小功率微波无线能量传输系统关键技术的研究

乔帅翔，魏顺航，张瀚文

（郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450000）

随着人民物质生活以及精神需求的不断提升，电能在人类生活中起着越来越重要的作用。如今大多数情况下人们都是通过电缆、充电线等传输线对电能进行传输。但在一些特殊环境或场合下，例如化工、矿场等场所，裸露的电缆电线很容易造成安全事故，有线传输电能的方式已不能满足这类场所安全的供电供能。因此在这种需求下，通过无线的方式对电能进行有效传输已越来越成为一种新的研究方向。

上个世纪时，通常只有信号或数据才能通过无线的方式进行传播传送。然而随着近代以来半导体技术和材料科学技术的高速发展，无线电能传输技术开始加快进展，学术界对无线电能传输的不同方式均展开了研究。其在各个不同的领域均具有广泛的应用前景，具有重要研究意义与价值。

无线电能传输方式又被称为非接触式电能传输(WPT)，以电磁波为媒介来进行电能的无线输送。根据不同的传输机理，主要可分为以下几类：电磁感应式无线电能传输、磁耦合共振式无线电能传输以及微波式无线电能传输。其中微波式无线电能传输相比于其他几类，具有稳定性强、传输距离远、定向性较高等优点，具有较高的研究价值与较为广泛的应用前景。为了试验的安全性同时考虑设计成本，本文在相对较安全的功率配置下对微波式无线电能传输进行研究，并设计了一款小功率微波无线电能传输系统。

1 微波无线电能传输系统的原理及分析

1.1 无线电能传输方式比较

在无线电力传输系统中，由来自电源的电力驱动发射器设备生成随时间变化的电磁场，该电磁场将空间中的功率传输到接收器设备，接收器设备从该场中提取功率并将其提供给电气设备。无线电能传输技术可以消除对电线以及电池的使用，从而为所有用户增加了电子设备的移动性、便利性和安全性。表1 对3 种常见的无线电能传输方式进行了比较。

表1 3 种无线电能传输方式比较

根据传输距离范围与波长的关系，无线电能传输可分为近场和远场传输。其中电磁感应式和磁耦合共振式主要是近场传输，而微波式无线电能传输方式通常在远场进行传播。远场又称为辐射区，因而能量具有辐射性，即无论是否有接收装置，发射端的能量都不会继续在端口停留，而是向外部空间进行辐射，因此这类传输方式可进行较远距离的电能传输，如无人机、温室大棚传感器等。同时在密闭潮湿的特殊环境下，更能明显地突出微波式无线电能传输方式的优势。不过由于距离较远时，空气中的大气和遮挡物会对微波能造成一定损耗，故距离越远传输效率会逐渐降低。因此提升微波无线电能传输系统的转换效率是关键的技术环节。

2 微波无线电能传输系统关键技术研究

2.1 天线类型的选择

本文主要研究的是小功率低电压情况下的无线电能传输系统。由表2 可知，后2 种天线类型所需电压等级较大，制作成本较高，不方便携带，同时危险系数较高，高强度的聚焦容易对人体造成伤害。

表2 常用天线类型及特点

因此，综合考虑设计需求以及实验安全性，本系统采用安全性能较好，同时传输效率较高，成本较低且方便控制的微带天线作为系统的发射端天线。

微带天线结构模型如图1 所示。辐射贴片的长度为L，宽度为W，介质板厚度为h，正常工作波长为λ。由于介质板厚度h 远小于工作波长λ，则可认为电场在h 范围内没有减小。接下来在此基础上对矩形微带天线的尺寸大小以及馈电方式进行设计计算。

图1 微带天线结构模型

2.2 天线尺寸的设计计算

天线的尺寸对于微波功率能的有效传输至关重要。而在确定需要设计的尺寸之前则应优先确定适合的介质板。本文采用工程常用的FR4 环氧树脂板作为发射端天线的电路基板。该基板介电常数εr=4.4，厚度h=1.6mm。更适合作为工作在2.45GHz 频率下微带天线的介质基板。

由于微带天线是无源元件，不能直接产生电压和电流，因此需要通过传输线亦或其他元件对其进行供电并连入系统，即馈电。

为提高传输效率，本系统进行设计时，采用能量损耗更小的同轴线馈电的方式对天线进行馈电。这种方式由于其馈线与天线地板在同一侧，故天线向反向侧的辐射量更小。通过这种方式，能够有效减小天线的反向辐射损耗，获得更高的辐射前后比，从而提高传输效率。

由公式(1)可得出单个介质基片的宽度Wp：

式中，ƒ 为工作频率，c 为光速。

将ƒ=2.45GHz 代入式(4-9)中，可求得Wp=36.5mm。

而介质的有效介电常数εe可由公式(2)求得：

若要求得单个介质基片的长度Lp，则需要分别对等效辐射缝隙的长边度数ΔLp

以及FR4 板的有效介电常数εe进行求解：

将上述(3)(4)，代入求解Lp的公式(5)中：

可得出考虑边际效应后的介质基片的长度Lp=28mm。有效介电常数εe和ΔLp分别为3.8mm 和0.77mm。

而在通过传输线对天线进行馈电时，主要需要考虑2个方面：阻抗的匹配和电流的平衡。

常规的微带天线进行阻抗匹配时最佳阻抗为50Ω。故本设计同样采用50Ω 的微带馈线进行匹配，即Zin=50Ω。

由于同轴馈电点的位置不同，输入天线的阻抗也不同。为了使传输线与天线阻抗匹配，需对馈电点的位置进行求解。

根据公式(5)：

可得出天线的壁导纳值YW。设天线也作为传输线时的特性阻抗值为Z0(Z0=1/Y0)单位为欧姆(Ω)，馈电点在长为Lp的介质贴片上距贴片两端的距离为L1和L2，单位为毫米(mm)。

天线的馈电点位置输入导纳值Y1 为：

天线输入阻抗的公式如下：

由式(6)～(8)可计算出同轴馈电点的位置，其到贴片边缘的距离L1=7mm。

2.3 微带天线HFSS 仿真分析

上节对天线尺寸大小以及HFSS 软件仿真所需参数进行计算后，具体数值如表3 所示。

表3 发射端天线的仿真参数

将 以 上 参 数 输 入HFSS 软 件 的“Design Properties”中，作为天线仿真的模型参数，之后依照表3 的尺寸大小对微带天线进行模型建立。

通常同轴馈线的半径不必过大，本设计中设置其半径为0.6mm，而地面圆孔的半径为1.5mm，在不影响天线增益大小的同时，也方便后续天线实物的制作。

由于本系统的工作频率为2.45GHz，在计算频率范围（扫频）时只需将此频率包含在内即可。因此本设计将仿真的扫频范围设置为1.4～3.4GHz，频率步进为正常的0.01GHz。

HFSS 仿真后微带天线的回波损耗S11的波形如图2 所示。从仿真结果中可以看出，天线在频率为2.45GHz 时其回波损耗值达到最大，表明本设计中的天线的中心频率为2.45GHz，符合本设计需求。

图2 矩形微带天线的回波损耗波形

天线的方向图能够直观的看到天线在不同方向上的增益大小，是反映天线性能的主要参考。HFSS 仿真后天线的3D 增益如图3 所示，由于单个天线主瓣较大，且没有旁瓣，同时微带天线的方向性较强，故正向增益较高。图中可看到最大正向增益为3.8dB，最大辐射增益的方向垂直于天线平面。

图3 微带天线3D 增益方向图

需要特别指出的是，由于天线为无源器件，因此不存在对信号或能量的放大作用。因此天线增益的含义与功率放大器将功率放大倍数意义不同，它代表天线对输入天线的信号能量的集中程度以及转换的效率。

由于单元天线的辐射增益以及传输功率较低，且方向性较弱，若使用一个单元的微带天线效果不明显。因此通常采用天线阵列——将多个单元天线有序地进行排列后，在同一工作频率范围内进行阵列式传输，从而大大提升其传输功率和辐射强度，同时天线阵列的方向性更强，在特定方向上的增益远大于单元天线产生的增益效果。

天线阵列的数量和排列方式对微波无线电能传输系统具有较大的影响。在确定本设计的天线数目之前，需要先对天线阵列的辐射原理进行简要的分析。

在天线的方向图中，主要包括E 面、H 面和立体方向图。其中E、H 面为经过最大辐射平面且与电场和磁场相正交的2 个平面，表示天线辐射的大小。

通过对单元微带天线和阵列微带天线的E、H 面方向性函数的分析和比较，可发现在尺寸、频率和材质等影响变量一定的情况下，由于同一平面内几列电磁波在相同相位相互叠加，阵列天线的方向性明显大于相应的单元天线，且辐射强度也会增大，从而提升系统的传输功率，达到更好的效果。

基于以上分析，结合本设计小功率下的系统需求，同时考虑传输效率，旁瓣抑制，制作成本以及实用价值等因素，最终在发射端采用4×4 阵列的矩形微带天线。单元辐射贴片的大小依旧为长28mm，宽36.5mm，厚1.6mm的RF4 环氧树脂板。

阵列天线各参数的设置过程以及对边界条件、求解频率的设定等环节与上文单个天线仿真时步骤相同，在此不再赘述。在对模型进行检查，确保无误后，设置扫频范围为1.5~3.5GHz，频率步进为0.01GHz，并运行仿真。

图4为仿真后天线的S11 参数波形图。图中在2.45GHz 的工作频率——m1点时，回波损耗为-17.5，且为最值，表示在此频率内能够稳定运行。尽管在m2点有相似幅值，但两频率相互独立，在本设计中并不影响正常频率内的增益大小。

图4 阵列天线回波损耗波形图

图5为仿真输出后，发射端阵列天线的3D 增益方向图。对比其与图3 的增益大小，可看到阵列天线的增益有了明显升高，最大辐射增益（红色顶端）约为10dB。

通过上述计算及仿真，对本设计中发射端4×4 阵列天线进行制作，其实物图如图6 所示。

图6 微波无线电能传输系统发射端天线实物图

3 结语

通过对发射端天线的类型进行选择与分析，确定了微带天线阵列的形式，随后根据设计的频率与要求对微带天线的尺寸和阵列进行计算分析，并通过Ansoft HFSS仿真软件对其进行电磁辐射分析，得出单元天线的特性，然后对设计的4×4 阵列的微带天线进行仿真分析与优化，确认设计及结构的合理性，并得出最大辐射增益近似为10dB，符合设计需求。