微波输能技术概述与整流天线研究新进展

第 24 卷 　第 4 期 2009 年 8 月　　　　 　　　 　　　　　 电 　波 　科 　学　学 　报 CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 　　　　　　　 　 Vol. 24 ,No . 4 　　August ,2009 　　 　联系人 :杨雪霞 E2mail :xxyang @staff1 shu1edu1cn 　　文章编号 　100520388 (2009) 0420770210 微波输能技术概述与整流天线研究新进展 3 杨雪霞 (上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室 ,上海 200072) 摘 　要　介绍了微波输能 (MP T :Microwave Power Transmission) 系统的工作原理 和系统组成 ,指出系统各部分的技术水平。其次 ,对 MP T 技术的发展和应用做了全 面概述 ,它主要用于太阳能卫星、临近空间飞行器等远距离输能 ,目前在低功率应用 领域得到关注。然后对微波无线输能系统的关键技术 ———整流天线研究进展做了详 细分析。最后 ,讨论了微波输能技术的发展前景和尚待攻破的技术难题。 关键词　微波输能 ;整流天线 ;整流效率 中图分类号 　TN011 　　　　文献标志码 　A Overvie w of microwave power transmission technology and recent progress of rectennas YANG Xue2xia ( S chool of Comm unication and I nf ormation Engineering , S hanghai Universit y , S hanghai 200072 , China) Abstract 　Firstly , t he operation p rinciple and component s of Microwave Power Transmission ( MP T) system are int roduced and the recent develop ment s of every component are summarized. Secondly , applications and develop ment s of MP T tech2 nology are reviewed. MP T technology is mainly applied in far distance power t rans2 mission , such as Solar Power Satellite ( SPS) and aircraf t s in t he near space and is now noticed in low power applications. Thirdly , t he stat us in quo of t he key tech2 nology , rectennas , is analyzed in detail . Lastly , p rospect s of MP T technology and problems to be solved are discussed. Key words 　Microwave Power Transmission (MP T) ; rectennas ; rectifying efficien2 cy 引　言 微波输能 (MP T : Microwave Power Transmis2 sion)通过自由空间将能量直接从发射端传送到接 收端 ,传输损耗只有大气损耗、雨衰和遮挡物损耗 等 ,在 S 和 C 波段的传输效率一般在 90 %以上 ;而 且微波波束强度和方向易于控制 ,使功率密度满足 国际安全的要求。目前 ,MP T 技术在国际、国 内受到越来越多的关注。 1899 年 ,特斯拉实验验证了赫兹用无线电波传 输能量的理论。近代 MP T 系统实验完成于 1964 年[1 ] ,发射端将直流电转化成 400W 的微波能量 ,传 输 714m 后被接收并转换成 104W 的直流电。1964 年 ,美国 J PL (Let Prop ulsion Laboratory) Brown 博 士所做的微波驱动直升飞机的实验 ,极大促进了世 界各国对 MP T 技术的研究[ 2～4 ] 。上世纪 70 年代对 于能源危机的认识 ,促使美、日等国开始太阳能卫星 (SPS :Solar Power Satellite) 的研究[5～11 ] 。随3 收稿日期 :20082112061 　　　　基金项目 :上海市重点学科和科委重点实验室项目资助 (S30108 ,08DZ2231100) 着无线通信的迅猛发展 ,国际上在上世纪 80 年代提 出高空长期作业通信接力平台的设想 ,这是当前临 近空间飞行器的原形 ,MP T 技术是这个平台获取能 量的方式之一[12～22 ] 。自上世纪 90 年代 ,MP T 技术 在低功率、近距离应用得到关注[ 23～30 ] ,作为微系统 的“虚拟电池”,MP T 技术不仅减小了能量使用者的 重量和体积 ,而且可以为其终身供能。最近 ,美国科 学家还提出用微波帆使飞船加速的设想[31 ] ,即在宇 宙飞船上设巨幅网帆 ,将地球轨道上卫星电站的电 能转变为微波束 ,射向飞船的网帆 ,通过聚焦使飞船 在中途加速。 在国内 ,1994 年电子科技大学林为干院士首次 在国内介绍了 MP T 技术[32 ] ,以后在个别高校和研 究所也有研究报道[33～34 ] 。上海大学自 1998 年开 始 ,在国家自然科学基金等项目的支持下 ,对 MP T 系统的关键技术做了比较系统和深入的探索[35～39 ] , 在国内首先实现了对管道机器人的微波输能[35～36 ] 。 MP T 系统涉及微波的多个研究领域 ,包括微波 功率发生器、空间功率合成、波束控制、接收天线、微 波整流电路、整流天线组阵技术等 ,以及为了提高整 体转换效率各个部分的有机结合。下面将对 MP T 技术的基本原理、系统组成、技术水平、应用和发展 前景作较全面的概述 ,对其关键技术 ———整流天线 的研究进展进行分析。 1 　MP T 系统组成和工作原理 MP T 系统由 3 部分组成 ,如图 1 所示。第 I 部 分是微波功率发生器 ,将直流变成微波 ,其 DC2RF (直流 - 射频)转换效率为ηg ;第 II 部分是微波的发 射、传播 ,从微波发生器出来的微波能量由发射天线 聚焦后高效地发射 ,经自由空间传播 ,到达接收天 线 ,其传输效率为ηt ;第 Ⅲ部分是整流天线 ( rectif2 ying + antenna = rectenna) ,将微波能量接收并且转 换为直流功率 ,其 RF2DC ( Radio Frequency2Direct Current)整流效率为ηr 。因此系统总效率为 　　　　η =ηgηtηr (1) MP T 系统的目标是获得最大 DC2DC 转换效率。 微波能量传输与通信链路系统中信号传输一 样 ,遵从 Friis 传输公式 ,最大接收功率 PRM为 PRM = ( λ4πD) 2 Pt Gt Gr = A t A rλ2 D2 Pt (2) 式中 , Pt 为发射天线功率 ; Gt 、Gr 分别为发射和接收 天线的增益 ; A t 、A r 分别为其有效面积 ; D 是传输距 离 ;λ是工作波长。 图 1 　MPT系统组成 微波在大气层中具有很强的穿透效率 ,基本上 是无耗的 ,但是受气候条件影响 ,湿度、雨水量越大 , 传输效率越低 ,这种差别在 3 GHz 以上表现得较为 明显。因此 ,当必须考虑大气层对微波传输的影响 时 ,一般采用较低的微波频段。 Goubau 等首先从理论上推算了白由空间波束 可达到近 100 %的传输效率[40 ] ,Degenford 等人在 反射波束导波系统上得到了验证[2 ,41 ] 。研究证明 , 传输效率ηt 与 D、A t 、A r 、λ有关。定义传输参数 　　　　τ= A r A tλD (3) 若发射天线的口径场分布为高斯型 ,则当τ= 214 ,λ = 4 mm 时 ,ηt = 99163 %。该数值是在波导系统中 多次反射条件下得到的 ,与实际的点对点能量传输 有所不同。 整流天线是 MP T 系统的接收部件 ,由接收天 线和整流电路组成 ,如图 2 所示。整流电路包括 L PF (低通滤波器) 、整流二极管、直通滤波器和负载 RL 。L PF 的主要作用有三个 :第一 ,让基频通过 ,阻 止天线的其他频率分量进入整流电路 ;第二 ,反射二 极管产生的高次谐波 ;第三 ,同时实现接收天线与滤 波器之间的匹配。直通滤波器的作用是只让直流通 过 ,将基频及基频以上的谐波反射回到整流二极管 , 一方面提高了输出直流的平稳度 ,另一方面将反射 的 RF 能量再一次整流利用。 图 2 　整流天线组成 整流天线效率ηr 分为接收天线对微波的接收 效率ηra和整流电路的整流效率ηD 两部分 ,即 177第 4 期　　　　　　　　　杨雪霞 :微波输能技术概述与整流天线研究新进展 　　　　　ηr =ηraηD (4) ηra依赖于天线的优化设计 ;ηD 由整流二极管特性参 数、阻抗匹配程度、直流负载 ,以及对高次谐波的抑 制能力等因素所决定。 若整流天线负载为 RL ,负载得到电压为 V D ,则 整流天线效率 ηr = V 2 D PRM RL Lpol ×100 % (5) 式中 ,Lpol为接收 - 发射天线的失配因子。在匹配良 好时 ,如果发射与接收天线均为线极化或旋向相同 的圆极化 ,则 Lpol = 1 ;如果发射天线是线极化 ,接收 天线是圆极化 ,或反之 ,则 Lpol = ρw ×ρ3a 2 = 1/ 2。如果二极管得到的功率为 Pdiode ,则二极管整流 效率为 ηD = V 2 D Pdiode RL ×100 % (6) 显然 ,ηD >ηr 。在不同文献中 ,整流效率的计算方法 略有不同。 微波输能一般利用 ISM ( Indust rial , Scientific and Medical ) 公用频段 ,如 S ( 2145 GHz) 、C ( 518 GHz) 、X(8151 GHz)等。频率越高 ,MP T 系统中的 微波器件越小 ,但是频率较低的微波器件比较成熟。 2 　MP T 技术水平 雷达和导航、微波遥感、射电天文 ,以及通信业 的发展促进了高功率微波源和高增益、多功能发射 天线的研究。MP T 系统中整流天线既不同于一般 的天线 ,又不是通常的整流技术 ,是 MP T 系统的核 心技术。下面分别介绍 MP T 系统各部分的当前国 内外技术水平。 211 　微波功率源 上世纪 50 年代 ,随着大功率微波管的出现及其 技术的迅速提高 ,某些大功率微波源技术已经比较 成熟。产生微波的真空管包括磁控管、行波管和速 调管 ,固态器件有半导体器件和混合型器件。 在 S 和 C 波段 ,磁控管的 DC2RF 转换效率为 86 % ,相位控制磁控管效率为 65 %～75 % ,行波管 效率略低 ,它们的效率还可能提高 5 % ;采用多腔配 置的速调管 ,最大输出功率可达几十 kW 量级 ,电子 管和电路上的总效率可达 76 %以上 ,若采取降压收 集即可将效率提高到 83 % ;目前一般半导体器件最 高转换效率在 50 % ,高功率 E 类功放在理论上有 100 %的效率 ,由于谐波等问题的存在 ,实际效率约 70 %。GaN 合金功放器件具有宽的能带隙 ,允许高 电压工作 ,理论预测表明 ,其效率高于 GaAs 功放 , 但造价还很高。不同微波功率源的关键差异在于转 换器的 RF 功率输出不同 ,输出不同又导致驱动能 力和电压的不同 ,每种功率源都有相当的竞争力。 目前来讲 ,在这些大功率微波源中 ,磁控管的性能比 较可靠 ,价格低廉。 在毫米波段 ,如 Ka 波段 ,已有能产生 200kW 连续波甚至更高功率的回旋管。对于更高的毫米波 段和亚毫米波段 ,回旋管效率还较低 ,制冷技术亦未 过关。当前 , Ka 波段的 GaAs 场效应晶体管输出功 率最高只有 011W , GaN 功放尚未见报道。 212 　微波发射天线 在大功率 MP T 系统中 ,对微波发射天线主要 考虑以下两方面。 第一 ,高聚焦能力。MP T 系统发射天线辐射口 径场的功率密度大约是通信系统的 4 倍 ,卡塞格龙 天线比普通的口径天线有较强的聚焦能力。在 MP T 技术基础研究中一般采用成熟的抛物面天线 , 例如国内某研究所 S 波段和 C 频段天线口径可达 70 m ,增益分别为 62 dB (2145 GHz) 和 69 dB (518 GHz) ,波束宽度分别为 0111°和 01048°。 第二 ,微波能量的定向传输。在一些实际应用 中 ,要求对移动目标输能 ,这就需要发射天线具有随 动功能 ,可由相控阵天线完成。相控阵天线已普遍 用于许多领域 ,但是一个 T/ R 组件的成本很高 ,而 大功率相控阵天线单元数成千上万 ,使其有效用于 MP T 系统 ,还有一段距离。另一种具有定向功能的 技术是回溯 ( Ret rodirective) 天线阵 ,目前在 MP T 系统中受到重视。具有定向功能的 MP T 系统有两 个优点 :其一 ,提高了 MP T 系统的 DC2DC 整体转 换效率 ;其二 ,增强了系统的安全性。 在具体 MP T 系统中 ,为了使整流天线获得最 大 RF2DC 转换效率 ,由微波功率源和发射天线组成 的发射机阵列是由不同功率的单元组成 ,中心发射 功率最高 ,向边缘逐渐降低。例如 ,最早用于 MP T 系统的是具有 Gauss 波束分布的发射天线 ,若发射 阵列使用 10dB 高斯锥形脉冲 ,则发射机阵中心放 置 26kW 的速调管 ,阵列边缘上速调管的功率渐变 为原来的十分之一 ,接收天线口径满足式 (3)时可以 获得约 95 %的微波波束能量[2 ] 。 213 　接收整流天线 1964 年 ,随着 MP T 技术的提出开始了整流天 线技术的研究。整流二极管性能是决定整流效率的 关键因素。上世纪 70 年代 , Si 肖特基二极管代替 277 电 　波 　科 　学 　学 　报 第 24 卷 点接触半导体二极管以后 ,将 RF2DC 转换效率提高 到 80 %左右。整流二极管工作于大信号状态 ,所以 必须首先分析其非线性特性 ,研究工作频率、输入功 率、直流负载等参数对整流效率的影响。 为了得到高转换效率 ,必须选择结电容小的二 极管。目前有多种工作于微波频段的肖特基二极管 可供选用 ,比较著名的如 Rayt heon、HP、M/ A COM 等二极管。Si 和 GaAs 肖特基整流二极管效率可达 80 %以上。GaAs 的电子迁移率是 Si 的 6 倍 ,因此 GaAs 二极管的转换效率较高 ;而 Si 具有较好的导 热性 ,因此 Si 二极管的可靠性较高。 接收天线是整流天线的另一重要部件 ,考虑共 形性 ,一般用平面印刷天线 ,高增益是保证高 RF2 DC 转换效率的前提。按照极化来分 ,接收天线有 线极化、双极化和圆极化。发射天线是圆极化时 ,双 极化天线接收的能量是单极化天线的两倍 ;圆极化 接收天线勿需极化对准 ,可以接收任意线极化波和 旋向相同的圆极化波。常用的平面天线是印刷偶极 子和微带贴片 ,前者增益稍高 ,后者容易实现圆极化 工作。 美国 NASA 对 518 GHz 频段 SPS 的 DC2DC 转换效率做了详细估算[6 ] ,微波输能系统的三部分 效率分别可达 ηg = 7616 % ,ηt = 8115 % ,ηr = 7211 % ,所以总体 DC2DC 效率η= 45 %。 214 　小结 总体来讲 ,在 MP T 系统中 ,发射端 DC2RF 转 换有比较成熟的技术。发射天线可用抛物面天线、 相控阵天线等 ,利用现有的技术 ,或者将现有技术加 以改善、集成 ,就可以实现极化方向控制与跟踪等功 能。而整流天线技术和 MP T 系统的 DC2DC 整体 转换效率的提高还处于研究阶段 ,是当前 MP T 系 统主要研究内容。 3 　MP T 技术应用概述 MP T 技术首先在长距离、大功率应用方面受到 青睐 ,如 SPS 上的能量传输[2～11 ] 为临近空间飞行器 (如 HAA : High Altit ude Airship)供能[ 2～4 ,12～22 ] ;地 面沙漠、孤岛、峡谷等复杂环境中的电能输送问题 , 例如法国利用 MP T 技术解决了留里旺岛上一个偏 远小村庄的日常用电问题[42 ] ;目前 MP T 技术在低 功率应用方面亦展现出诱人的前景[23～30 ] 。 311 　太阳能输送 美国 Glaser 博士早在 1968 就提出空间太阳能 发电的构想 ———SPS[5 ] ,即在地球同步轨道上建立 太阳能发电卫星基地 ,将取之不尽的太阳能转换成 电能 ,然后通过微波发生器将电能转换成微波能 ,再 由天线定向辐射到地球上的微波能量接收装置 ——— 整流天线阵 ,转换成直流电能加以利用。空间太阳 能具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、 洁净、无污染等优点 ,随着人类征服太空能力的加 强 ,以及石油、天然气、煤炭资源的日趋短缺和地球 生态环境的恶化 ,利用空间太阳能发电已越来越受 世界各国的关注。SPS 计划极大地促进 MP T 技术 的持续发展。 1977～ 1980 年期间 ,美国 DO E (能源部 ) 和 NASA (国家宇航局)共同组织研究 ,投入 2000 万美 元对 SPS 计划进行了概念论证 ,肯定了其可行性。 自 20 世纪 90 年代以来 ,技术实力雄厚的美国和能 源资源短缺的日本 ,先后开展了空间电站的可行性 论证 ,并对其中的关键技术 ———MP T 技术作了大量 的研究工作。2000 年前后 ,美国 NASA 成立了专 门的研究组 ,对 SPS 计划的经济和技术可行性进行 了更加全面、细致、科学的论证[6 ] ,日本在当前技术 和研究水平的基础上 ,科学地预测了未来 40 年本国 太阳能空间站的发展历程和各个阶段所要达到的技 术能力[ 7 ] ,2020 年将 SPS 用于宇航服务 ,2030 达到 商业应用。目前 ,美国、日本等国每年举办 SPS 计 划论证会 ,就其关键技术研究成果进行交流[9～11 ] , 其中除了太阳能转换为电能的研究成果之外 ,另一 个主要内容是整流天线、大功率微波源和发射天线 的最新研究进展。 法国 U RSI (国际无线电科学联合会) 在 2005 年发表的 SPS 白皮书中 ,对 SPS 系统及其关键技 术、各国研究情况、关键技术研究现状 ,以及 MP T 技术对地球和太空环境造成的影响做了讨论 ,同时 还提出将 SPS 用于火星和月球供能的可能性[8 ] 。 另外 ,俄罗斯、加拿大、德国、以色列等国也对 SPS 计划投入了相当的研究力量。我国也曾对发展太阳 能电站的必要性和相关技术进行了分析[43 ] 。 312 　为高空飞行器和无人机供能 1964 年美国 Raytheon 公司 Spencer 实验室做 了首个微波驱动飞机的实验 ,飞机在 60 英尺高空飞 行了 10 小时[ 1 ] 。上世纪 80 年代中期 ,世界各国先 后提出在同温层建立永久作业平台的设想 ,美国、日 本、加拿大、俄罗斯等国持续做了大量相关实验和理 论研究[ 12～22 ] 。关于微波驱动飞机和高空永久作业 平台的研究成果在目前实用价值较高的 HAA 中得 以体现[22 ] 。HAA 造价和维护费用较低 ,在军事和 377第 4 期　　　　　　　　　杨雪霞 :微波输能技术概述与整流天线研究新进展 民用方面有很多优越性 , HAA 的发展可分为两个 阶段。 (1)第一阶段 ———地对空能量输送 高功率微波发射站设在地面上 ,可以是静止的 , 也可以是移动的 ,向高空飞行器供能[12～21 ] 。飞行器 底部布置整流天线阵 ,将微波能量接收并转换成直 流能量。在形成这种方案的同时也对特殊环境和特 殊应用中所遇到的各种问题作了理论和实验研究。 例如 ,美国 Brown 教授研究了高空飞行器上整流天 线在不同风速和温度下的整流天线效率问题[12 ] ,日 本京都大学在 1983 年的 MIN IX( Microwave Iono2 sp here Nonlinear Interaction eXperiment)计划中研 究了强微波波束与电离层的相互作用 ,在 1992 年的 MIL AX ( MIcrowave Lif ted Airplane eXperiment ) 中实现地面移动供能系统自动追踪空中目标并为其 供电[ 16 ] 。 这一阶段的特点是发射天线置于地面 ,在将微 波发送到 25 km 以上的近空间时有两个不利因素 , 第一 ,地面发射系统庞大、功率极高 ,会对传播路径 上的生物体和飞行体造成不利影响 ;第二 ,发射波束 方向相对固定 ,虽然这对基本保持静止且表面积很 大的高空飞行器来说微波接收效率很高 ;但是对执 行特殊任务的无人机来说 ,需进入微波束范围才能 获取能量 ,使得系统 DC2DC 效率太低。 (2)第二阶段 ———空对空能量传输方案 高功率微波发射站置于高空的太阳能卫星或高 空飞艇上 ,向距离较近的高空飞行器或微波驱动飞 机供能。 2006 年美国 NASA Langley 研究中心发表了 更具现实意义的 HAA 研究报告[22 ] ,其能源供给主 要是太阳能光电池和热电转换器。作为重要的能量 补充方式 , MP T 技术用在夜间得不到太阳光的时 候 ,配合本身带有的燃料电池和电池 ,一共可以得到 1MW 的能量供 HAA 在夜间工作。HAA 尺寸为 150 m ×60 m ,因此底部有足够的面积 ,使得整流天 线面积就是发射天线的微波束面积 ,从而微波截获 效率很高。其整流天线做在薄膜上 ,接收天线是毫 米波段的偶极子。微波输电来自 SPS 的微波发射 系统 ,也不排除从地面发射微波的可能。 HAA 中 MP T 系统的另一个应用是为微波供 能飞机 ( MPAV : Microwave2Powered Aerial Vehi2 cles)提供能量 ,MPAV 充有氦气 ,吊挂于 HAA 底 部 ,MPAV 背部及双翼上布满整流天线 ,可以随时 从 HAA 获取能量。MPAV 用途广泛 ,可执行各种 特殊任务 ,如气象观测、空气和水污染监控、空中和 水域交通控制、通信中继、为边远地区供电、情报收 集等。 这种空对空微波能量传输方案基本上克服了前 一阶段的缺点 ,具有较高的实用价值。 313 　低功率密度应用 随着材料性能和制作工艺水平的不断提高 , 整流天线可以做得轻而小 ,且剖面低、易共形 , MP T 技术在需要能量的低功率电子设备中初现 其优越性[23 ] 。微机器人[24 ,35 ] 、无源射频识别 (RFID) [25 ,26 ] 、无线传感器和应答器[27 ,28 ] 、遥感探测 等电子设备的能量传输距离一般在数米、数厘米范 围内 ,这些电子设备一般需要适应任意的工作时间 和极长的待机时间 ,MP T 技术正好能够满足这些要 求。另外 ,MP T 技术还可用于驱动智能材料[ 29 ] 、周 围能量回收等方面[ 30 ] 。 对于低功率 ,目前还没有明确的定义 ,1991 年 Brown 认为低功率密度为 01005 mW/ cm2 数量级 , 只有周围微波能量的功率密度在这一范围内。AN2 SI/ IEEE 标准是这样规定 2145 GHz 微波能对人体 安全范围的 :功率密度为 8116 mW/ cm2时照射 6 分 钟 ,功率密度 1163 mW/ cm2时照射 30 分钟。 4 　整流天线研究进展 411 　整流天线单元 整流天线是当前微波输能系统的关键技术 ,其 组成与功能如图 2 所示。二极管的整流效率ηD 是 整流天线 RF2DC 转换效率的核心 ,ηD 与工作频率 f 、输入功率 Pin 、负载 RL 等密切相关。 研究整流天线需要首先解决的一个问题是确定 整流二极管在大信号状态下的非线性特性 ,得到二 极管输入阻抗 ZD 。通过设计匹配网络 ,使二极管的 RF2DC 转换效率ηD 最大。 用 Designer 电路仿真软件对 M/ A COM 公司 的 MA4 E1317 二极管特性进行理论分析 ,工作频率 518 GHz ,得到接不同负载时ηD 随 Pin的变化趋势 , 如图 3 所示。在约 Pin < 150 mW 时 ,ηD 随输入功率 的增加呈非线性急剧增加 ;当 Pin > 150 mW 时 ,整 流效率基本趋于平稳。在 RL = 300Ω时 ,ηD 最大。 理论上 ,MA4 E1317 二极管的ηD 可以达到 80 %以 上。对于不同二极管和不同工作频率 ,为了得到最 大整流效率 ,输入功率和负载的选择非常重要。 整流电路的分析有解析法、实验法和电路仿真 软件。文献[44 ]基于肖特基二极管等效电路 ,将整 477 电 　波 　科 　学 　学 　报 第 24 卷 图 3 　不同负载情况下整流效率随输入功率变化 流电路的线性部分用频域法分析 ,将其非线性部分 用时域法分析 ,得到考虑 N 次谐波的二极管电压表 达式 ,进而计算 ZD ,其不足之处在于忽略了在微波 波段比较明显的二极管的封装特性。K1 Chang 等 人基于整流二极管小信号 S 参数 ,通过设计的实验 装置推算其大信号下的 ZD [45 ] ;文献 [ 37 ]在此基础 上提出了大信号参数直接提取的实验方法 ,直接求 取 ZD 。目前 ,商用软件已普遍用于整流电路的优 化 ,如 Designer、ADS 等。 　　二极管只有在得到足够的输入功率时 ,才会达 到高整流效率 ,考虑实际应用 ,对接收天线的要求是 高增益、圆极化、易集成和易共形。由于二极管工作 于大信号状态 ,整流电路中高次谐波的抑制亦非常 重要。L PF 形式要根据接收天线的馈电方式设计 , 输入端与天线馈电端匹配 ,输出端与二极管输入阻 抗匹配 ,同时要求 L PF 插入损耗小。接收天线和 L PF 的设计除了理论分析之外 ,主要用全波分析法 或基于全波分析法的仿真软件 ,如 IE3D、HFSS 等。 表 1 了具有代表性的不同频率、不同接收 天线形式 ,以及不同输入功率情况下 ,整流天线单元 的输出功率 (或电压) 和转换效率。其中输出功率 (或电压)和转换效率均是最大值 ,很多文献没有提 供传输距离 ,但是可以确定整流天线工作于远场区 域。也可以看出 ,高功率应用整流天线的转换效率 普遍高于低功率应用整流天线。 介于环境安全考虑 ,传输链路上的功率密度不 易太大 ,为了使得二极管得到足够功率 ,必须提高接 收天线增益。例如文献 [ 49 ]研制的双菱环整流天 线 ,输入功率密度只有 617 mW/ cm2 ,但由于接收天 线增益高达 10 dB ,所以其转换效率高。 表 1 　整流天线单元性能 频率/ GHz 接收天线类型 极化 输入功率密度或输入功率 距离 输出功率或电压 转换效率 21388 半波偶极子 [46 ] 线 120 mW/ cm2 — — 80 % 2145 双馈圆形贴片 [18 ] 双 8115 mW/ cm2 119m 5W 81 % 2145 圆形贴片 [47 ] 线 2 - 4W — 215W 64 % 2145 方形贴片 [48 ] 线 100 mW — 7V 68 % 51 5 方形贴片 [28 ] 圆 2155 mW/ cm2 0135m 1174V 57 % 5171 印刷双菱环 [49 ] 圆 617 mW/ cm2 — 95 mW 81 % 51 8 切角方形贴片 [50 ] 圆 12 mW/ cm2 — 387 mW 76 % 51 8 方形贴片 [51 ] 线 63 mW 213 m — 68 % 51 8 开槽环贴片 [52 ] 圆 1 mW 2 m 113V 23 % 8151 方形贴片 [53 ] 双 2515 mW/ cm2 — 65 mW 66 % 10 双层方形贴片 [39 ] 圆 100 mW 42cm 318V 75 % 22 贴片 [24 ] 线 — 6cm 60 mW 30 % 35 方形贴片 [45 ] 线 120 mW — — 29 % 　　工作频率越高 ,相应微波器件尺寸越小 ,重量也 越轻。文献[54 ]建立了 GaAs 肖特基二极管在 Ka 波段 (35 GHz) 的整流效率分析模型。最近还有用 W 波段 (94 GHz) 作微波输能应用的报道[22 ] ,毫米 波段的 RF2DC 转换效率还较低。 412 　整流天线阵列 整流天线阵列研究基本上都是在基于本国政府 部门支持下的一些重大研究计划中进行的 ,表 2 列 出了一些研究计划及其整流天线阵列研究成果。可 以看出 ,整流天线阵的转换效率明显低于单元转换 效率。如文献 [ 47 ]中 ,单元效率是 64 % ,阵列效率 只有 46 %。 因为每个接收天线后接一个整流电路 ,所以整 流天线阵列的设计不同于天线阵 ,不需要严格依从 577第 4 期　　　　　　　　　杨雪霞 :微波输能技术概述与整流天线研究新进展 天线阵理论。考虑尺寸、体积因素 ,整流天线阵尽可 能紧凑 ;但由于存在 L PF 和整流电路 ,考虑天线单 元之间的耦合 ,一般阵元间距在 015～0175 波长之 间。 整流天线阵的设计 ,在满足具体功率或电压的 要求下 ,以最大转换效率为设计目标。文献 [ 57 ]从 MP T 系统角度出发 ,探讨了整流天线效率优化问 题。文献[ 47 ] [58 ]提出阵列整流效率分析的理论模 型 ,用大量实验数据分析组阵方式对输出直流电压 和转换效率的影响。 表 2 　MPT实验中的整流天线阵 时间 研究机构或项目名称 频率/ GHz 接收天线形式 极化 距离/ m 阵列大小 DC 功率 转换效率 1976 美国 J PL [46 ] 21388 半波偶极子 线 1540 270 元 30kW — 1992 日本 MILAX[16 ] 21411 圆形贴片 — 15 120 元 — 52 % 1992 美国 DSRC 3 [55 ] 5187 印刷偶极子 线 — 1000 元 — — 1996 日本 ET H ER[18 ] 2145 圆形贴片 双 119 1200 元 3kW — 1996 美国 WSF[19 ] 518 — 双 100 直径 1m 65W — 1998 日本京都大学 [47 ] 2145 圆形贴片 线 42 2304 元 750W 46 % 1999 韩国 KERI[56 ] 2145 方形贴片 线 10 400 元 202W 69 % 2003 美国 SERT[49 ] 5161 双菱环 圆 118 9 元 0186 78 % 　　3 David Sarnoff Research Center ,Subsidiary SRI International ,Princeton. 　　由上可见 ,影响整流天线效率的因素主要有 : 接收天线类型、整流电路的配置、整流天线的工 作频段选择和整流天线组阵技术。 5 　微波输能技术展望及其研究方向 国际上对 SPS 和近空间飞行器的高度重视 ,极 大地促进了 MP T 技术的研究进程。MP T 技术已 初步用于对管道机器人供能、两地之间输送电能等 场合。但是若作为一项成熟技术来应用 ,还有许多 关键技术尚待突破 ,同时也呈现了一些新兴研究和 应用领域。 (1) MP T 系统整体转换效率的提高。目前 S 波 段和 C 波段微波功率源、发射天线效率已达到 90 % 以上 ,整流天线转换效率 80 %左右 , MP T 系统的 DC2DC 整体转换效率变得尤为重要 ,如何实现发 射、接收的有机结合 ,在国际上是一个有待突破的关 键技术 ,俄罗斯学者在系统效率方面做了初步的理 论研究[59～61 ] 。 (2) 具有跟踪定位功能的 MP T 系统。SPS 系 统提出发射天线采用回溯天线阵 ,在发射微波能量 的同时 ,实现自动跟踪受能目标的功能。文献[ 9 ]建 立了小比例发射系统模型 ,做了初步仿真分析 ,提出 一些具有指导性建议。系统具有跟踪功能与系统 DC2DC 效率的提高紧密相关。 (3)毫米波段微波输能研究。随着新材料、新技 术的不断出现和加工工艺的提高 ,整流天线研究向 高频段方向发展。毫米波段的 MP T 系统体积小、 重量轻。目前需要攻破的难题是其相对较低的转换 效率和高的造价。 (4)多功能的 MP T 系统。例如具有通信功能 的 MP T 系统 ,将通信功能与能量转换基于一体 ,是 系统小型化的一种有效途径手段 ,可以用于微机器 人和 WL AN 中[62 ] 。 (5) MP T 技术与高新技术结合。以提高系统转 换效率为目标 ,可根据当前最新技术水平研制专用 的整流二极管、微波源和发射天线 ,如将高新膜加工 技术和 M EMS ( Micro2Elect ro2Mechanical System) 技术用于整流天线和发射天线的设计。 6 　结　论 MP T 技术是一个横跨多个学科的综合性技术。 它不仅包括直接有关的高功率微波产生、发射和接 收等问题 ,而且还包括生态、环境、电磁兼容等许多 相关学科。当前 MP T 技术在国际上正蓬勃发展 , 在我国还处于萌芽阶段。积极开展 MP T 技术研究 将不仅推动我国无线输能技术的发展 ,而且将有助 于材料科学、信息科学、空间科学、资源与环境科学 的进步 ,既利于国民经济建设 ,又能在国防建设中发 挥重要作用。 致谢 :感谢国家自然科学基金项目“中小功率整 流天线技术研究”(60171007) 和国家自然科学基金 重点项目 (69889501)“爬行机器人”子项目的支持 ; 感谢上海大学徐得名教授和徐长龙教授对微波输能 技术所做的在国内具有开创性的前期工作 ,以及徐 677 电 　波 　科 　学 　学 　报 第 24 卷 君书博士在整流天线方面所做的研究。 参考文献 [ 1 ] 　BROWN W 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