一種基于微波的無線能量系統研究

俞萍 崔彥君 劉輝

摘 要：本文主要針對廣東培正學院青年基金科研項目進行探討和研究，通過設計高增益天線和Butler矩陣匹配網絡從而實現高效收集微波能量，將接收到的微波能量轉換為電能提供給低功耗的小型設備使用，將為利用無線電能源提供新思路。

關鍵詞：微波 天線 能量

人們對于無線能量傳輸的夢想追逐開始于19 世紀，美國能源部（DOE）和美國航空航天局（NASA）共同探究太陽能衛星系統無線充電的可行性。他們將 5 GW 的直流能量轉變為微波波束射向衛星，衛星使用相控陣天線接收，并將電磁波轉化成直流能量存儲使用。無線能量收集技術被廣泛用于超低功耗設備供電方法的研究，無線能量傳輸的研究團隊遍布全球，諸如芬蘭、美國、韓國、日本、比利時、德國等。國內外研究的無線能量收集天線主要有以下幾個特點：輸入端與轉換電路匹配好；陣列形式提升增益和方向性；集成整流電路和天線構成整流天線。雖然各式各樣的天線都可以用于能量收集，但是不同類型的天線在收集能效上還是存在差異。

一、天線的發展。

國內外研究的無線能量收集天線主要有以下幾個特點：

1、輸入端與轉換電路匹配好；2、陣列形式提升增益和方向性；3、集成整流電路和天線構成整流天線。雖然各式各樣的天線都可以用于能量收集，但是不同類型的天線在收集能效上還是存在差異。對于低射頻輸入功率的情況下，需要高增益以提升輸入功率，同時需要良好的前端匹配以減少射頻功率的損失，典型天線設計。

無線能量經過收集天線進入到轉換電路，經過前端匹配，進入整流升壓電路進行射頻與直流的轉換。根據電磁波波長，無線能量供電技術可分成遠場和近場兩種形式。近場傳輸一般通過線圈耦合的方式傳遞能量，傳輸距離較短，而遠場可以實現長距離超視距傳輸。周圍環境中獲取無線能量的方式被稱為無線能量收集而通過增加能量源以實現近距離充電的方式被稱為無線能量傳輸。電視、廣播、無線局域網等均以無線電波作為載體傳輸信息，它們從基站發出的信號源能量有時高達kW量級，但接收端，收到的能量很小，其余的都散射到空間中轉化為熱能或被其他物體吸收。本設計的無線能量收集系統是利用日常生活中常見的微波信號，信號源能量強度穩定、持續時間長，便于進行長時間的無線能量收集。

二、項目系統的研究和設計。

本系統主要來源廣東培正學院科研項目：一種基于微波的無線能量系統研究。對項目進行研究和分析。通過設計高增益天線和Butler矩陣匹配網絡從而實現高效收集微波能量，將接收到的微波能量轉換為電能提供給低功耗的小型設備使用，將為利用無線電能源提供新思路。

1、來波檢測系統的設計

本系統將偵測天線與Butler矩陣相接，在每次無線能量收集前，借助該系統進行信號源能量分布情況的檢測，找出最大來波方向，使收集天線對準該方向，確保無線能量收集測試的準確性。首先ARM內核微處理器控制數據選擇器，不同的數據選擇將改變Butler矩陣的相位，從而可以接收到天線在不同方向上的微波信號，將接收到的微波信號通過轉換電路，轉化為直流信號。再經過微處理器處理后，液晶屏上將會顯示不同方向所接收到的信號大小，從而確定能量接收最強的方向。

2、無線能量收集系統的設計

首先設計了來波檢測系統，用于檢測無線能量收集的信號源的最大來波方向，接著將設計基于穩定微波信號的無線能量收集系統。針對收集天線設計了與Butler矩陣鏈接的天線陣列，并給出該天線的仿真與實測情況。進行設計高增益天線、Butler矩陣匹配設計、轉換電路設計，使用CST，ADS，HFSS等軟件進行設計仿真，并用轉換效率和電路效率評價電路的性能。

3、收集效能評價

針對微波信號設計了無線能量收集系統，結合無線能量收集系統的框架，提出收集效率、轉化效率、電路效率三個評價指標。搭建用于模擬相應的微波信號的室內測試平臺，對不同收集天線、射頻合路和直流合路的連接方式進行不同輸入功率條件下的測試，最后給出所測系統的評價情況。

三、總結

無源多波束饋電網絡主要利用Butler矩陣實現，其中選擇單層微帶線結構來實現Butler矩陣網絡。在將各個功能模塊設計完成后，將其組合成無線能量收集系統，如何設計符合本系統的所使用的Butler矩陣是難點。各個模塊間要匹配良好才能達到高效能。匹配包括阻抗的匹配，首先接收天線與Butler矩陣要實現阻抗的匹配，其次是Butler矩陣與能量轉換電路模塊間的。頻率的匹配，依據所采用的能量轉換電路等因素來確定的中心頻率在完成各模塊調試后組合在一起時頻率應在各自的中心頻率上，達到最大的效率。

參考文獻：

[1] 劉學觀，郭輝萍.微波技術與天線[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[2] 鐘順時，天線理論與技術[M].北京：電子工業出版社，2015.

[3] 黃飛，陳文華.5G 通信25GHz Butler矩陣的設計與研究[J] 微波學報，2015，10：115-118.

[4] ParadisoJ A，Starner T.Energy scavenging for mobile and wireless electronics[J].Pervasive Computing， IEEE， 2005， 4（1）：18 -27.

[5] Visser H J，VullersR J M. RF Energy Harvesting and Transport for Wireless Sensor Network Applications： Principles and Requirements[J]. Proceedings of the IEEE， 2013，101（6）：1410 - 1423.

作者簡介：俞萍，女，1981年出生，碩士，計算機講師，主要從事電子信息以及計算機領域的科研和教學工作。

項目來源：廣東培正學院青年基金科研課題“一種基于微波的無線能量系統研究”，項目編號為18pzxmqn01。