高功率中距离2.45GHz微波输能系统①

周永金 ,徐 露 ,戴黎辉 ,谭 冲

(1.上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

0 引言

世界经济的发展依赖于煤炭、石油、天然气等能源，而化石能源不可再生。另外，化石能源对环境会造成危害，因此太阳能这种清洁可持续的能源成为了国内外研究重点。1968年，美国Peter Glaser 博士首次提出了太阳能卫星(Solar Power Satellite, SPS)计划[1-2]，核心思想是利用太阳能卫星来收集空间太阳能，然后通过微波输能技术(Microwave Power Transmission,MPT)将太阳能传输到地球供人类使用。无线能量传输系统通过自由空间将能量直接从发射端传送到接收端，传输损耗只有大气损耗、雨衰和遮挡损耗等。微波输能作为无线能量传输的重要实现方式，易于实现远距离传输，且微波波束强度易于控制，使功率密度满足国际安全标准的要求。该计划提出后，各国开展相关技术研究，极大促进了微波输能技术的发展。微波输能技术还有其他应用前景，比如偏远地区供电和地面向空中卫星或飞行器输能[3-4]，管道微型机器人[5-6]，遥感探测[7-8]，低功率无线传感网络[9]等领域。

1980年，加拿大提出了高海拔中继平台项目计划[10]，该计划利用微波供能平台为无人机提供能量，150 m空中无人机在微波供能情况下持续飞行了20分钟。1992 年，日本进行了微波驱动飞机实验，该实验中首次利用相控阵天线产生2.411 GHz的微波波束为移动目标提供能量[11]。1993年，日本科学家提出 International Space Year-Microwave Energy Transmission in Space (ISY-METS)计划[12]，将微波能量从带有微带天线阵的火箭传递到另一个带有两种不同整流天线阵的火箭上。ISY-METS 项目首次将 MPT 技术应用于太空[13]。日本提出的另一个 MPT 项目被称为“地-地无线能量传输项目”(Ground-to-Ground MPT program)，该项目采用由2304个天线单元组成的整流天线阵，工作在2.45 GHz，用来接收3.4 m*7.2 m范围内的能量[14]。2000年，日本京都大学设计了全集成太阳能卫星发射机，该系统在2002年美国休斯顿举办的世界空间大会上展出，该整流天线阵采用1848个独立整流天线来点亮发光二极管[15]。为了在2030年实现 SPS 全集成系统，日本JAXA 已经针对需要集成于 SPS 系统中的硬件子系统开展了大量的研究工作[16-17]。近期，日本研究人员尝试用直径为2.4m的天线发送能量，为50m外的家用取暖器提供能量。

相较于美国、日本等发达国家，我国在 MPT 技术方面起步较晚。1994年，林为干院士以《微波输电：现代化建设的生力军》为题，首次向国内介绍了微波输能技术[18]。然后，中国科学院电工研究所分析了用微波输电技术来为磁悬浮列车供电的可行性，同时，针对 MPT 系统中一些关键技术进行了研究[19]。1998 年，电子科技大学的李中云教授研究了二极管的SPICE 参数对效率的影响以及效率随输入功率的变化关系[20-21]。2009 年，四川大学进行了国内首次远距离(200 m)微波输能外场实验。上海大学徐得名教授、杨雪霞教授团队早在1998年即开始微波输能管道机器人的研究，在微波毫米波整流天线方面做了大量建设性的工作。华南理工大学章秀银教授在高效整流整流电路方面、西安电子科技大学李龙教授团队在电磁能量收集、电子科学技术大学王秉中教授团队在微波能量传输系统，特别是时间反演的MPT系统等都作出了卓越贡献。目前我们国家在MPT 技术方面也投入了更多的力量来实现更长远的目标。

本文设计并实测了一套工作频率为2.45 GHz的微波输能系统，该系统包括三个主要组成部分，其中微波源最大输出功率53.272 dBm(212 W)时，末级F类放大器的漏极效率可达57.612%；整流电路当输入功率为30 dBm，负载为260 Ω时，整流效率达到75%；采用简单的抛物面天线，波束的捕获效率在距离为8m的情况下，波束捕获效率能够保持在45%以上。理论计算的系统直流到直流效率为14%。

1 无线能量传输系统

微波输能系统由三部分组成，如图1所示，第I部分是微波功率发生器，将直流变成微波；第II部分是微波的发射、传播，微波发生器发射出的微波能量到达发射天线，经聚焦后高效地发出去，经过自由空间传播到达接收天线；第III部分为整流天线，接收功率发生器发射来的微波能量并且转换为可进行功能的直流能量。微波输能系统中最重要的指标是直流-直流(DC-DC)转换效率，其由三部分效率组成：微波功率发生器的直流/射频(DC-RF)转换效率ηg；从微波源到接收天线的传输效率ηt；整流天线的射频直流(RF-DC)整流效率ηr，则系统总效率为：η=ηgηtηr。

1.1 微波功率发生器

本系统采用全固态的微波功率发生器， 工作频率为2450 MHz，输出功率可以达到200W。如图2所示，该系统信号发生器部分采用锁相环技术，稳定产生2450 MHz的小信号，经由衰减器至功率放大级前端。功率放大采用三级放大电路，产生具有较高功率的射频信号，首先小信号经驱动级初步放大，再经过采用LDMOS工艺的AB类放大器进行放大，最后由高效F类放大器进一步放大经隔离器输出。另外，所有模块受控于FPGA，从而实现了输出功率可调。

图1 微波输能系统组成示意图Fig.1 schematic diagram of microwave power trans mission system

对如图3(a)所示的微波功率发生进行测量，结果示于图3(b)，可以看到在2450 MHz下，当输出功率为53.272 dBm(212 W)时，末级F类放大器的漏极效率可达57.612%，增益可达12.219 dB，满足系统所需的微波功率发生配置。

图2 微波功率发生器原理框图Fig.2 Schematic diagram of microwave power generator

实现可靠稳定的高功率发生器，其散热性能是必须考虑的。本系统的散射装置如图4所示，在各级放大器上加载铜制散热片，通过热管将热量传输至鱼鳍散热片进行风冷散热。

图4 微波发生器散热结构图Fig.4 Heat dissipation structure of microwave power generator

1.2 整流电路

在整流电路设计中，由于发送功率和收发天线增益较高，使得整流电路的输入功率较大。针对输入功率为大功率的情况，整流电路采用功分器对输入功率进行功率分配，在整流电路的每一路采用整流二极管阵列，使得每一路的整流电路都能安全有效的工作，从而提升了整个电路的功率容量。

在整流电路设计中选用经典的威尔金森功分器进行功率分配，结构如图5(a)所示，该功分器的长l和宽w分别为120 mm和77 mm。仿真的S参数如图5(b)所示，可以看到输入端口的反射系数S11在2.45 GHz处达到-21 dB，端口1到各个端口的传输系数在-9.2 dB左右，端口2至端口9的最大插损不超过0.4 dB，该功分器满足设计要求。

(a)结构示意图 (b)仿真S参数图5 一分八威尔金森功分器Fig.5 One to eight port wilkinson power divider

整流二极管是整流电路的核心部件，选取二极管需考虑的主要参数为击穿电压VBR、零偏置结电容Cj0和寄生串联电阻Rs，当输入功率较大时，应选取击穿电压较大的二级管，为获取较高的整流效率必须选择较小寄生串联电阻和较小结电容的二极管，但结电容过小会导致击穿电压的降低。综合考虑，整流二极管采用Avago公司的HSMS 282P，该型号内部集成了四个肖特基二极管，具体参数为VBR = 15 V，Cj0= 0.7 pF，Rs= 6 Ω。整流电路单元中并联两路整流二极管，如图6 (a) 所示，其中每路有一个二极管HSMS 282P，故每个整流单元有8个肖特基二极管，可提升整个电路的功率容量。用ADS软件仿真了整流电路单元在不同输入功率时整流效率随负载的变化曲线，如图6 (b) 所示。当输入功率为30 dBm，负载为260 Ω时，整流效率达到峰值为75%。

(a)实物图 (b)在不同输入功率的情况下整流效率随负载变化的曲线图6 整流电路结构及其整流效率Fig.6 Rectifier circuit and its efficiency

最终设计的整流电路模块是将八个整流电路单元与将功分器并行连接，如图7 (a)所示，长和宽分别为12 mm和11 mm。实测结果如图7(b) 所示，可以看到当输入功率达到29 dBm时，整流效率在负载为50 Ω时达到最高的71%。

(a)实物图 (b)整流效率在不同输入功率的情况下随负载的变化曲线图7 八路整流电路级联结构Fig.7 Structure of final rectifier circuit

1.3 收发天线

微波输能要求发送和接收天线需要具有高增益、高方向性的特性。为简单起见，本系统选用了口径尺寸较大，聚焦特性较好的抛物面天线，如图8(a)所示，天线的长和宽分别为900 mm和600 mm，在暗室测量的天线方向图如图8(b)所示，可以看到在2.45 GHz处的测量增益为23.43 dBi。经过理论计算，波束的捕获效率在距离为8m的情况下，依然能够保持在45%以上。

(a)发射和接收抛物面天线 (b)天线的方向图图8 收发天线Fig.8 Transmitting and receiving antennas

2 结论

文章设计并实测了一套工作频率为2.45 GHz的微波输能系统，其中微波功率发生器最大输出功率53.272 dBm(212 W)时，末级F类放大器的漏极效率可达57.612%；整流电路当输入功率为30 dBm，负载为260 Ω时，整流效率达到75%；采用简单的抛物面天线，波束的捕获效率在距离为8m的情况下，波束捕获效率能够保持在45%以上。实测200W时微波发生器效率为49.3%，整流电路效率为63%，在波束捕获效率为45%时，理论计算的系统直流到直流效率可以达到14%。