喬帥翔，魏順航，張瀚文

（鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450000）

隨著人民物質(zhì)生活以及精神需求的不斷提升，電能在人類生活中起著越來越重要的作用。如今大多數(shù)情況下人們都是通過電纜、充電線等傳輸線對(duì)電能進(jìn)行傳輸。但在一些特殊環(huán)境或場(chǎng)合下，例如化工、礦場(chǎng)等場(chǎng)所，裸露的電纜電線很容易造成安全事故，有線傳輸電能的方式已不能滿足這類場(chǎng)所安全的供電供能。因此在這種需求下，通過無線的方式對(duì)電能進(jìn)行有效傳輸已越來越成為一種新的研究方向。

上個(gè)世紀(jì)時(shí)，通常只有信號(hào)或數(shù)據(jù)才能通過無線的方式進(jìn)行傳播傳送。然而隨著近代以來半導(dǎo)體技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，無線電能傳輸技術(shù)開始加快進(jìn)展，學(xué)術(shù)界對(duì)無線電能傳輸?shù)牟煌绞骄归_了研究。其在各個(gè)不同的領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景，具有重要研究意義與價(jià)值。

無線電能傳輸方式又被稱為非接觸式電能傳輸(WPT)，以電磁波為媒介來進(jìn)行電能的無線輸送。根據(jù)不同的傳輸機(jī)理，主要可分為以下幾類：電磁感應(yīng)式無線電能傳輸、磁耦合共振式無線電能傳輸以及微波式無線電能傳輸。其中微波式無線電能傳輸相比于其他幾類，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、定向性較高等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的研究?jī)r(jià)值與較為廣泛的應(yīng)用前景。為了試驗(yàn)的安全性同時(shí)考慮設(shè)計(jì)成本，本文在相對(duì)較安全的功率配置下對(duì)微波式無線電能傳輸進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了一款小功率微波無線電能傳輸系統(tǒng)。

1 微波無線電能傳輸系統(tǒng)的原理及分析

1.1 無線電能傳輸方式比較

在無線電力傳輸系統(tǒng)中，由來自電源的電力驅(qū)動(dòng)發(fā)射器設(shè)備生成隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)將空間中的功率傳輸?shù)浇邮掌髟O(shè)備，接收器設(shè)備從該場(chǎng)中提取功率并將其提供給電氣設(shè)備。無線電能傳輸技術(shù)可以消除對(duì)電線以及電池的使用，從而為所有用戶增加了電子設(shè)備的移動(dòng)性、便利性和安全性。表1 對(duì)3 種常見的無線電能傳輸方式進(jìn)行了比較。

表1 3 種無線電能傳輸方式比較

根據(jù)傳輸距離范圍與波長(zhǎng)的關(guān)系，無線電能傳輸可分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸。其中電磁感應(yīng)式和磁耦合共振式主要是近場(chǎng)傳輸，而微波式無線電能傳輸方式通常在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行傳播。遠(yuǎn)場(chǎng)又稱為輻射區(qū)，因而能量具有輻射性，即無論是否有接收裝置，發(fā)射端的能量都不會(huì)繼續(xù)在端口停留，而是向外部空間進(jìn)行輻射，因此這類傳輸方式可進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的電能傳輸，如無人機(jī)、溫室大棚傳感器等。同時(shí)在密閉潮濕的特殊環(huán)境下，更能明顯地突出微波式無線電能傳輸方式的優(yōu)勢(shì)。不過由于距離較遠(yuǎn)時(shí)，空氣中的大氣和遮擋物會(huì)對(duì)微波能造成一定損耗，故距離越遠(yuǎn)傳輸效率會(huì)逐漸降低。因此提升微波無線電能傳輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。

2 微波無線電能傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 天線類型的選擇

本文主要研究的是小功率低電壓情況下的無線電能傳輸系統(tǒng)。由表2 可知，后2 種天線類型所需電壓等級(jí)較大，制作成本較高，不方便攜帶，同時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)較高，高強(qiáng)度的聚焦容易對(duì)人體造成傷害。

表2 常用天線類型及特點(diǎn)

因此，綜合考慮設(shè)計(jì)需求以及實(shí)驗(yàn)安全性，本系統(tǒng)采用安全性能較好，同時(shí)傳輸效率較高，成本較低且方便控制的微帶天線作為系統(tǒng)的發(fā)射端天線。

微帶天線結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。輻射貼片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，介質(zhì)板厚度為h，正常工作波長(zhǎng)為λ。由于介質(zhì)板厚度h 遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)λ，則可認(rèn)為電場(chǎng)在h 范圍內(nèi)沒有減小。接下來在此基礎(chǔ)上對(duì)矩形微帶天線的尺寸大小以及饋電方式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)模型

2.2 天線尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算

天線的尺寸對(duì)于微波功率能的有效傳輸至關(guān)重要。而在確定需要設(shè)計(jì)的尺寸之前則應(yīng)優(yōu)先確定適合的介質(zhì)板。本文采用工程常用的FR4 環(huán)氧樹脂板作為發(fā)射端天線的電路基板。該基板介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=1.6mm。更適合作為工作在2.45GHz 頻率下微帶天線的介質(zhì)基板。

由于微帶天線是無源元件，不能直接產(chǎn)生電壓和電流，因此需要通過傳輸線亦或其他元件對(duì)其進(jìn)行供電并連入系統(tǒng)，即饋電。

為提高傳輸效率，本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用能量損耗更小的同軸線饋電的方式對(duì)天線進(jìn)行饋電。這種方式由于其饋線與天線地板在同一側(cè)，故天線向反向側(cè)的輻射量更小。通過這種方式，能夠有效減小天線的反向輻射損耗，獲得更高的輻射前后比，從而提高傳輸效率。

由公式(1)可得出單個(gè)介質(zhì)基片的寬度Wp：

式中，? 為工作頻率，c 為光速。

將?=2.45GHz 代入式(4-9)中，可求得Wp=36.5mm。

而介質(zhì)的有效介電常數(shù)εe可由公式(2)求得：

若要求得單個(gè)介質(zhì)基片的長(zhǎng)度Lp，則需要分別對(duì)等效輻射縫隙的長(zhǎng)邊度數(shù)ΔLp

以及FR4 板的有效介電常數(shù)εe進(jìn)行求解：

將上述(3)(4)，代入求解Lp的公式(5)中：

可得出考慮邊際效應(yīng)后的介質(zhì)基片的長(zhǎng)度Lp=28mm。有效介電常數(shù)εe和ΔLp分別為3.8mm 和0.77mm。

而在通過傳輸線對(duì)天線進(jìn)行饋電時(shí)，主要需要考慮2個(gè)方面：阻抗的匹配和電流的平衡。

常規(guī)的微帶天線進(jìn)行阻抗匹配時(shí)最佳阻抗為50Ω。故本設(shè)計(jì)同樣采用50Ω 的微帶饋線進(jìn)行匹配，即Zin=50Ω。

由于同軸饋電點(diǎn)的位置不同，輸入天線的阻抗也不同。為了使傳輸線與天線阻抗匹配，需對(duì)饋電點(diǎn)的位置進(jìn)行求解。

根據(jù)公式(5)：

可得出天線的壁導(dǎo)納值YW。設(shè)天線也作為傳輸線時(shí)的特性阻抗值為Z0(Z0=1/Y0)單位為歐姆(Ω)，饋電點(diǎn)在長(zhǎng)為L(zhǎng)p的介質(zhì)貼片上距貼片兩端的距離為L(zhǎng)1和L2，單位為毫米(mm)。

天線的饋電點(diǎn)位置輸入導(dǎo)納值Y1 為：

天線輸入阻抗的公式如下：

由式(6)～(8)可計(jì)算出同軸饋電點(diǎn)的位置，其到貼片邊緣的距離L1=7mm。

2.3 微帶天線HFSS 仿真分析

上節(jié)對(duì)天線尺寸大小以及HFSS 軟件仿真所需參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，具體數(shù)值如表3 所示。

表3 發(fā)射端天線的仿真參數(shù)

將 以 上 參 數(shù) 輸 入HFSS 軟 件 的“Design Properties”中，作為天線仿真的模型參數(shù)，之后依照表3 的尺寸大小對(duì)微帶天線進(jìn)行模型建立。

通常同軸饋線的半徑不必過大，本設(shè)計(jì)中設(shè)置其半徑為0.6mm，而地面圓孔的半徑為1.5mm，在不影響天線增益大小的同時(shí)，也方便后續(xù)天線實(shí)物的制作。

由于本系統(tǒng)的工作頻率為2.45GHz，在計(jì)算頻率范圍（掃頻）時(shí)只需將此頻率包含在內(nèi)即可。因此本設(shè)計(jì)將仿真的掃頻范圍設(shè)置為1.4～3.4GHz，頻率步進(jìn)為正常的0.01GHz。

HFSS 仿真后微帶天線的回波損耗S11的波形如圖2 所示。從仿真結(jié)果中可以看出，天線在頻率為2.45GHz 時(shí)其回波損耗值達(dá)到最大，表明本設(shè)計(jì)中的天線的中心頻率為2.45GHz，符合本設(shè)計(jì)需求。

圖2 矩形微帶天線的回波損耗波形

天線的方向圖能夠直觀的看到天線在不同方向上的增益大小，是反映天線性能的主要參考。HFSS 仿真后天線的3D 增益如圖3 所示，由于單個(gè)天線主瓣較大，且沒有旁瓣，同時(shí)微帶天線的方向性較強(qiáng)，故正向增益較高。圖中可看到最大正向增益為3.8dB，最大輻射增益的方向垂直于天線平面。

圖3 微帶天線3D 增益方向圖

需要特別指出的是，由于天線為無源器件，因此不存在對(duì)信號(hào)或能量的放大作用。因此天線增益的含義與功率放大器將功率放大倍數(shù)意義不同，它代表天線對(duì)輸入天線的信號(hào)能量的集中程度以及轉(zhuǎn)換的效率。

由于單元天線的輻射增益以及傳輸功率較低，且方向性較弱，若使用一個(gè)單元的微帶天線效果不明顯。因此通常采用天線陣列——將多個(gè)單元天線有序地進(jìn)行排列后，在同一工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行陣列式傳輸，從而大大提升其傳輸功率和輻射強(qiáng)度，同時(shí)天線陣列的方向性更強(qiáng)，在特定方向上的增益遠(yuǎn)大于單元天線產(chǎn)生的增益效果。

天線陣列的數(shù)量和排列方式對(duì)微波無線電能傳輸系統(tǒng)具有較大的影響。在確定本設(shè)計(jì)的天線數(shù)目之前，需要先對(duì)天線陣列的輻射原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

在天線的方向圖中，主要包括E 面、H 面和立體方向圖。其中E、H 面為經(jīng)過最大輻射平面且與電場(chǎng)和磁場(chǎng)相正交的2 個(gè)平面，表示天線輻射的大小。

通過對(duì)單元微帶天線和陣列微帶天線的E、H 面方向性函數(shù)的分析和比較，可發(fā)現(xiàn)在尺寸、頻率和材質(zhì)等影響變量一定的情況下，由于同一平面內(nèi)幾列電磁波在相同相位相互疊加，陣列天線的方向性明顯大于相應(yīng)的單元天線，且輻射強(qiáng)度也會(huì)增大，從而提升系統(tǒng)的傳輸功率，達(dá)到更好的效果。

基于以上分析，結(jié)合本設(shè)計(jì)小功率下的系統(tǒng)需求，同時(shí)考慮傳輸效率，旁瓣抑制，制作成本以及實(shí)用價(jià)值等因素，最終在發(fā)射端采用4×4 陣列的矩形微帶天線。單元輻射貼片的大小依舊為長(zhǎng)28mm，寬36.5mm，厚1.6mm的RF4 環(huán)氧樹脂板。

陣列天線各參數(shù)的設(shè)置過程以及對(duì)邊界條件、求解頻率的設(shè)定等環(huán)節(jié)與上文單個(gè)天線仿真時(shí)步驟相同，在此不再贅述。在對(duì)模型進(jìn)行檢查，確保無誤后，設(shè)置掃頻范圍為1.5~3.5GHz，頻率步進(jìn)為0.01GHz，并運(yùn)行仿真。

圖4為仿真后天線的S11 參數(shù)波形圖。圖中在2.45GHz 的工作頻率——m1點(diǎn)時(shí)，回波損耗為-17.5，且為最值，表示在此頻率內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。盡管在m2點(diǎn)有相似幅值，但兩頻率相互獨(dú)立，在本設(shè)計(jì)中并不影響正常頻率內(nèi)的增益大小。

圖4 陣列天線回波損耗波形圖

圖5為仿真輸出后，發(fā)射端陣列天線的3D 增益方向圖。對(duì)比其與圖3 的增益大小，可看到陣列天線的增益有了明顯升高，最大輻射增益（紅色頂端）約為10dB。

通過上述計(jì)算及仿真，對(duì)本設(shè)計(jì)中發(fā)射端4×4 陣列天線進(jìn)行制作，其實(shí)物圖如圖6 所示。

圖6 微波無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端天線實(shí)物圖

3 結(jié)語

通過對(duì)發(fā)射端天線的類型進(jìn)行選擇與分析，確定了微帶天線陣列的形式，隨后根據(jù)設(shè)計(jì)的頻率與要求對(duì)微帶天線的尺寸和陣列進(jìn)行計(jì)算分析，并通過Ansoft HFSS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行電磁輻射分析，得出單元天線的特性，然后對(duì)設(shè)計(jì)的4×4 陣列的微帶天線進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化，確認(rèn)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)的合理性，并得出最大輻射增益近似為10dB，符合設(shè)計(jì)需求。