微波输能中一款S波段整流天线阵列研究

微波无线能量传输是空间无线能量传输的一种途径,微波整流天线阵列作为微波无线能量传输系统的重要组成部分,得到了迅速发展和研究。文章在2.45GHz频段分别设计了微带偶极子接收天线和高效微带整流电路,并组成50cm×50cm的微波整流天线阵列。阵列由72个整流天线单元组成,每个整流天线单元包括一个偶极子天线和一个整流电路。实验测试得到37.1%的整体传输效率。     

无线能量传输整流天线技术研究进展

近年来,无线电技术不断发展,其中无线能量传输技术可以实现无线供电,引起了广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。无线能量传输系统中的整流天线用来将接收到的电磁波转换为直流电,其转换效率是衡量系统能量传输能力的一个重要指标。文中首先介绍了无线能量传输技术的基本原理,接下来阐述了无线能量传输整流天线的研究进展,总结了近年来整流天线设计的主流技术方案,包括多频段和宽带整流天线、谐波抑制整流天线、高增益整流天线、双极化整流天线、大功率及负载范围整流天线、基于电磁超材料的整流天线等,并讨论了不同方案的关键技术及优势,展望了未来的发展趋势。     

面向空间太阳能电站应用的超大规模天线阵列模块尺寸与姿态偏差效应分析

空间太阳能电站微波能量传输需要具备超大规模的相控阵列波束形成和超高精度的波束指向控制能力。采用大尺寸的基本相控电单元能够缩减天线阵列规模和微波发射通道数目,从而显著降低微波能量发射系统的构造和组装成本。然而,相控单元的尺寸越大,对天线模块的结构刚性和姿态控制精度要求越高。基于天线阵列的结构化构型设计,提出超大规模回复反射阵列的结构模块和相控电单元的尺寸分析模型,推导得到结构模块姿态偏差、电单元尺寸要求和能量传输效率的近似关系及其解析表达式,可供作为空间太阳能电站微波传能天线阵列及其波束控制方案设计的参考依据。     

滤波天线技术在微波能量传输中的应用研究

微波无线能量传输摆脱了传统能量传输的电缆限制,可以满足多个领域的应用需求,整流天线是完成微波-直流能量转换的重要装置。目前常规整流天线中存在的滤波器、阻抗匹配网络等损耗及常规微带天线的窄带特性,使得其效率及带宽等特性存在可提升的空间。文章在回顾滤波天线及整流天线的发展现状的基础上,提出将滤波天线的概念与整流电路相结合,开展滤波整流天线技术研究。将天线单元作为滤波器电路理论中的谐振单元开展滤波整流天线建模和分析理论研究,设计具有辐射、滤波、复数阻抗匹配等功能的天线及阵列结构,有望突破整流天线高效集成的技术难点,为微波无线能量传输效率提升提供技术基础。     

基于感应耦合式无线能量传输的 微纳聚合体航天器电源系统设计与验证

微纳聚合体航天器是一种以机械或电磁锁紧机构实现各模块化基本单元航天器连接的新型航天器架构,可以灵活实现在轨组装与自重构以满足不同任务需求。但是,基于传统电连接器的电气互联方式无法适应模块化航天器间灵活交汇对接与快速分离需求。针对上述问题,文章建立了基于感应耦合式双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构,根据地面演示验证需求分别设计了能源核航天器和载荷任务航天器电源系统参数,然后根据各模块化航天器间非接触供电需求,设计了双向无线能量传输单元参数,最后通过地面演示试验验证了基于双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构可行性,单级无线能量传输功率在20W~30W时传输效率稳定在75.8%以上,通过效率优化提升至95%以上,将可实现四个基本单元航天器的多级功率传输。     

激光无线能量传输远场大光斑测试技术

无线能量传输系统作为空间太阳能电站的一个关键部分,其性能直接决定了空间太阳能电站技术的可行性。特别对于激光无线能量传输系统,准确测量激光远场光斑分布是分析和评价激光无线能量传输系统性能的有效手段。针对太阳能发电卫星轨道高、激光传输距离远、接收激光光斑面积大,并且受大气影响,光斑抖动严重,光斑能量分布以及光斑形状测量困难的问题,文章提出了基于光能探测器阵列的大面积激光光斑测试方法,采用光斑分布式测量及能量分布重构方法,完成激光无线能量传输系统远场光斑的测试,具有分布式测量,可灵活布局的特点,通过反演算法能够实现光斑能量密度分布重构,接收激光功率积分求解,光束发散角计算等,功能多样,适应能力强,为激光无线能量传输系统载荷的参数修订,以及在轨飞行任务的评价提供有效依据。     

大功率激光能量传输多光束协同捕获瞄准与跟踪技术研究

以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景,以提高系统能量传输效率为宗旨,针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同捕获、瞄准与跟踪(APT)方法进行研究。首先通过对大功率激光无线能量传输系统的分析,获知了单光束激光无线能量传输系统的局限性,然后针对大功率、多光束激光无线能量传输系统的协同APT系统组成,分析了单终端多光束系统和多终端多光束系统的实现方法及构成,最后针对单光束、7光束和9光束发射系统的目标重构光斑进行仿真,仿真结果表明,通过精确的多光束协同APT系统可以实现光束重构,重构后的能量光斑能量密度和分布都能得到改善。文章的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备和理论依据。     

空间太阳能电站反向波束控制仿真分析

分析几项重要的空间太阳能电站反向波束控制技术研究工作,提出空间太阳能电站微波无线能量传输(MPT)分系统的初步方案和主要参数,在此基础上建立空间太阳能电站微波波束发射和反向波束控制仿真模型,重点分析发射天线子阵列的微波馈电相位误差、频率误差和姿态误差等因素对于系统传输效率的影响,相关结论将为微波无线能量系统的设计和微波无线能量传输技术的研究提供参考。     

激光无线能量传输在轨应用方法

根据分离模块航天器系统特点和任务需求,结合无线能量传输的技术能力和水平,开展激光无线能量传输在分离模块航天器系统中应用方法研究,设计了一种基于激光相控阵技术的多光束激光能量发射天线以及由其组成的激光无线能量系统方案,包括航天器编队、能量转换、激光发射等方式,对未来的激光能量传输的在轨应用具有参考价值。     

激光无线能量传输接收装置研究

通过对激光无线能量传输过程中影响接收装置效率的因素进行分析,结合光电池最优布局和最大功率跟踪技术,提出一种高转换效率的激光无线能量传输接收装置,实现接收装置转换效率不受负载阻抗的影响,研制出转换效率高达29.6%的激光无线能量接收装置。     

航天器间微波无线能量传输技术研究

微波无线能量传输技术在宇航领域具有广阔的应用前景,利用该技术可以将能量传递到各模块航天器,解决能源问题对卫星功能和性能的限制。在理论分析微波无线能量传输技术的基础上,提出系统设计方案,突破能量传输总体设计技术,探索影响能量传输效率的关键因素,寻求提高能量传输效率的有效方法,为航天器间无线能量传输技术逐步从理论研究转变为实际应用奠定基础。     

毫米波高频段无线能量传输技术发展及其空间应用研究初步设想

随着我国航天事业的发展,空间任务也越来越复杂,能源供给是航天器面临的首要共性问题,航天器间的无线能量传输也显得愈发重要。由于航天器在体积重量和功耗上的限制,为了保证有效的无线能量传输,需要采用毫米波高频段,同时还要解决如何在有限的发射功率和发射天线口径情况下提高接收功率等技术难题。在回顾毫米波高频段无线能量传输技术发展的基础上,提出探索基于慢衰减电磁波产生和准无衍射波束形成的远距离时空聚焦微波能量传输理论与方法,并开展毫米波高频段整流器件建模研究和高效整流天线集成设计工作,建立航天器间毫米波无线能量传输缩比简化原理验证系统的研究设想,有望为航天器间无线能量传输效率提升提供技术基础和技术途径,也将推动无线能量传输在无人机无线输能、地面特殊场合供电等远距离无线输能应用系统的发展。     

超表面多波束天线技术及其在无线能量传输中的应用

自上世纪60年代无线能量传输首次成功的实验验证以来,该技术已成为电子科学与技术多个子领域的热门研究方向。近年来,在物联网、移动通信、和新能源汽车等变革式迅猛发展的推动下,智能电子和电气设备数量激增,无线能量传输技术的开发和成熟显得日益重要,其应用变得更加广泛。无线能量传输主要基于磁感应、谐振耦合、以及电磁辐射三种机理,现有的绝大多数研究集中在基于近场感应和耦合式的能量传输,无法满足很多广域场景下的充能要求,因此,高效中远距无线能量传输方案的解决成为当务之急。由亚波长单元构成的电磁超表面剖面低、损耗小、具有强大的电磁波调控能力,可实现低成本的菲涅尔区和远场区多波束聚焦,给无线能量传输带来了新的思路和方法。文章主要对超表面多波束天线技术进行介绍,包括对已有工作的整理和归纳,以及对其在无线能量传输中潜在应用的展望。     

动态无线能量传输系统参数化设计与优化

无线能量传输技术以其操作方便快捷、适应快速更换及维修、减少机动作业无缆影响、可快速扩展、大幅减小设备电池质量、无触电危险、极限环境适应性强等特点被广泛应用于各领域。针对给定输入和约束,要求对动态无线能量传输系统的耦合机构尺寸和电路参数进行充分优化设计以满足一定输出功率效率的需求。经过前期对电路和耦合机构磁路的理论及仿真研究,得到了系统各参数变化时将导致系统输出特性随之如何变化的理论依据。基于此,建立了动态无线能量传输系统的参数化设计模型,并进行优化设计流程及步骤,以最简化的计算流程和最少的工作量,实现了动态无线能量传输系统的发射轨道和电路的参数化设计。该研究将对动态无线能量传输系统的多目标多参数化自动最优化设计具有重要的指导意义。     

高斯分布圆口径天线菲涅尔区能量传输效率分析

文章对菲涅尔区两圆口径天线间能量传输效率进行了分析,给出了聚焦条件下两高斯分布圆口径天线间能量传输效率的解析表达式。并给出能量传输效率随不同高斯分布参数σ和菲涅尔数C变化的计算结果。结果表明:使圆口径天线间能量传输效率最大的最佳口径场分布可通过高斯分布来近似实现,且对于每一个菲涅尔数C都有一个最佳的σ使得两天线间能量传输效率最大,当菲涅尔数较小时,最佳σ≈C/3,随着菲涅尔数C增大,σ趋于C/2。     

大功率高速激光无线能量信息同传技术

激光通信及激光能量传输技术都以激光为载体,进行空间传输,将能量和携带信息传递给远端设备,在系统构成上具有天然共同点,因此,在同一套系统内实现激光通信/传能两种功能,必将成为未来系统能源信息传输的有效手段,将优化系统构成,提高系统效率。文章研究了激光无线能量信息同传技术,对激光能量信息同传机制、同传机制下激光信号调制解调、高效率光电转换技术,提出高效能量信息同传系统设计方案,研制了火箭地面激光传能通信一体化样机,实现25m传输距离,激光无线供电461W,激光无线通信速率500Mbps,为下一步高效激光无线能量信息同传系统发展提供解决思路。     

天线整流器协同设计的高灵敏度射频能量采集单元研究

面向物联网自供电传感节点的能量灵敏度受限于能量采集单元的灵敏度,本文基于天线 整流器协同设计方法,实现了一种面向无线传感及通信节点的高灵敏度,射频能量采集天线-能量采集芯片构成的单元,并进行了系统验证。整流电路采用TSMC 180nm CMOS RF工艺流片,定制弯折偶极子天线,两者适当的Q值下实现阻抗匹配,通过芯片整流电路和Q值的协同提升能量采集灵敏度。联合测试结果表明,在50MΩ等效电阻负载和电压为0.8V的情况下,量采集单元的最高灵敏度可达到-27.9dBm,结合和能量管理电路和储能器件,在36dBm发射功率下,自由空间下的无源通信距离可达40.55m。     

激光无线能量传输技术应用及其发展趋势

介绍了无线能量传输技术的分类,分析了无线能量传输技术在未来航天方面的应用需求,最后以激光无线能量传输系统为例,对系统组成、关键技术以及未来的发展趋势进行了展望。无线能量传输技术将为我国空间科学研究、天基遥感和环境监测等领域提供技术先进、应用灵活、可满足多类重大应用需求的支持。     

面向微波电力传输的低成本易部署柔性接收天线阵

文章提出了一种用于微波电力传输(MPT)系统的柔性能量接收天线阵列,具有面积大、成本低、易部署的特点。由于能量接收器表面通常为不平整状态,因此,传统刚性材质天线无法完成共形共面制备。为了适应各种外型的运用场景,文章采用柔性材料设计天线,其介质基板和辐射导体分别基于聚酰亚胺和新型液态金属镓铟合金（其中镓的占比为75.5％,铟的占比为245％）。由于MPT应用场景非常复杂多变,故对便携性提出要求。采用折叠/充气展开技术进行结构设计,以实现接收天线阵列收放的便捷性。使用三维电磁场仿真软件（CST）对设计的柔性接收天线从单元到阵列进行仿真,天线工作频点为58GHz。最大捕获效率超过55％,并且在弯曲工况下捕获效率超过35％。仿真结果证明了文章工作的有效性和正确性。     

全金属Fabry-Perot谐振腔天线

为实现远距离微波无线能量传输,发射天线应具有耐受大功率、高增益、低损耗和结构简单等优点。针对以上需求,文章设计了一款全金属结构的Fabry-Perot谐振腔天线。整个天线包含全金属腔体,波导馈口和双层金属栅格覆盖层。覆盖层的尺寸为3λ0 × 3λ0,λ0为对应的工作波长。每一层金属栅格都包含9 × 9个单元。所设计的双层覆盖层可以看作是一种电磁带隙结构,通过优化双层金属栅格单元的厚度和间距,实现了工作频段的宽带化,仿真结果表明其在9.72GHz~10.3GHz之间实现了插入损耗小于3dB的宽频带传输特性。通过电磁带隙结构对馈源辐射出来的微波进行幅度和相位的修正实现增益的提高,仿真结果表明：不加载双层覆盖层时该天线的增益为9.7dBi, 加上覆盖层之后增益提高到了17.76dBi。为了验证上述设计和仿真,加工制作了一款全金属结构Fabry-Perot谐振腔天线,实测结果表明：该谐振腔天线在10GHz实现了17.31dBi的高增益,同时在9.51GHz~11.42GHz之间获得了回波损耗大于10dB的阻抗带宽。