微波無線電能傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)

1、微波無線電能傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)微波無線電能傳輸主要包括了能量的轉(zhuǎn)換和傳輸兩部分，整個(gè)能量傳輸過程中涉及的都 是大功率信號，與一般的無線通信收發(fā)系統(tǒng)相比，具有自己的獨(dú)特性。本章節(jié)介紹了微波無 線電能傳輸(WPT )的特性及理論基礎(chǔ)。2.1微波無線電能傳輸?shù)奶匦宰鳛橐环N點(diǎn)對點(diǎn)的能量傳輸方式，WPT具有以下特點(diǎn)：能量源和耗能點(diǎn)之間的能量傳輸系統(tǒng)是無質(zhì)量的以光速傳輸能量能量傳輸方向可迅速變換在真空中傳遞能量無損耗波長較長時(shí)在大氣中能量傳遞損耗很小能量傳輸不受地球引力差的影響工作在微波波段，換能器可以很輕2. 2微波無線電能傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)2. 2. 1微波無線電能傳輸空間傳輸理論一個(gè)微波能量傳輸系統(tǒng)的幾個(gè)基

2、本組成部分如圖2. 1所示。盡管各個(gè)部分各自的相關(guān)試驗(yàn) 中分別都能達(dá)到最大的效率，卻不能在一個(gè)完整的系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文現(xiàn)各 自的最大值。因此，目前已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的最大總效率為54%，如果能將各個(gè)部分的傳輸效率 更好地匹配，總傳輸效率將有可能達(dá)到76%。圖2. 1微波能量傳輸系統(tǒng)框圖點(diǎn)對點(diǎn)傳輸效率與傳輸參數(shù)T密切相關(guān)131，兩者關(guān)系如圖2.2所示，T定義為;其中：At 發(fā)射天線孔徑Ar 接受天線孔徑T傳輸微波的波長D發(fā)射和接受天線的間距圖2. 2參數(shù)與效率n的關(guān)系由公式(2. 1),當(dāng)假定發(fā)射天線孔徑與接收天線孔徑大小相等時(shí)，可得到一個(gè)關(guān)于天線 孔徑的簡化表達(dá)式：At=A r=T 入

3、 D(2.2)這個(gè)表達(dá)式說明天線孔徑區(qū)域隨波長的大小而變化，而不是它直徑。在接收區(qū)域大小有限同時(shí)又需要接收一個(gè)特別強(qiáng)烈的微波能量的情況下，可以應(yīng)用以下 的關(guān)系式：P d=AF,/A2 D2 (2.3)其中Pd接受端微波照射功率密度；Pt發(fā)射總功率At發(fā)射天線孔徑入一一波長D間距天線孔徑上能量密度分布如圖2.3所示:圖2. 3 T值下發(fā)射和接收天線孔徑的相對截面能量密度分布其中，R是發(fā)射或接收天線半徑，p是輻射點(diǎn)至天線中心的距離。由圖2. 3可見電磁 場擴(kuò)展到接收器的邊緣以外。2.2.2頻率的選擇如果沒有任何限制地為能量傳輸選擇最佳頻率，需要考慮如下的一些方面:1）天線孔徑大小2）頻率對系統(tǒng)整體

4、效率的影響3）與部件效率直接相關(guān)的散熱問題4）惡劣氣象條件下的可靠性問題5）現(xiàn)有可用元件的先進(jìn)性6）所選頻率對其他電磁波譜的影響除了天線孔徑及對其他頻譜的影響兩因素外，以上其他所有因素均以選擇較低頻率為 宜。對于一些類似于太陽能衛(wèi)星方面的應(yīng)用，需要考慮到大氣層對微波傳輸?shù)挠绊懀▓D2.4）， 因此也以采用低頻居多。但事實(shí)上，可供選擇的微波頻率相當(dāng)有限，目前所用的頻率均屬于 ISM（工業(yè)，科技，農(nóng)用）頻段，分別為 2. 4-2. 5GHz, 5.8- 5. 9GHz, 24. 125GHzIJ691630FREQUENCY (GHjJ圖2. 4不同大氣條件下微波能量傳輸效率與頻率的關(guān)系2.2.3微

5、波能量發(fā)生器在微波電力傳輸?shù)陌l(fā)送系統(tǒng)中，電能必須在系統(tǒng)的發(fā)送終端轉(zhuǎn)換成微波能量。附有外部 被動(dòng)電路的微波爐電磁管作為一個(gè)鎖相、高增益的放大器，可以直接用于構(gòu)成相控陣天線的 輻射模塊，從而實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能。為了減少發(fā)送出來的微波形成的噪聲，這些直流供電的微 波爐電磁管采用了獨(dú)特內(nèi)部反饋機(jī)制。2.2.4微波無線電能傳輸?shù)氖瞻l(fā)天線實(shí)例WPT接收天線用的是整流天線，它是專門為了微波電能傳輸而設(shè)計(jì)和發(fā)展起來的。就像名稱所表示的，這種天線包括了天線和整流器的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)能量收集、諧波 抑制和整流。它的簡單形式包括了一系列的整流天線元件，每個(gè)元件有一個(gè)半波偶極子連結(jié) 一個(gè)低通濾波器并用一個(gè)整流二極管做終結(jié)器。二極管的輸出流入一個(gè)公共的直流總線，然 后這些總線可以以串行或并行的方式連在一起與負(fù)載匹配。整流天線有很多種形式，圖2.5 所示的電路可以制成窄片格式，應(yīng)用于空間能量供應(yīng)1181。它的改進(jìn)形式曾成功的應(yīng)用于 一個(gè)加拿大小組研制的微波供能飛機(jī)上.HALF-WAVE DIPOLECOLLECTING BU6.一i_. i_ 圖2. 5兩平面硅整