CN105119387B - 一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***及方法，考虑到接收天线端能量分布的不均匀性，以及整流电路的最佳效率与输入功率存在一个最佳匹配状态，基于能量分布特性，在不同的能量分布区域，采用不同数量的接收微带天线单元接收射频信号直接进入整流电路，或功率合成后进入整流电路，整流电路对射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量后进入直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理后得到最终的直流输出功率，同时尽量减少不同部件之间的连接损耗，从而实现射频能量的最大化接收，完成整流效率的最优化设计，有效提升了***链路的微波无线能量传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***及方法，属于微波技术领域。
背景技术
在模块航天器间微波无线能量传输技术研究过程中，能量传输效率是衡量***性能优良的关键指标。微波无线能量传输***主要包括微波发射组件、微波接收组件及空间传输三部分，具体电路由微波发射机、微波发射天线、微波接收天线和微波整流电路4个分***组成，设计方案如图1所示。
微波无线能量传输***链路效率主要由三大部分组成：DC到RF的转换效率、RF到DC的转换效率以及收发天线能量传输效率(受限于发射天线、接收天线及传输环境等因素)。为了提高***能量传输效率，需要实现每一部分能量的效率最大化。从能量接收角度考虑，在发射机功率、发射天线形式和传输距离一定的情况下，理论上接收天线面积越大，接收到的射频能量越多，但同时要考虑天线尺寸等原因，在获得最大传输效率的同时，尽量减小***尺寸。
在微波无线能量传输技术研究中，广泛采用的接收整流电路如图2所示。其中图2(a)广泛应用于太阳能电站的能量接收端，该接收天线及整流形式具有大功率接收以及便于阵列组合等优点，然而由于中间连接较多，能量损耗较多，导致射频到直流的能量转换效率降低，***直流到直流的传输效率只能达到5％以下(电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率，简称DC到DC)。图2(b)所示的整流天线形式，具有结构紧凑等优点，然而由于没有考虑能量的不均匀分布等因素而采用均匀的接收方式，导致大部分整流电路没有达到最佳效率状态，***直流到直流的传输效率只能达到10％以下(电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率)，从而难以获得最佳的整流效率。
因此，需要采用一种能量传输效率的***，通过分析天线接收端能量分布特性以及整流电路特性，寻求微波无线能量转换的最佳效率状态。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***及方法，考虑到接收端能量分布的不均匀性，以及整流电路的最佳效率与输入功率存在一个最佳匹配状态，根据能量分布特性，在不同的能量分布区域采用不同数量的天线单元接收能量进入整流电路，同时尽量减少不同部件之间的连接损耗，从而实现射频能量的最大化接收，完成整流效率的最优化设计，有效提升了***链路的微波无线能量传输效率。
本发明解决的技术方案为：一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***，包括：电源、微波发射机、发射天线、接收天线、整流电路、直流合成模块；
接收天线包括多个接收天线单元；
电源给微波发射机供电后，微波发射机产生射频能量，形成射频信号馈入发射天线，通过发射天线向空间发射射频信号；
接收天线的口径面划分为多个子区域，每个子区域设置4个接收天线单元，从空间接收射频信号；
若接收天线的子区域的每1个接收单元从空间接收到的射频信号功率与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，射频信号的功率达到设定的整流电路的最佳输入功率，则该接收天线单元将接收到的射频信号送至整流电路；
若接收天线的子区域的每1个接收单元从空间接收到的射频信号功率达不到设定的整流电路的最佳输入功率，将子区域的4个接收天线单元分为2组，每组的2个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号1，将合成信号1与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号1达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号1送至整流电路；
若接收天线的子区域的每2个接收单元从空间接收到的射频信号功率合成后的合成信号1达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则将子区域的4个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号2，将合成信号2与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号2达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号2送至整流电路；若合成信号2达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则此处天线单元空置；
整流电路，对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部直流负载。
选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，多个接收天线单元组成微带天线阵列，将微带天线阵列的口径面分为中心区域、次***区域，***区域，次***区域在中心区域与***区域之间，将微带天线阵列的中心区域分为多个区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，每1个微带天接收线单元直接与整流电路连接；将微带天线阵列的次***区域分为多个子区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，将4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将微带天线阵列的***区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，微带天线阵列的口径为正方形，将微带天线阵列的口径划分为十三行和十三列的子单元，划分后产生多个大小相同的子单元，多个大小相同的子单元组成微带天线阵列；
将第一行第一列至第四列的子区域、第一行的第五列左半部分的子区域、第一行的第九列右半部分的子区域和第一行第十列至第十三列的子区域空置，将第一行的第五列的右半部分子单元至第一行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第二行第一列至第三列的子区域和第二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第三行第一列至第二列的子区域和第三行第十二列至第十三列的子区域空置，将第三行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第三行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第四行第一列的子区域和第四行第十三列的子区域空置，将第四行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第四行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第五行第一列的子区域的上半部分、第十三列的子区域的上半部分的子区域空置，将第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第五行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第一列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第六行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第六行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第七行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第七行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第八行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第八行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第九行第一列的子区域的下半部分、第十三列的子区域的下半部分的子区域空置，将第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第九行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十行第一列的子区域和第十行第十三列的子区域空置，将第十行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第十行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十一行第一列至第二列的子区域和第十一行第十二列至第十三列的子区域空置，将第十一行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十一行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第十二行第一列至第三列的子区域和第十二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第十二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三行第一列至第四列的子区域、第十三行的第五列左半部分的子区域、第十三行的第九列右半部分的子区域和第十三行第十列至第十三列的子区域空置，将第十三行的第五列的右半部分子单元至第十三行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路，接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的方法，步骤如下：
(1)选择发射天线为卡塞格林天线，将发射天线的直径选为2.4米，进入步骤(2)；
(2)将接收天线与发射天线之间的传输距离设置为10米至14米之间，进入步骤(3)；
(3)将接收天线的口径面分为多个子区域，每个子区域包括4个微带接收天线单元，选择空气微带天线作为接收天线单元，多个接收天线单元组成微带天线阵列，测量接收天线口径面不同区域的能量分布，将接收天线的接收功率大于26dBm的区域，作为中心区域；将接收天线的接收功率在22dBm到26dBm之间的区域，作为次***区域；将接收天线接收功率在16dBm到22dBm的区域，作为***区域；将微带天线接收功率小于16dBm的区域，作为空置区域；中心区域、次***区域、***区域和空置区域组成接收天线口径面；
(4)将步骤(3)的接收天线的口径尺寸选为2.4米*2.4米的正方形，接收天线的口径面的中心区域中的每个子区域放置4个微带接收天线单元，每1个微带天接收线单元直接与整流电路连接；将步骤(3)的接收天线口径面的次***区域的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将步骤(3)的接收天线口径面的***区域放置4个微带接收天线单元，，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将步骤(3)的接收天线口径面的空置区域空置，即不设置微带接收天线单元；
(5)采用微波发射机产生射频能量馈入发射天线，由发射天线辐射至空间，由步骤(4)接收天线的接收射频能量，形成射频信号送至整流电路；
(6)整流电路对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部负载。
所述步骤(5)的微波发射机的发射功率为50W。
所述步骤(4)的微带天线阵列的口径为正方形，将微带天线阵列的口径划分为十三行和十三列的子单元，划分后产生多个大小相同的子区域，多个大小相同的子区域组成微带天线阵列；
将第一行第一列至第四列的子区域、第一行的第五列左半部分的子区域、第一行的第九列右半部分的子区域和第一行第十列至第十三列的子区域空置，将第一行的第五列的右半部分子单元至第一行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第二行第一列至第三列的子区域和第二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第三行第一列至第二列的子区域和第三行第十二列至第十三列的子区域空置，将第三行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第三行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第四行第一列的子区域和第四行第十三列的子区域空置，将第四行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第四行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第五行第一列的子区域的上半部分、第十三列的子区域的上半部分的子区域空置，将第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第五行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第一列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第六行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第六行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第七行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第七行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第八行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第八行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第九行第一列的子区域的下半部分、第十三列的子区域的下半部分的子区域空置，将第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第九行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十行第一列的子区域和第十行第十三列的子区域空置，将第十行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第十行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十一行第一列至第二列的子区域和第十一行第十二列至第十三列的子区域空置，将第十一行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十一行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第十二行第一列至第三列的子区域和第十二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第十二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三行第一列至第四列的子区域、第十三行的第五列左半部分的子区域、第十三行的第九列右半部分的子区域和第十三行第十列至第十三列的子区域空置，将第十三行的第五列的右半部分子单元至第十三行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路，接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过步骤(1)采用卡塞格林天线，实现了天线口径场较为均匀的振幅分布，从而有效提升了接收天线的截获效率；
(2)本发明通过步骤(2)根据距离发射天线口径不同处能量分布规律，选择了最佳的传输距离，从而有效提升了传输效率；
(3)本发明通过步骤(3)针对接收端能量分布的不均匀特性，以及整流电路的最佳效率与输入功率存在一个最佳匹配状态等特性，基于能量分布特性，采用分组的方法，在不同的能量分布区域采用不同数量的天线单元接收信号能量进入整流电路，分组的原则是：既要获得最佳输入功率以满足最佳效率区域要求，又要保证二极管工作在线性区域内不被击穿，同时尽量减少分组，以提高整流效率；
(4)本发明将阵列天线单元分组后直接与整流电路连接，接收天线与整流电路实现整体布局，减少了不同部件之间的连接损耗，从而实现了能量的最大化接收，有效提升了***链路的微波能量传输效率。
(5)本发明的方法不受限于具体的工作频率及应用领域，对于微波无线能量传输普遍适用。
附图说明
图1是微波无线能量传输***结构图；
图2是微波无线能量传输***中2种常用整流天线形式示意图，图2(a)为广泛应用于太阳能电站的能量接收端；图2(b)为均匀分布整流天线；
图3是直径为2.4米的卡塞格林天线电场强度随距离变化曲线；
图4是距离发射天线12米处接收功率口径分布仿真图(a)及测试结果(b)示意图(50W射频功率馈入天线)；
图5的(a)为本发明的一种传输***的接收部分，图5的(b)转换效率随输入功率变化曲线；
图6是本发明的微带接收天线单元组合形式示意图，其中(a)为四个接收天线单元不合成的排布示意图；(a)为四个接收天线单元两两连接合成的排布示意图；(c)为四个接收天线单元连接合成的排布示意图；
图7是本发明的微波接收阵列天线与整流电路一体化结构组成示意图；
图8是本发明的微波无线能量传输***DC到DC(直流到直流)效率预算框图；
图9是本发明的微波无线能量传输***DC到DC(直流到直流)传输效率随负载阻抗的变化曲线；
图10是本发明的微带接收阵列天线与整流电路一体化结构流程图。
具体实施方式
下面针对微波无线能量传输技术研究，提供了一个微波无线能量传输***的具体实施例。
如图1所示，一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***，包括：电源、微波发射机、发射天线、接收天线、整流电路、直流合成模块；
接收天线包括多个接收天线单元；
电源给微波发射机供电后，微波发射机产生射频能量，形成射频信号馈入发射天线，通过发射天线向空间发射射频信号；
接收天线的口径面划分为多个子区域，每个子区域设置4个接收天线单元，从空间接收射频信号；
若接收天线的子区域的每1个接收单元从空间接收到的射频信号功率与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，射频信号的功率达到设定的整流电路的最佳输入功率，则该接收天线单元将接收到的射频信号送至整流电路；
若接收天线的子区域的每1个接收单元从空间接收到的射频信号功率达不到设定的整流电路的最佳输入功率，将子区域的4个接收天线单元分为2组，每组的2个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号1，将合成信号1与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号1达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号1送至整流电路；
若接收天线的子区域的每2个接收单元从空间接收到的射频信号功率合成后的合成信号1达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则将子区域的4个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号2，将合成信号2与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号2达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号2送至整流电路；若合成信号2达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则此处天线单元空置；
整流电路，对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部负载。
以下是一种优选的接收天线：
选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，多个接收天线单元组成微带天线阵列，将微带天线阵列的口径面分为中心区域、次***区域，***区域，次***区域在中心区域与***区域之间，将微带天线阵列的中心区域分为多个区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，每1个微带天接收线单元直接与整流电路连接；将微带天线阵列的次***区域分为多个子区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，将4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将微带天线阵列的***区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
以下是一种进一步优选的接收天线：
选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，微带天线阵列的口径为正方形，将微带天线阵列的口径划分为十三行和十三列的子单元，划分后产生多个大小相同的子单元，多个大小相同的子单元组成微带天线阵列；
将第一行第一列至第四列的子区域、第一行的第五列左半部分的子区域、第一行的第九列右半部分的子区域和第一行第十列至第十三列的子区域空置，将第一行的第五列的右半部分子单元至第一行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第二行第一列至第三列的子区域和第二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第三行第一列至第二列的子区域和第三行第十二列至第十三列的子区域空置，将第三行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第三行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第四行第一列的子区域和第四行第十三列的子区域空置，将第四行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第四行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第五行第一列的子区域的上半部分、第十三列的子区域的上半部分的子区域空置，将第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第五行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第一列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第六行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第六行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第七行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第七行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第八行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第八行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第九行第一列的子区域的下半部分、第十三列的子区域的下半部分的子区域空置，将第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第九行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十行第一列的子区域和第十行第十三列的子区域空置，将第十行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第十行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十一行第一列至第二列的子区域和第十一行第十二列至第十三列的子区域空置，将第十一行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十一行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第十二行第一列至第三列的子区域和第十二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第十二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三行第一列至第四列的子区域、第十三行的第五列左半部分的子区域、第十三行的第九列右半部分的子区域和第十三行第十列至第十三列的子区域空置，将第十三行的第五列的右半部分子单元至第十三行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路，接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
微波无线能量传输***相关功能指标如下：
载波频率：2.45GHz
射频发射功率：50W
传输距离：≥10米
发射天线：直径为2.4米的卡塞格林天线
***直流到直流的传输效率：≥16％(电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率)
如图3所示，在微波无线能量传输技术研究过程中，收发天线尺寸及能量传输距离的选择至关重要。不同接收天线离的口径面与发射天线不同距离上电场强度随距离的变化而不同，横坐标z0为接收天线离的口径面与发射天线距离，纵坐标为电场强度，本发明要求传输距离不小于10米，通过仿真可知，直径为2.4米的天线在11～13米距离范围内电场强度达到最大值，仿真结果如图3所示。因此本发明中收发天线之间的距离设置为12米。接收天线尺寸选择的原则是既要使传输功率的绝大部分落入接收天线口径内，又要折中考虑扩大天线口面尺寸的效率。对距离发射天线12米处(即接收天线所处位置)电场强度的口径分布计算结果如图4(a)所示，根据仿真结果拟选定接收天线的口径尺寸为2.4米。采用50W微波发射机提供射频能量馈入发射天线，用一个空气微带天线单元在距发射天线12米处，测得2.4米*2.4米矩形口径面处的接收功率分布，如图4(b)所示。同时，整流电路的整流效率与输入功率有关，存在一个最佳效率区域，电路结构及仿真结果如图5所示。由图4和图5所示结果可以看出，如果采用传统的天线均匀接收能量的方式，则边缘处的功率较小，整流电路难以达到最佳的效率状态，将会导致***转换效率偏低。
因此，采用本发明所提出的技术方案，根据二极管的整流特点，结合接收端功率分布规律，采用一体化的技术方案，在整流效率位于效率最佳区域且保证二极管不被击穿的前提下，尽量减少整流电路分组以提高整流效率。同时，在选择接收天线尺寸时，既要使传输功率的绝大部分能量落入接收天线口径内，又要折中考虑接收天线的尺寸。图6为三种天线单元与整流电路的连接形式，其中图6(a)为单个单元接整流电路，适用于接收功率密度较大的区域；图6(b)为2个2单元组阵后再整流，适用于接收功率稍微降低的区域；图6(c)为1个4单元组阵后再整流，适用于接收功率密度较低的边缘区域。
综合考虑以上各影响因素，对于微带天线接收功率大于26dBm的区域，如果采用1个天线单元接收，则接收到的功率即可满足输入要求，因此采用1个天线单元后接1个整流电路的方案；对于接收功率在22dBm到26dBm之间的区域，采用2个天线单元后接1个整流电路的设计方案；对于接收功率低于22dBm的区域，采用4个天线单元后接1个整流电路的设计方案；对于接收功率小于16dBm的位置，采用直接空置的方法。根据此功率分布思路，设计微带接收阵列天线的分布，如图7所示。为了便于区分，方案中采用不同的数字标识不同的天线单元合成形式，其中，标识为1的区域为接收微波能量最大的区域，边缘标识为3的区域为接收微波能量最小的区域，中间标识为2的区域接收的能量介于二者之间。
根据本发明中提出的设计方法，完成了验证***方案设计，并估算出***DC到DC(直流到直流)能量传输链路效率，如图8所示。并完成了***测试，优选为外部负载的阻抗为15欧姆至20欧姆的范围内，***DC到DC(电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率，简称***DC到DC)的传输效率均优于16％，最佳可以达到16.57％，如图9所示，与理论估算吻合较好。因此可以证明本发明所提出的技术方案，最大限度的完成了接收端能量的转换，降低了因功率分布不均匀导致的效率降低，同时这种接收天线与整流电路一体化的传输***减小了不同部件之间的连接损耗，有效提高了***能量转换效率。
以下为一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的方法，步骤如下：
(1)选择发射天线为卡塞格林天线，将发射天线的直径选为2.4米，进入步骤(2)；
(2)将接收天线与发射天线之间的传输距离设置为10米至14米之间，进入步骤(3)；
(3)将接收天线的口径面分为多个子区域，每个子区域包括4个微带接收天线单元，选择空气微带天线作为接收天线单元，多个接收天线单元组成微带天线阵列，测量接收天线口径面不同区域的能量分布，将接收天线的接收功率大于26dBm的区域，作为中心区域；将接收天线的接收功率在22dBm到26dBm之间的区域，作为次***区域；将接收天线接收功率在16dBm到22dBm的区域，作为***区域；将微带天线接收功率小于16dBm的区域，作为空置区域；中心区域、次***区域、***区域和空置区域组成接收天线口径面；
(4)将步骤(3)的接收天线的口径尺寸选为2.4米*2.4米的正方形，接收天线的口径面的中心区域中的每个子区域放置4个微带接收天线单元，每1个微带天接收线单元直接与整流电路连接；将步骤(3)的接收天线口径面的次***区域的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将步骤(3)的接收天线口径面的***区域放置4个微带接收天线单元，，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将步骤(3)的接收天线口径面的空置区域空置，即不设置微带接收天线单元；
(5)采用微波发射机产生射频能量馈入发射天线，由发射天线辐射至空间，由步骤(4)接收天线的接收射频能量，形成射频信号送至整流电路；
(6)整流电路对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部负载。
所述步骤(5)的微波发射机的发射功率为50W。
所述步骤(4)的微带天线阵列的口径为正方形，将微带天线阵列的口径划分为十三行和十三列的子单元，划分后产生多个大小相同的子区域，多个大小相同的子区域组成微带天线阵列；
将第一行第一列至第四列的子区域、第一行的第五列左半部分的子区域、第一行的第九列右半部分的子区域和第一行第十列至第十三列的子区域空置，将第一行的第五列的右半部分子单元至第一行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第二行第一列至第三列的子区域和第二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第三行第一列至第二列的子区域和第三行第十二列至第十三列的子区域空置，将第三行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第三行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第四行第一列的子区域和第四行第十三列的子区域空置，将第四行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第四行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第五行第一列的子区域的上半部分、第十三列的子区域的上半部分的子区域空置，将第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第五行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第一列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第六行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第六行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第七行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第七行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第八行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第八行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第九行第一列的子区域的下半部分、第十三列的子区域的下半部分的子区域空置，将第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第九行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十行第一列的子区域和第十行第十三列的子区域空置，将第十行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第十行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十一行第一列至第二列的子区域和第十一行第十二列至第十三列的子区域空置，将第十一行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十一行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第十二行第一列至第三列的子区域和第十二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第十二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三行第一列至第四列的子区域、第十三行的第五列左半部分的子区域、第十三行的第九列右半部分的子区域和第十三行第十列至第十三列的子区域空置，将第十三行的第五列的右半部分子单元至第十三行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路，接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
如图1所示，微波无线能量传输***主要包括电源、微波发射机、发射天线、接收天线、整流电路、直流合成模块共五部分。
如图2所示，为常用接收整流天线形式，其中，图2的(a)广泛被应用于太阳能电站的接收端，该接收天线及整流形式具有大功率接收以及便于阵列组合等优点，然而由于中间连接较多，能量损耗较多，导致射频到直流的能量转换效率降低。抛物面天线组成接收天线阵列，外部连接较多且路径较长，导致较大能量损失，降低了***整流效率。
图2的(b)所示的整流天线形式，具有结构紧凑等优点，然而由于没有考虑能量的不均匀分布等因素而采用均匀的接收方式，导致大部分整流电路没有达到最佳效率状态，从而难以获得最佳的整流效率。微带接收天线单元均匀布局，组成接收天线阵列，均匀布局导致馈入整流电路的能量难以满足整流最佳效率要求，降低了***整流效率。
如图3所示，距离发射天线口径不同处能量分布不同，根据此规律选择最佳的传输距离，以便提升***传输效率。
如图4所示,在距离发射天线12米的位置，接收天线口径面的电场强度分布，图4的(a)为电场强度仿真曲线，横坐标的0点为接收天线的中心，2R为正方形的接收天线口径面的变长，横坐标R为接收天线口径面的一半，纵坐标为接收天线口径面的电场强度，也为发射天线的发出的能量在接收天线口径面所在的位置的电场强度；
图4的(b)为发射天线馈入50W功率情况下接收天线口径面的电场强度的测试值，口径面为矩形，每个数字为接收天线的口径面在这一位置的电场强度测试值，该图表示出了整个接收天线的口径面在各个位置(子单元)的电场强度测试值。
如图5所示，整流电路的整流效率与输入功率有关，存在一个最佳效率区域，图5的(a)为本发明的一种传输***的接收部分，包括：接收天线、整流电路、直流负载；接收天线从空间接收到射频信号送至整流电路，整流电路对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部负载，实现将射频RF恢复为直流DC(DC输出)。
图5的(b)为仿真结果，横坐标为馈入整流电路的功率，纵坐标为整流效率(从整流电路输入RF到整流电路输出DC的转化效率)。
如图6所示，为三种天线单元与整流电路的连接形式，(a)为单个单元接整流电路，适用于接收功率密度较大的区域；(b)为2个2单元组阵后再整流，适用于接收功率稍微降低的区域；(c)为1个4单元组阵后再整流，适用于接收功率密度较低的边缘区域。
根据功率分布规律进行布局：标识为1的区域：含4个微带天线单元，且每1个单元直接与整流电路连接，如图6(a)所示；
标识为2的区域：含4个微带天线单元，每2个单元接收到的功率合成后分别馈入2路整流电路，如图6(b)所示；
标识为3的区域：含4个微带天线单元，且4个单元接收到的功率合成后馈入1路整流电路，如图6(c)所示，；
如图7所示，为微带接收阵列天线的分布示意图，为了便于区分，设计中采用不同的数字标识不同的单元天线合成形式，其中，标识为1的区域为接收微波能量最大的区域，边缘标识为3的区域为接收微波能量最小的区域，中间标识为2的区域接收的能量介于二者之间。
如图8所示，根据本发明中提出的技术方案形成的微波无线能量传输***，估算出电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率，即***DC到DC(直流到直流)能量传输链路效率，该***包括：电源、微波发射机、发射天线、接收天线、整流电路、直流合成模块；
电源给微波发射机供电后，微波发射机产生射频能量，实现直流DC(DC供电输入)到射频RF的转换，形成射频信号馈入发射天线，通过发射天线向自由空间发射射频信号；
接收天线从空间接收到射频信号送至整流电路，整流电路对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部负载，实现将射频RF恢复为直流DC(DC输出)。
如图9所示，根据本发明的技术方案的微波无线能量传输***，测试得到电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率(即DC到DC)的传输效率均优于16％，与理论估算吻合较好，达到了预期目标。横坐标为外部直流负载的阻值，纵坐标为传输效率(电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率)。
如图10所示，为根据本发明提供的技术方案形成的高效率微波无线能量传输***的技术流程。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (6)
1.一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***，其特征在于包括：电源、微波发射机、发射天线、接收天线、整流电路、直流合成模块；
接收天线包括多个接收天线单元；
电源给微波发射机供电后，微波发射机产生射频能量，形成射频信号馈入发射天线，通过发射天线向空间发射射频信号；
接收天线的口径面划分为多个子区域，每个子区域设置4个接收天线单元，从空间接收射频信号；
若接收天线的子区域的每1个接收单元从空间接收到的射频信号功率与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，射频信号的功率达到设定的整流电路的最佳输入功率，则该接收天线单元将接收到的射频信号送至整流电路；
若接收天线的子区域的每1个接收单元从空间接收到的射频信号功率达不到设定的整流电路的最佳输入功率，将子区域的4个接收天线单元分为2组，每组的2个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号1，将合成信号1与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号1达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号1送至整流电路；
若接收天线的子区域的每2个接收单元从空间接收到的射频信号功率合成后的合成信号1达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则将子区域的4个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号2，将合成信号2与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号2达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号2送至整流电路；若合成信号2达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则此处接收天线单元空置；
整流电路，对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部负载。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***，其特征在于包括：选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，多个接收天线单元组成微带天线阵列，将微带天线阵列的口径面分为中心区域、次***区域、***区域，次***区域在中心区域与***区域之间，将微带天线阵列的中心区域分为多个区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，每1个微带天接收线单元直接与整流电路连接；将微带天线阵列的次***区域分为多个子区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，将4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将微带天线阵列的***区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
3.根据权利要求2所述的一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的***，其特征在于包括：选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，微带天线阵列的口径为正方形，将微带天线阵列的口径划分为十三行和十三列的子单元，划分后产生多个大小相同的子单元，多个大小相同的子单元组成微带天线阵列；
将第一行第一列至第四列的子区域、第一行的第五列左半部分的子区域、第一行的第九列右半部分的子区域和第一行第十列至第十三列的子区域空置，将第一行的第五列的右半部分子单元至第一行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第二行第一列至第三列的子区域和第二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第三行第一列至第二列的子区域和第三行第十二列至第十三列的子区域空置，将第三行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第三行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第四行第一列的子区域和第四行第十三列的子区域空置，将第四行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第四行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第五行第一列的子区域的上半部分、第十三列的子区域的上半部分的子区域空置，将第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第五行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第一列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第六行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第六行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第七行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第七行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第八行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第八行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第九行第一列的子区域的下半部分、第十三列的子区域的下半部分的子区域空置，将第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第九行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十行第一列的子区域和第十行第十三列的子区域空置，将第十行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第十行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十一行第一列至第二列的子区域和第十一行第十二列至第十三列的子区域空置，将第十一行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十一行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第十二行第一列至第三列的子区域和第十二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第十二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三行第一列至第四列的子区域、第十三行的第五列左半部分的子区域、第十三行的第九列右半部分的子区域和第十三行第十列至第十三列的子区域空置，将第十三行的第五列的右半部分子单元至第十三行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路，接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
4.一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的方法，其特征在于：步骤如下：
(1)选择发射天线为卡塞格林天线，将发射天线的直径选为2.4米，进入步骤(2)；
(2)将接收天线与发射天线之间的传输距离设置为10米至14米之间，载波频率为2.45GHz，射频发射功率为50W，进入步骤(3)
(3)将接收天线的口径面分为多个子区域，每个子区域包括4个微带接收天线单元，选择空气微带天线作为接收天线单元，多个接收天线单元组成微带天线阵列，测量接收天线口径面不同区域的能量分布，将接收天线的接收功率大于26dBm的区域，作为中心区域；将接收天线的接收功率在22dBm到26dBm之间的区域，作为次***区域；将接收天线接收功率在16dBm到22dBm的区域，作为***区域；将微带天线接收功率小于16dBm的区域，作为空置区域；中心区域、次***区域、***区域和空置区域组成接收天线口径面；
(4)将步骤(3)的接收天线的口径尺寸选为2.4米*2.4米的正方形，接收天线的口径面的中心区域中的每个子区域放置4个微带接收天线单元，每1个微带天接收线单元直接与整流电路连接；将步骤(3)的接收天线口径面的次***区域的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将步骤(3)的接收天线口径面的***区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将步骤(3)的接收天线口径面的空置区域空置，即不设置微带接收天线单元；
(5)采用微波发射机产生射频能量馈入发射天线，由发射天线辐射至空间，由步骤(4)接收天线接收射频能量，形成射频信号送至整流电路；
(6)整流电路对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部负载。
5.根据权利要求4所述的一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的方法，其特征在于：所述步骤(5)的微波发射机的发射功率为50W。
6.根据权利要求4所述的一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的方法，其特征在于：所述步骤(4)的微带天线阵列的口径为正方形，将微带天线阵列的口径划分为十三行和十三列的子单元，划分后产生多个大小相同的子区域，多个大小相同的子区域组成微带天线阵列；
将第一行第一列至第四列的子区域、第一行的第五列左半部分的子区域、第一行的第九列右半部分的子区域和第一行第十列至第十三列的子区域空置，将第一行的第五列的右半部分子单元至第一行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第二行第一列至第三列的子区域和第二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第三行第一列至第二列的子区域和第三行第十二列至第十三列的子区域空置，将第三行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第三行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；
将第四行第一列的子区域和第四行第十三列的子区域空置，将第四行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第四行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第五行第一列的子区域的上半部分、第十三列的子区域的上半部分的子区域空置，将第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第五行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第一列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第十三列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；
将第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第六行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第六行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第七行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第七行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第八行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第八行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第九行第一列的子区域的下半部分、第十三列的子区域的下半部分的子区域空置，将第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第九行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
将第十行第一列的子区域和第十行第十三列的子区域空置，将第十行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入1路整流电路；将第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入1路整流电路；将第十行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
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