是相等的,這是因為交錯速度與電磁場 的傳播速度相比是很小的,所以交錯速度對能量的接收的影 響也是很小的,交錯速度只能影響所接收能量周期變化的頻 率,而不能改變接收的效率。接收天線接收到的能量轉(zhuǎn)換為直流電后,由于接收能量 本身波動的原因,輸出的電壓值也是波動的。要考察該波動 直流電的作功能力,我們參照交流電的有效值概念來計算該 波動直流電的有效值。通過計算,在交錯速度為 5 m/s時的 等效理想直流電壓值與速度為 10m/s時的等效理想直流電 壓值相當, 為 5.4V 。 雖然這里的電壓值只是空載時的值, 當 接上負載后端電壓會有所降低。但將所有接收天線的輸出能 量經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓源并聯(lián)后,帶負載能力會有較大提高。5 結束語本文對基于微帶天線的能量傳輸過程進行了詳細的研 究。首先提出了