周永金 ,徐 露 ,戴黎輝 ,譚 沖

(1.上海大學 特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室，上海 200444；2.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

0 引言

世界經(jīng)濟的發(fā)展依賴于煤炭、石油、天然氣等能源，而化石能源不可再生。另外，化石能源對環(huán)境會造成危害，因此太陽能這種清潔可持續(xù)的能源成為了國內(nèi)外研究重點。1968年，美國Peter Glaser 博士首次提出了太陽能衛(wèi)星(Solar Power Satellite, SPS)計劃[1-2]，核心思想是利用太陽能衛(wèi)星來收集空間太陽能，然后通過微波輸能技術(shù)(Microwave Power Transmission,MPT)將太陽能傳輸?shù)降厍蚬┤祟愂褂?。無線能量傳輸系統(tǒng)通過自由空間將能量直接從發(fā)射端傳送到接收端，傳輸損耗只有大氣損耗、雨衰和遮擋損耗等。微波輸能作為無線能量傳輸?shù)闹匾獙崿F(xiàn)方式，易于實現(xiàn)遠距離傳輸，且微波波束強度易于控制，使功率密度滿足國際安全標準的要求。該計劃提出后，各國開展相關(guān)技術(shù)研究，極大促進了微波輸能技術(shù)的發(fā)展。微波輸能技術(shù)還有其他應(yīng)用前景，比如偏遠地區(qū)供電和地面向空中衛(wèi)星或飛行器輸能[3-4]，管道微型機器人[5-6]，遙感探測[7-8]，低功率無線傳感網(wǎng)絡(luò)[9]等領(lǐng)域。

1980年，加拿大提出了高海拔中繼平臺項目計劃[10]，該計劃利用微波供能平臺為無人機提供能量，150 m空中無人機在微波供能情況下持續(xù)飛行了20分鐘。1992 年，日本進行了微波驅(qū)動飛機實驗，該實驗中首次利用相控陣天線產(chǎn)生2.411 GHz的微波波束為移動目標提供能量[11]。1993年，日本科學家提出 International Space Year-Microwave Energy Transmission in Space (ISY-METS)計劃[12]，將微波能量從帶有微帶天線陣的火箭傳遞到另一個帶有兩種不同整流天線陣的火箭上。ISY-METS 項目首次將 MPT 技術(shù)應(yīng)用于太空[13]。日本提出的另一個 MPT 項目被稱為“地-地無線能量傳輸項目”(Ground-to-Ground MPT program)，該項目采用由2304個天線單元組成的整流天線陣，工作在2.45 GHz，用來接收3.4 m*7.2 m范圍內(nèi)的能量[14]。2000年，日本京都大學設(shè)計了全集成太陽能衛(wèi)星發(fā)射機，該系統(tǒng)在2002年美國休斯頓舉辦的世界空間大會上展出，該整流天線陣采用1848個獨立整流天線來點亮發(fā)光二極管[15]。為了在2030年實現(xiàn) SPS 全集成系統(tǒng)，日本JAXA 已經(jīng)針對需要集成于 SPS 系統(tǒng)中的硬件子系統(tǒng)開展了大量的研究工作[16-17]。近期，日本研究人員嘗試用直徑為2.4m的天線發(fā)送能量，為50m外的家用取暖器提供能量。

相較于美國、日本等發(fā)達國家，我國在 MPT 技術(shù)方面起步較晚。1994年，林為干院士以《微波輸電：現(xiàn)代化建設(shè)的生力軍》為題，首次向國內(nèi)介紹了微波輸能技術(shù)[18]。然后，中國科學院電工研究所分析了用微波輸電技術(shù)來為磁懸浮列車供電的可行性，同時，針對 MPT 系統(tǒng)中一些關(guān)鍵技術(shù)進行了研究[19]。1998 年，電子科技大學的李中云教授研究了二極管的SPICE 參數(shù)對效率的影響以及效率隨輸入功率的變化關(guān)系[20-21]。2009 年，四川大學進行了國內(nèi)首次遠距離(200 m)微波輸能外場實驗。上海大學徐得名教授、楊雪霞教授團隊早在1998年即開始微波輸能管道機器人的研究，在微波毫米波整流天線方面做了大量建設(shè)性的工作。華南理工大學章秀銀教授在高效整流整流電路方面、西安電子科技大學李龍教授團隊在電磁能量收集、電子科學技術(shù)大學王秉中教授團隊在微波能量傳輸系統(tǒng)，特別是時間反演的MPT系統(tǒng)等都作出了卓越貢獻。目前我們國家在MPT 技術(shù)方面也投入了更多的力量來實現(xiàn)更長遠的目標。

本文設(shè)計并實測了一套工作頻率為2.45 GHz的微波輸能系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三個主要組成部分，其中微波源最大輸出功率53.272 dBm(212 W)時，末級F類放大器的漏極效率可達57.612%；整流電路當輸入功率為30 dBm，負載為260 Ω時，整流效率達到75%；采用簡單的拋物面天線，波束的捕獲效率在距離為8m的情況下，波束捕獲效率能夠保持在45%以上。理論計算的系統(tǒng)直流到直流效率為14%。

1 無線能量傳輸系統(tǒng)

微波輸能系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示，第I部分是微波功率發(fā)生器，將直流變成微波；第II部分是微波的發(fā)射、傳播，微波發(fā)生器發(fā)射出的微波能量到達發(fā)射天線，經(jīng)聚焦后高效地發(fā)出去，經(jīng)過自由空間傳播到達接收天線；第III部分為整流天線，接收功率發(fā)生器發(fā)射來的微波能量并且轉(zhuǎn)換為可進行功能的直流能量。微波輸能系統(tǒng)中最重要的指標是直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換效率，其由三部分效率組成：微波功率發(fā)生器的直流/射頻(DC-RF)轉(zhuǎn)換效率ηg；從微波源到接收天線的傳輸效率ηt；整流天線的射頻直流(RF-DC)整流效率ηr，則系統(tǒng)總效率為：η=ηgηtηr。

1.1 微波功率發(fā)生器

本系統(tǒng)采用全固態(tài)的微波功率發(fā)生器， 工作頻率為2450 MHz，輸出功率可以達到200W。如圖2所示，該系統(tǒng)信號發(fā)生器部分采用鎖相環(huán)技術(shù)，穩(wěn)定產(chǎn)生2450 MHz的小信號，經(jīng)由衰減器至功率放大級前端。功率放大采用三級放大電路，產(chǎn)生具有較高功率的射頻信號，首先小信號經(jīng)驅(qū)動級初步放大，再經(jīng)過采用LDMOS工藝的AB類放大器進行放大，最后由高效F類放大器進一步放大經(jīng)隔離器輸出。另外，所有模塊受控于FPGA，從而實現(xiàn)了輸出功率可調(diào)。

圖1 微波輸能系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 schematic diagram of microwave power trans mission system

對如圖3(a)所示的微波功率發(fā)生進行測量，結(jié)果示于圖3(b)，可以看到在2450 MHz下，當輸出功率為53.272 dBm(212 W)時，末級F類放大器的漏極效率可達57.612%，增益可達12.219 dB，滿足系統(tǒng)所需的微波功率發(fā)生配置。

圖2 微波功率發(fā)生器原理框圖Fig.2 Schematic diagram of microwave power generator

實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的高功率發(fā)生器，其散熱性能是必須考慮的。本系統(tǒng)的散射裝置如圖4所示，在各級放大器上加載銅制散熱片，通過熱管將熱量傳輸至魚鰭散熱片進行風冷散熱。

圖4 微波發(fā)生器散熱結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Heat dissipation structure of microwave power generator

1.2 整流電路

在整流電路設(shè)計中，由于發(fā)送功率和收發(fā)天線增益較高，使得整流電路的輸入功率較大。針對輸入功率為大功率的情況，整流電路采用功分器對輸入功率進行功率分配，在整流電路的每一路采用整流二極管陣列，使得每一路的整流電路都能安全有效的工作，從而提升了整個電路的功率容量。

在整流電路設(shè)計中選用經(jīng)典的威爾金森功分器進行功率分配，結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，該功分器的長l和寬w分別為120 mm和77 mm。仿真的S參數(shù)如圖5(b)所示，可以看到輸入端口的反射系數(shù)S11在2.45 GHz處達到-21 dB，端口1到各個端口的傳輸系數(shù)在-9.2 dB左右，端口2至端口9的最大插損不超過0.4 dB，該功分器滿足設(shè)計要求。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)仿真S參數(shù)圖5 一分八威爾金森功分器Fig.5 One to eight port wilkinson power divider

整流二極管是整流電路的核心部件，選取二極管需考慮的主要參數(shù)為擊穿電壓VBR、零偏置結(jié)電容Cj0和寄生串聯(lián)電阻Rs，當輸入功率較大時，應(yīng)選取擊穿電壓較大的二級管，為獲取較高的整流效率必須選擇較小寄生串聯(lián)電阻和較小結(jié)電容的二極管，但結(jié)電容過小會導致?lián)舸╇妷旱慕档?。綜合考慮，整流二極管采用Avago公司的HSMS 282P，該型號內(nèi)部集成了四個肖特基二極管，具體參數(shù)為VBR = 15 V，Cj0= 0.7 pF，Rs= 6 Ω。整流電路單元中并聯(lián)兩路整流二極管，如圖6 (a) 所示，其中每路有一個二極管HSMS 282P，故每個整流單元有8個肖特基二極管，可提升整個電路的功率容量。用ADS軟件仿真了整流電路單元在不同輸入功率時整流效率隨負載的變化曲線，如圖6 (b) 所示。當輸入功率為30 dBm，負載為260 Ω時，整流效率達到峰值為75%。

(a)實物圖 (b)在不同輸入功率的情況下整流效率隨負載變化的曲線圖6 整流電路結(jié)構(gòu)及其整流效率Fig.6 Rectifier circuit and its efficiency

最終設(shè)計的整流電路模塊是將八個整流電路單元與將功分器并行連接，如圖7 (a)所示，長和寬分別為12 mm和11 mm。實測結(jié)果如圖7(b) 所示，可以看到當輸入功率達到29 dBm時，整流效率在負載為50 Ω時達到最高的71%。

(a)實物圖 (b)整流效率在不同輸入功率的情況下隨負載的變化曲線圖7 八路整流電路級聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of final rectifier circuit

1.3 收發(fā)天線

微波輸能要求發(fā)送和接收天線需要具有高增益、高方向性的特性。為簡單起見，本系統(tǒng)選用了口徑尺寸較大，聚焦特性較好的拋物面天線，如圖8(a)所示，天線的長和寬分別為900 mm和600 mm，在暗室測量的天線方向圖如圖8(b)所示，可以看到在2.45 GHz處的測量增益為23.43 dBi。經(jīng)過理論計算，波束的捕獲效率在距離為8m的情況下，依然能夠保持在45%以上。

(a)發(fā)射和接收拋物面天線 (b)天線的方向圖圖8 收發(fā)天線Fig.8 Transmitting and receiving antennas

2 結(jié)論

文章設(shè)計并實測了一套工作頻率為2.45 GHz的微波輸能系統(tǒng)，其中微波功率發(fā)生器最大輸出功率53.272 dBm(212 W)時，末級F類放大器的漏極效率可達57.612%；整流電路當輸入功率為30 dBm，負載為260 Ω時，整流效率達到75%；采用簡單的拋物面天線，波束的捕獲效率在距離為8m的情況下，波束捕獲效率能夠保持在45%以上。實測200W時微波發(fā)生器效率為49.3%，整流電路效率為63%，在波束捕獲效率為45%時，理論計算的系統(tǒng)直流到直流效率可以達到14%。