微波无线能量传输原理与技术

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第1章 传输原理及发展历史
　　1.1 无线能量传输简介
　　电磁波既可作为信号载体，又可作为能量载体，电磁无线能量传输是以电磁波为能量载体，以无线方式实现近距离或远距离能量传输。电磁能量无线传输的提出已经有一百多年的历史，但在 20世纪前，因相关技术的不成熟而发展得较为缓慢。随着技术的进步、能源和环境问题的突出以及移动设备在生活中的大量使用，无线能量传输技术给人类展示了一幅异常诱人的画面，吸引了越来越多的注意力。近年来，电磁能量无线传输技术的发展更为迅速，取得了不少成绩。
　　目前常用的电磁能量无线传输方式主要有四种：激光无线能量传输、微波无线能量传输(Microwave Wireless Power Transmission，MWPT)、电磁耦合( Electromagnetic Reaction)和电磁谐振。它们有各自的适用范围，近距离可以选择电磁耦合和电磁谐振；远距离可以选择激光无线能量传输或者微波无线能量传输。
　　电磁耦合和电磁谐振传输距离短，但功率容量大，传输装置成本低，传输效率高。激光无线能量传输相对比较成熟，可以实现中远距离的能量传输，优点是波束窄，收发装置小，缺点是转换效率低、易受天气影响。
　　微波无线能量传输技术具有转换效率高、不易受天气影响、功率容量高的优点。为了克服微波波束在传输过程中的发散效应，实现高传输效率，需要口径面庞大的发射天线和接收天线。此外，用同一载波将能量传输与信息传输结合起来，可实现高速率无线携能通信。
　　无线功率传输( Wireless Power Transmission，WPT)，国内通常称为无线能量传输，是一种非接触传输能量的技术，是一个通过无线传输实现能量从能量源到电负载的过程，由著名电气工程师尼古拉 特斯拉提出 [1-2]，如图 1.1.1所示。典型的无线能量传输是以点对点的方式进行的。区别于传统有线能量传输技术，无线能量传输技术不需要线缆等作为能量传输的载体，大大减少了线缆架设的工程量，并且避免了地理地势的影响。
　　图 1.1.1 1899年尼古拉 特斯拉的无线能量传输试验
　　1.2 微波无线能量传输简介
　　1.2.1 微波无线能量传输原理
　　微波无线能量传输技术是指把电能转化为微波能量后，利用发射天线将微波能量辐射至远方指定区域，然后通过接收天线收集微波能并利用微波整流电路将其转化成电能，从而实现能量的远距离无线传输。以微波为载体进行无线能量传输和转换的技术一旦成熟并得以大规模工程化应用，将会给现代国防军事和人类社会带来革命性的影响，例如，对偏远和高海拔地点雷达站的应急能源补给，对飞艇等长航时飞行器的能量供给，对空间太阳能电站的能量补给。
　　典型的微波无线能量传输系统主要包括以下几部分：微波功率源、发射天线、接收天线、整流电路。其基本工作原理为：直流电通过微波功率源等装置转变为可载能量的微波，然后通过发射天线以定向微波波束的形式发射出去，接收天线接收大功率微波，最后微波通过整流电路重新转变为直流电。
　　微波功率源，用于将直流电转变为微波。它应该具有高效率、低噪声以及高功质比等特点。目前具有将直流电转变为微波功能的器件主要包括磁控管、速调管、行波管、半导体放大器功率源等。
　　微波无线能量传输发射天线，要求具有高增益及高辐射效率等性能。发射天线的主要作用是将从微波功率源传来的微波能量以一种低损耗的方式辐射向自由空间，并使其波束方向可以控制，以便让尽可能多的微波能量传输到接收天线处。
　　微波无线能量传输接收天线截获空间中的微波能量。为了截获更多的微波能量，接收天线需要设计为具有大口径面积、高口径效率和高辐射效率。
　　微波无线能量传输整流电路，用于将微波能量转变为直流电能。整流电路与接收天线相连接，整流电路需要与接收天线阻抗匹配，避免反射的谐波被接收天线再次辐射出去。整流电路应具有低插入损耗(简称插损)和高转换效率特性，将尽可能多的微波能量转变成直流电能。
　　1.2.2 微波无线能量传输的特点和优势
　　1968年，格拉塞( Glaser)博士提出了空间太阳能电站 [3]，得到国际社会的高度重视，近十年来各种各样的空间太阳能电站概念模型被提出 [4]，其概念示意图如图 1.2.1所示[5]。作为空间太阳能电站 [6]构想中将电能从空间传回地面的核心技术，微波无线能量传输技术在国内外得到了广泛研究 [7]。
　　微波无线能量传输技术在诸多领域有广阔的应用前景，例如，临近空间飞艇 [8，9]和航天器 [10]的无线充电。此外，微波无线能量传输技术可以在地面使用微波发射天线为空中飞行的无人机提供能量，这种技术可以取代传统的燃油供能，无人机也无须飞回地面站点补充能量 [11]。日本提出了固定高空中继平台( Stationary High Altitude Relay Platform)[12]的设想，并于 1992年实施了微波驱动无人机试验 [11](Microwave Lifted Air-plane Experiment，MILAX)。在地面利用相控阵天线向空中发射电磁波，并使用电子控制系统追踪无人机的飞行路线，随之改变发射天线的波束指向，使电磁波束始终指向无人机底部的接收天线。无人机底部的接收天线采用轻便型的微带天线。
　　图 1.2.1 空间太阳能电站概念示意图
　　与传统的有线输能相比，微波无线能量传输系统的发射端与接收端之间不需要架设线路 [13]。在一些恶劣的地理环境中，架设输电线路需要耗费大量的人力和物力，而微波无线能量传输技术节省了线路架设成本，从而表现出一定优势。法国曾尝试利用点对点的微波无线能量传输系统，替代有线能量传输系统向一个无路可通的山村供电，传输的能量为 10kW。
　　第一次具有现代意义的微波无线能量传输试验完成于 1964年，Brown将微波无线能量传输技术与直升机技术相结合，构建了一台由微波无线能量驱动的空中悬浮装置[14]。该悬浮装置如图 1.2.2所示。该试验系统采用高效、轻薄的整流阵列天线实现微波无线能量的收集，整流阵列天线共计使用了 4480只半导体二极管，这也是 Brown第一次提出并采用接收整流天线作为微波无线能量传输的接收装置。在试验中，悬浮装置成功地在 50ft①高度上持续飞行了 10h。
　　图 1.2.2 1964年 Brown微波无线能量传输供能的悬浮装置
　　1975年，美国喷气动力实验室( Jet Propulsion Laboratory，JPL)开展了另一项重要的微波无线能量传输试验，这也是世界上首次远距离大功率微波无线能量传输试验[15-17]，如图 1.2.3所示。试验在莫哈维沙漠进行，传输距离为 1.6km，工作频率为2.388GHz。发射端采用直径为 26m的大口径抛物面天线。接收端采用面积为 288ft2的整流阵列天线，阵列包含 17个子阵列，每个子阵列又由 270个整流天线单元构成。在发射微波功率为 450kW时，试验成功地在接收端获得了 30kW的直流功率。
　　图 1.2.3 1975年 JPL微波无线能量传输试验图
　　1982年，美国的 Brown和 Trimer在空间太阳能电站项目的研究中，研制了平面型的硅整流二极管天线列阵，只有传统该类型天线重量的 1/10。该项研究计划在地面使用一个大型的天线系统形成微波束，通过飞机下面的整流天线获得直流电，可以为飞机提供推进动力，为无线电信号中继提供能量。
　　从 20世纪 80年代开始，微波无线能量传输在能源匮乏的日本逐渐得到关注和研究。1993年，日本开展了 International Space Year-Microwave Energy Transmission in Space(ISY-METS)试验 [18]。试验采用微带阵列天线作为发射端，整流阵列天线作为接收端，实现了地面到空中的能量传递。 1998年，日本开展了地面传输试验 [19]，设计了一款工作在 2.45GHz，拥有 2304个单元，口径面为 3.4m×3.6m的接收整流阵列天线，发射采用直径 3m的抛物面天线，发射功率为 5kW。2002年，日本京都大学开展了太阳能无线电综合发射机( Solar Power Radio Integrated Transmitter，SPRIT)试验[11]。试验采用 133只 75W的卤素灯作为光源，照射到太阳能电池板上，用作功率源。系统工作频率为 5.77GHz，接收端采用 1848个单元的整流阵列天线，如图 1.2.4所示。
　　(a)1993年 ISY-METS试验 (b)1998年地面传输试验 (c)2002年 SPRIT试验
　　图 1.2.4 日本微波无线能量传输试验
　　2015年，日本宇宙航空研究开发机构( Japan Aerospace Exploration Agency， JAXA)开展了传输距离为 55m的微波无线能量传输地面试验。如图 1.2.5所示，试验系统工作在 5.8GHz。发射端采用口径面为 1.2m×1.2m的阵列天线，为了减少地面对发射天线性能的影响，发射天线被放置于 5m高的平台上。接收端采用口径面为2.6m×2.3m的整流阵列天线。试验中，发射天线的发射微波功率为 1.8kW，接收端接收到的直流功率为 340W，传输效率为 18.89%。同年，日本的三菱重工实现了传输距离为 500m的微波无线能量传输(图 1.2.6)。系统发射功率为 10kW，通过整流阵列天线接收电磁能量，最终成功点亮了一套发光二极管阵列。
　　图 1.2.5 2015年日本 JAXA的 55m微波无线能量传输地面试验
　　1.2.6 2015年日本三菱重工 500m微波无线能量传输试验
　　2016年，中国空间技术研究院开展了传输距离为 12m的微波无线能量传输地面试验[20]，如图 1.2.7所示。试验系统工作于 2.45GHz，采用固态放大器作为微波功率源，发射天线采用直径 2.4m的抛物面天线，接收天线采用微带天线形式，口径面为 2.4m×2.4m。试验系统的总传输效率约为 16.8%。
　　1.2.7 中国空间技术研究院 2016年微波无线能量传输地面试验