[發(fā)明專利]一種基于近場聚焦非陣列天線的微波能量傳輸系統(tǒng)

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110736006.5
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113629896A
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 禹旭敏;任俊毅;趙穎;施錦文;李小軍;王穎;董士偉
• 申請（專利權(quán)）人: 西安空間無線電技術(shù)研究所
• 主分類號: H02J50/20
• 分類號: H02J50/20;H01Q15/16;H01Q21/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張歡

一種基于近場聚焦非陣列天線的微波能量傳輸系統(tǒng)，包括：微波發(fā)射機、收/發(fā)天線系統(tǒng)和微波整流電路；收/發(fā)天線系統(tǒng)是一對互為共軛的近場聚焦天線，天線采用橢球反射面形式；根據(jù)所述微波能量傳輸系統(tǒng)所需能量傳輸效率和所需的傳輸距離，確定收發(fā)天線口徑和載波頻率；微波發(fā)射機實現(xiàn)直流功率到微波功率的轉(zhuǎn)換，發(fā)射天線將微波能量發(fā)射出去，經(jīng)自由空間傳輸后，接收天線接收該微波能量，微波整流電路將微波能量整流轉(zhuǎn)換為直流能量，完成對目標供電。本發(fā)明解決傳統(tǒng)能量傳輸方案中依靠增加接收截獲面積提高傳輸效率，能量傳輸距離等于天線聚焦距離，陣列天線存在饋電網(wǎng)絡(luò)損耗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及成本過高，整流電路直流合成造成的能量損失等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微波能量傳輸系統(tǒng)，屬于射頻無線電傳輸領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無線能量傳輸技術(shù)作為一種新型的能量傳遞方式，能將能量以無線方式進行遠距離傳輸，這種能量傳輸?shù)钠瘘c與終點可以是地、空、天三者之間任意兩兩組合。能量傳遞在自由空間進行，不借助任何導(dǎo)波，傳輸速度為光速，且能量的傳遞可以通過控制波束方向?qū)崿F(xiàn)靈活變換。其工作過程為微波源將直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉芰浚ㄟ^天線發(fā)送至自由空間，波束代替高壓線實現(xiàn)遠程能量傳輸，在用戶端同樣通過天線接收微波能量并實現(xiàn)直流能量轉(zhuǎn)換輸出。可用于太陽能電站、深空探測等應(yīng)用領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的信號通信系統(tǒng)不同，微波無線能量傳輸?shù)暮诵氖恰案吣芰總鬏斝省焙汀案吣芰哭D(zhuǎn)換效率”，主要包括大功率高效率微波發(fā)射源，高效率收發(fā)天線傳輸，高效的微波整流電路及直流管理等關(guān)鍵模塊。整個系統(tǒng)的總效率是各環(huán)節(jié)效率的乘積，因此每一個環(huán)節(jié)的效率都是整個傳能系統(tǒng)無法忽視的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于近場聚焦非陣列天線的微波能量傳輸系統(tǒng)，采用一對共軛的橢球反射面天線作為收/發(fā)天線實現(xiàn)微波能量的無線傳輸，解決傳統(tǒng)能量傳輸方案中接收系統(tǒng)采用整流陣列天線時因直流合成電路造成的能量損失，解決微波能量傳輸系統(tǒng)中依靠增加截獲面積提高RF-RF傳輸效率的問題，解決傳統(tǒng)微波能量傳輸方案中接收天線放置在發(fā)射天線的聚焦點處、能量傳輸距離即為天線聚焦距離的問題，解決傳統(tǒng)微波能量傳輸方案中陣列天線存在饋電網(wǎng)絡(luò)損耗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及成本過高等問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于近場聚焦非陣列天線的微波能量傳輸系統(tǒng)，包括：微波發(fā)射機、收/發(fā)天線系統(tǒng)和微波整流電路；收/發(fā)天線系統(tǒng)是一對互為共軛的近場聚焦天線，天線采用橢球反射面形式；根據(jù)系統(tǒng)所需能量傳輸效率和所需的傳輸距離，確定收發(fā)天線口徑和載波頻率；在微波能量傳輸系統(tǒng)中，通過微波發(fā)射機實現(xiàn)直流功率到微波功率的轉(zhuǎn)換，然后利用發(fā)射天線將微波能量發(fā)射出去，經(jīng)自由空間傳輸后再利用接收天線接收該微波能量，最后通過微波整流電路將微波能量整流轉(zhuǎn)換為直流能量，完成對目標供電。

收/發(fā)天線系統(tǒng)包括橢球反射器a、橢球反射器b、饋源a、饋源b，原理圖如圖1所示。橢球反射器a位于橢球a中，橢球a的形面由橢圓a繞其長軸旋轉(zhuǎn)一周得到；橢球反射器b位于橢球b中，橢球b的形面由橢圓b繞其長軸旋轉(zhuǎn)一周得到；橢圓a和橢圓b的長軸重合，兩個焦點在點F2重合，橢圓a的另一個焦點F1處放置饋源a，饋源a指向橢球反射器a的中心，橢圓b的另一個焦點F3處放置饋源b，饋源b指向橢球反射器b的中心。橢球反射面具有聚焦能力，由饋源a在點F1處發(fā)射出的電磁波經(jīng)過橢球反射器a反射后，在焦點F2處實現(xiàn)能量匯聚，波束經(jīng)過F2后散射并被橢球反射器b反射，最終被饋源b接收。

橢圓a和橢圓b形狀尺寸相同，橢圓長軸和短軸的長度根據(jù)需求設(shè)定；饋源a和饋源b結(jié)構(gòu)尺寸相同，為變張角光壁喇叭。橢球反射器a為發(fā)射天線反射器，饋源a為發(fā)射饋源組件，橢球反射器b為接收天線反射器，饋源b為接收饋源組件。

收/發(fā)天線在Grasp軟件建模，采用矩量法仿真計算，通過優(yōu)化傳能距離、反射器形面尺寸、饋源波束寬度得出不同狀態(tài)下的理想傳輸效率，得到RF-RF傳輸效率與收發(fā)間距/菲尼耳區(qū)距離的關(guān)系曲線；根據(jù)對所需收/發(fā)天線的傳輸效率和傳輸距離的要求，由上述關(guān)系曲線確定天線的菲尼耳區(qū)距離。