一种基于微波的无线能量系统研究

俞萍 崔彦君 刘辉

摘 要：本文主要针对广东培正学院青年基金科研项目进行探讨和研究，通过设计高增益天线和Butler矩阵匹配网络从而实现高效收集微波能量，将接收到的微波能量转换为电能提供给低功耗的小型设备使用，将为利用无线电能源提供新思路。

关键词：微波 天线 能量

人们对于无线能量传输的梦想追逐开始于19 世纪，美国能源部（DOE）和美国航空航天局（NASA）共同探究太阳能卫星系统无线充电的可行性。他们将 5 GW 的直流能量转变为微波波束射向卫星，卫星使用相控阵天线接收，并将电磁波转化成直流能量存储使用。无线能量收集技术被广泛用于超低功耗设备供电方法的研究，无线能量传输的研究团队遍布全球，诸如芬兰、美国、韩国、日本、比利时、德国等。国内外研究的无线能量收集天线主要有以下几个特点：输入端与转换电路匹配好；阵列形式提升增益和方向性；集成整流电路和天线构成整流天线。虽然各式各样的天线都可以用于能量收集，但是不同类型的天线在收集能效上还是存在差异。

一、天线的发展。

国内外研究的无线能量收集天线主要有以下几个特点：

1、输入端与转换电路匹配好；2、阵列形式提升增益和方向性；3、集成整流电路和天线构成整流天线。虽然各式各样的天线都可以用于能量收集，但是不同类型的天线在收集能效上还是存在差异。对于低射频输入功率的情况下，需要高增益以提升输入功率，同时需要良好的前端匹配以减少射频功率的损失，典型天线设计。

无线能量经过收集天线进入到转换电路，经过前端匹配，进入整流升压电路进行射频与直流的转换。根据电磁波波长，无线能量供电技术可分成远场和近场两种形式。近场传输一般通过线圈耦合的方式传递能量，传输距离较短，而远场可以实现长距离超视距传输。周围环境中获取无线能量的方式被称为无线能量收集而通过增加能量源以实现近距离充电的方式被称为无线能量传输。电视、广播、无线局域网等均以无线电波作为载体传输信息，它们从基站发出的信号源能量有时高达kW量级，但接收端，收到的能量很小，其余的都散射到空间中转化为热能或被其他物体吸收。本设计的无线能量收集系统是利用日常生活中常见的微波信号，信号源能量强度稳定、持续时间长，便于进行长时间的无线能量收集。

二、项目系统的研究和设计。

本系统主要来源广东培正学院科研项目：一种基于微波的无线能量系统研究。对项目进行研究和分析。通过设计高增益天线和Butler矩阵匹配网络从而实现高效收集微波能量，将接收到的微波能量转换为电能提供给低功耗的小型设备使用，将为利用无线电能源提供新思路。

1、来波检测系统的设计

本系统将侦测天线与Butler矩阵相接，在每次无线能量收集前，借助该系统进行信号源能量分布情况的检测，找出最大来波方向，使收集天线对准该方向，确保无线能量收集测试的准确性。首先ARM内核微处理器控制数据选择器，不同的数据选择将改变Butler矩阵的相位，从而可以接收到天线在不同方向上的微波信号，将接收到的微波信号通过转换电路，转化为直流信号。再经过微处理器处理后，液晶屏上将会显示不同方向所接收到的信号大小，从而确定能量接收最强的方向。

2、无线能量收集系统的设计

首先设计了来波检测系统，用于检测无线能量收集的信号源的最大来波方向，接着将设计基于稳定微波信号的无线能量收集系统。针对收集天线设计了与Butler矩阵链接的天线阵列，并给出该天线的仿真与实测情况。进行设计高增益天线、Butler矩阵匹配设计、转换电路设计，使用CST，ADS，HFSS等软件进行设计仿真，并用转换效率和电路效率评价电路的性能。

3、收集效能评价

针对微波信号设计了无线能量收集系统，结合无线能量收集系统的框架，提出收集效率、转化效率、电路效率三个评价指标。搭建用于模拟相应的微波信号的室内测试平台，对不同收集天线、射频合路和直流合路的连接方式进行不同输入功率条件下的测试，最后给出所测系统的评价情况。

三、总结

无源多波束馈电网络主要利用Butler矩阵实现，其中选择单层微带线结构来实现Butler矩阵网络。在将各个功能模块设计完成后，将其组合成无线能量收集系统，如何设计符合本系统的所使用的Butler矩阵是难点。各个模块间要匹配良好才能达到高效能。匹配包括阻抗的匹配，首先接收天线与Butler矩阵要实现阻抗的匹配，其次是Butler矩阵与能量转换电路模块间的。频率的匹配，依据所采用的能量转换电路等因素来确定的中心频率在完成各模块调试后组合在一起时频率应在各自的中心频率上，达到最大的效率。

参考文献：

[1] 刘学观，郭辉萍.微波技术与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[2] 钟顺时，天线理論与技术[M].北京：电子工业出版社，2015.

[3] 黄飞，陈文华.5G 通信25GHz Butler矩阵的设计与研究[J] 微波学报，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.

作者简介：俞萍，女，1981年出生，硕士，计算机讲师，主要从事电子信息以及计算机领域的科研和教学工作。

项目来源：广东培正学院青年基金科研课题“一种基于微波的无线能量系统研究”，项目编号为18pzxmqn01。