微波无线电能传输的理论基础

1、微波无线电能传输的理论基础微波无线电能传输主要包括了能量的转换和传输两部分，整个能量传输过程中涉及的都 是大功率信号，与一般的无线通信收发系统相比，具有自己的独特性。本章节介绍了微波无 线电能传输(WPT )的特性及理论基础。2.1微波无线电能传输的特性作为一种点对点的能量传输方式，WPT具有以下特点：能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的以光速传输能量能量传输方向可迅速变换在真空中传递能量无损耗波长较长时在大气中能量传递损耗很小能量传输不受地球引力差的影响工作在微波波段，换能器可以很轻2. 2微波无线电能传输的理论基础2. 2. 1微波无线电能传输空间传输理论一个微波能量传输系统的几个基

2、本组成部分如图2. 1所示。尽管各个部分各自的相关试验 中分别都能达到最大的效率，却不能在一个完整的系统中同时实浙江大学硕士学位论文现各 自的最大值。因此，目前已被实验证实的最大总效率为54%，如果能将各个部分的传输效率 更好地匹配，总传输效率将有可能达到76%。图2. 1微波能量传输系统框图点对点传输效率与传输参数T密切相关131，两者关系如图2.2所示，T定义为;其中：At 发射天线孔径Ar 接受天线孔径T传输微波的波长D发射和接受天线的间距图2. 2参数与效率n的关系由公式(2. 1),当假定发射天线孔径与接收天线孔径大小相等时，可得到一个关于天线 孔径的简化表达式：At=A r=T 入

3、 D(2.2)这个表达式说明天线孔径区域随波长的大小而变化，而不是它直径。在接收区域大小有限同时又需要接收一个特别强烈的微波能量的情况下，可以应用以下 的关系式：P d=AF,/A2 D2 (2.3)其中Pd接受端微波照射功率密度；Pt发射总功率At发射天线孔径入一一波长D间距天线孔径上能量密度分布如图2.3所示:图2. 3 T值下发射和接收天线孔径的相对截面能量密度分布其中，R是发射或接收天线半径，p是辐射点至天线中心的距离。由图2. 3可见电磁 场扩展到接收器的边缘以外。2.2.2频率的选择如果没有任何限制地为能量传输选择最佳频率，需要考虑如下的一些方面:1）天线孔径大小2）频率对系统整体

4、效率的影响3）与部件效率直接相关的散热问题4）恶劣气象条件下的可靠性问题5）现有可用元件的先进性6）所选频率对其他电磁波谱的影响除了天线孔径及对其他频谱的影响两因素外，以上其他所有因素均以选择较低频率为 宜。对于一些类似于太阳能卫星方面的应用，需要考虑到大气层对微波传输的影响（图2.4）， 因此也以采用低频居多。但事实上，可供选择的微波频率相当有限，目前所用的频率均属于 ISM（工业，科技，农用）频段，分别为 2. 4-2. 5GHz, 5.8- 5. 9GHz, 24. 125GHzIJ691630FREQUENCY (GHjJ图2. 4不同大气条件下微波能量传输效率与频率的关系2.2.3微

5、波能量发生器在微波电力传输的发送系统中，电能必须在系统的发送终端转换成微波能量。附有外部 被动电路的微波炉电磁管作为一个锁相、高增益的放大器，可以直接用于构成相控阵天线的 辐射模块，从而实现了这个功能。为了减少发送出来的微波形成的噪声，这些直流供电的微 波炉电磁管采用了独特内部反馈机制。2.2.4微波无线电能传输的收发天线实例WPT接收天线用的是整流天线，它是专门为了微波电能传输而设计和发展起来的。就像名称所表示的，这种天线包括了天线和整流器的功能，能够实现能量收集、谐波 抑制和整流。它的简单形式包括了一系列的整流天线元件，每个元件有一个半波偶极子连结 一个低通滤波器并用一个整流二极管做终结器。二极管的输出流入一个公共的直流总线，然 后这些总线可以以串行或并行的方式连在一起与负载匹配。整流天线有很多种形式，图2.5 所示的电路可以制成窄片格式，应用于空间能量供应1181。它的改进形式曾成功的应用于 一个加拿大小组研制的微波供能飞机上.HALF-WAVE DIPOLECOLLECTING BU6.一i_. i_ 图2. 5两平面硅整