CN105305049A - 一种高效微波能复合接收阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效微波能复合接收阵列，包括层叠的复合接收阵天线层、复合接收阵整流层和复合接收阵电源层，所述的复合接收阵天线层集成多个单元天线，构建出双频或多频复合接收天线阵面；所述的复合接收阵整流层集成多个整流单元电路；所述的复合接收阵电源层集成多个电压节点，经过串并联集成后提供出多组总输出电压；所述的单元天线、整流单元电路和电压节点均呈栅格式结构，每个整流单元电路采用射频电缆组件连接相应的单元天线，采用双路安装线连接相应的电源节点。本发明可构建较大规模的外场接收阵，可适配高斯波束带来的功率密度不均匀性，阵列结构可扩展集成，并且输出电压稳定可观。

Description

一种高效微波能复合接收阵列

技术领域

本发明涉及微波能无线传输接收领域。

背景技术

接收微波电磁能并将其转换成直流电能，是微波功率传输***的一部分，即电能不通过输电线进行能量传输的技术，能够使人们摆脱电线的约束。无线充电传输方式一般可分为电磁感应式、磁场共振式、电波辐射式三种。其中，电波辐射式又称为微波输能(MPT)，即电能转换成微波以辐射传输供电，适合远距离传输。1899年“特斯拉线圈”的问世为MPT的发展埋下了种子。近代MPT实验完成于1964年，在2.45GHz下用微波驱动直升机，极大地促进了世界各国对MPT技术的研究。1968年，美国开始了空间太阳能发电卫星(SSPS)计划。MPT在无线电能传输中起到了举足轻重的作用，具有巨大的发展前景，广泛应用于电子、医疗、军事等许多领域，受到国内外越来越多的关注。近几年、日本、法国、美国、俄罗斯更是进一步加大研究力度，取得了许多突破。我国在多单元微波能复合接收阵列方面的技术研究处于起步阶段。

MPT有下面三个过程：1)微波的产生；2)微波的发射和传播；3)微波的接收和转换。在整个MPT***中，主要装置是接收整流天线及整流电路，它能够完成MPT的第三个过程，即接收微波并将其转换成直流电。

接收整流阵列是MPT***的关键技术。微波能源传输只有在菲涅尔区的远端才有实际意义，远场信号对能源传输没有意义；微波能源传输遵循的是焦斑理论，而不是常规的幅相理论。不同的接收阵列形式将得到不同的能源接收效果。

现有的技术中许多单元可以实现实验室接收，但如何构建较大规模的外场试验阵，进行实际空间应用接收的高效复合接收阵却很难实现。其中的如何适配高斯波束带来的功率密度不均匀的天线阵技术、整流阵技术、电源阵串并联技术以及复合集成技术都亟需深入研究解决。

为了保证微波能高效接收，有必要设计一种多单元高效微波能复合接收阵列。该复合接收阵列在菲涅尔区的远端可有效工作，并能较好地适配高斯波束带来的功率密度不均匀性，阵列结构可扩展集成，并且串并联结构输出电压稳定可靠。如此的微波能复合接收阵列，目前国内文献中尚未有相关技术的报道。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高效微波能复合接收阵列，可突破多单元天线阵、整流阵、电源阵以及复合集成技术，构建较大规模的外场接收阵，可适配高斯波束带来的功率密度不均匀性，阵列结构可扩展集成，并且输出电压稳定可观。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括层叠的复合接收阵天线层、复合接收阵整流层和复合接收阵电源层；

所述的复合接收阵天线层集成多个单元天线，各个单元天线能够分别提供不同频段的宽带信号输入提取和窄带信号输入提取，构建出双频或多频复合接收天线阵面；

所述的复合接收阵整流层集成多个整流单元电路，包括单路和复合集成电路；

所述的复合接收阵电源层集成多个电压节点，各个电压节点经过串并联集成后通过安装线提供出1组或多组总输出电压；

所述的单元天线、整流单元电路和电压节点均呈栅格式结构，每个单元天线采用射频电缆组件与相应的整流单元电路连接，每个整流单元电路采用双路安装线与相应的电源节点连接。

所述的复合接收阵天线层、复合接收阵整流层和复合接收阵电源层之间采用环氧玻璃布板作为介质板进行分隔安装。

所述的复合接收阵天线层、复合接收阵整流层和复合接收阵电源层构成复合接收阵列主体，采用金属框架作为支撑架进行支撑固定。

本发明的有益效果是：

第一、微波能复合接收阵列在远端辐射场的作用下，阵列实际接收到100V以上电压。微波能复合接收阵试验测试数据如下表所示：

第二、微波能复合接收阵加载LED阵列后在远端辐射场的作用下，阵列实际接收到123V以上电压，LED阵被点亮。

第三、复合接收阵整流层微波功率——电压转换性能良好。复合接收阵整流层单元功率电压比曲线如图10所示。在一定的复合集成模式下，单元输出电压达到7V。

第四、复合接收阵天线层不同天线单元经过集成后测试驻波良好，实际接收微波能效果良好。复合接收阵天线层单元一和复合接收阵天线层单元二的驻波曲线分别如图和图8所示。

第五、微波能复合接收阵列体积小、结构简单、易于集成、重构。其微波能接收转换良好，复合测试结果与模型理论分析值吻合。阵列单元组合性强，技术可移植性强。可应用于多种微波输能平台的规模化实际接收需要。

附图说明

图1是高效微波能复合接收阵列总体图；

图2是复合接收阵天线层示意图；

图3是复合接收阵整流层示意图；

图4是复合接收阵电源层示意图；

图5是复合接收阵天线层单元一示意图

图6是复合接收阵天线层单元一驻波曲线；

图7是复合接收阵天线层单元二示意图；

图8是复合接收阵天线层单元二驻波曲线；

图9是复合接收阵整流层单元模型示意图；

图10是复合接收阵整流层单元功率电压比曲线；

图中，1-复合接收阵列主体，2-支撑架，3-复合接收阵天线层，4-复合接收阵整流层，5-复合接收阵电源层，6-复合接收阵天线层单元一，7-复合接收阵天线层单元二，8-集成电路单元模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种60单元微波能复合接收阵列，通过多单元天线阵层、整流阵层和电源阵层将远端无线传输来的微波能量转换成实际可用的直流源，以实现微波能在交通、医疗、通信、保障、救援等方面的基础应用。

微波能复合接收阵列由复合接收阵列主体1和支撑架2组成。两部分之间采用金属紧固件进行可靠连接。图1给出了高效微波能复合接收阵列总体图。

复合接收阵列主体由复合接收阵天线层3、复合接收阵整流层4、复合接收阵电源层5等组成。三层结构之间采用金属紧固件进行可靠连接。图2、图3、图4分别给出了60单元复合接收阵天线层示图、60单元复合接收阵整流层示图、60单元复合接收阵电源层示图。

复合接收阵天线层可以集成多种形式的单元天线。图5为复合接收阵天线层单元一6。该类单元可以提供S波段宽带信号输入提取，同类型的单元亦可支撑其它频段工作。该单元的构阵方式可以采用均匀、稀布和特殊形式。图7为复合接收阵天线层单元二7。该类单元可以提供S波段窄带信号输入提取，同类型的单元亦可支撑其它频段工作。该单元的构阵方式可以采用均匀、稀布及特殊形式。图5和图7所示的单元可构建出双频及多频复合接收天线阵面。

整个复合接收阵天线层提供了A、B、C、D、E、F六行，1～10列的栅格式结构。每个独立单元采用低损耗射频电缆组件与中间层相应单元进行连接。

复合接收阵整流层同样可以集成多种形式的整流单元电路，该电路可以是单路或复合集成电路。图9指示了一种集成电路单元模型8。整个复合接收阵整流层提供了A、B、C、D、E、F六行，1～10列的栅格式结构。每个独立单元采用低损耗射频电缆组件与天线层相应单元进行连接；每个独立单元采用双路安装线与接收阵电源层相应单元进行连接。

复合接收阵电源层集成了60路来自整流层的电压节点，这些节点层提供了A、B、C、D、E、F六行，1～10列的栅格式结构。栅格式结构提供了串并联模式重构的基本框架。每个独立单元经过串并联集成后通过安装线提供出1组或多组总输出电压。亦可加载LED阵等负载阵列。

所述的复合接收阵列主体1的高度在0.7～0.9m之间，宽度在0.58～0.95m之间，厚度在0.2～0.36m之间。阵列主体介质板采用了环氧玻璃布板3240。介质板加工、打孔，正面涂覆为乳白色，乳白色板材上印制字符。复合接收阵天线层、复合接收阵整流层、复合接收阵电源层以此为基板集成总装为复合接收阵列主体。

支撑架2的高度在0.5～0.9m之间，采用金属框架结构，主要完成对复合接收阵列主体的支撑固定作用。

本项发明有效克服了现有技术在微波能量菲涅尔区远端有效规模接收的困难；解决了非常规幅相理论意义下的微波能焦斑整流的实际问题。

本发明提供的高效微波能复合接收阵列，突破了多单元天线组阵、整流组阵、电源组阵以及复合集成的关键技术，可实现较大规模的外场接收组阵。

本发明可适配高斯波束带来的功率密度不均匀性，阵列结构可扩展集成，并且输出电压稳定可观，可带负载阵列。

本发明中的高效微波能复合接收阵列有效验证了不同的接收阵列形式将得到不同的能源接收效果。大规模、新型、高效整流阵的研究将是一个技术发展的热点和趋势。

在通信和雷达等用途中，使用的是天线的辐射远场区(即夫朗荷费区)，传输能量很低，通常为10-10到10-12的数量级。在微波输能中，要求接收的能量为10％以上，使用辐射远场区会使大部分能量浪费掉，因而需要使用天线的辐射近场区(即菲涅尔区)。当发射天线的能量密度相对集中在进场远端时，微波能复合接收阵列可有效工作。事实上对于S、C、X、Ka等波段，同样的发射口面，频率越高能量传输的距离越远。图1为高效微波能复合接收阵列总体图。以此为基础构建一个实际接收***如下：

假定图1中3复合接收阵天线层的垂线方向为微波能的正向波前，则3复合接收阵天线层将直接接收空中的电磁波能量。其中6、7等不同的天线单元形式及图2所示的复合接收阵天线层栅格结构形成了能源接收天线阵。对于高斯波束构阵方式可以采用均匀、稀布及特殊形式完成。60单元天线阵将接收的微波能以60路低损耗射频电缆组件的形式传输到中间层的复合接收阵天线层进行整流转换。

复合接收阵整流层集成了多种形式的整流单元电路，该电路可以是单路或复合集成电路。图9中8指示了一种集成电路单元模型。整个复合接收阵整流层提供了栅格式结构。每个独立单元采用低损耗射频电缆组件与天线层相应单元进行连接；每个独立单元采用双路安装线与接收阵电源层相应单元进行连接。微波能通过该层60单元的综合整流已初步将微波转换为60路直流电压。60路整流电路可根据实际任务使用需求进行复合集成度设计，亦可针对高斯波束进行阵面能源重构。

复合接收阵电源层集成了60路来自整流层的电压节点，这些节点层提供了A、B、C、D、E、F六行，1～10列的栅格式结构。栅格式结构提供了串并联模式重构的基本框架。每个独立单元经过串并联集成后通过安装线提供出1组或多组总输出电压。该电压可加载负载阵列进行工程应用。

按照以上流程，假定接收端为文物保护端(无人区)，发射端可设在有人区。同样可针对无人值班站点进行工程应用。更广泛的应用如电器、交通工具的无线充电。对于民用大规模输能整流接收阵，该60单元及其核心思想可作为子单元进行更大规模集成。对于非民用高密度整流接收，该发明的核心思想将更具前瞻性和实用性。

本项发明有效克服了现有技术在微波能菲涅尔区远端有效规模接收的困难；解决了非常规幅相理论意义下的微波能焦斑整流的实际问题。发明提供的高效微波能复合接收阵列，突破了多单元天线组阵、整流组阵、电源组阵以及复合集成的关键技术，可实现较大规模的外场接收组阵。发明可适配高斯波束带来的功率密度不均匀性，阵列结构可扩展集成，并且输出电压稳定可观，可带负载阵列。

微波能复合接收阵列体积小、结构简单、易于集成、重构。其微波能接收转换良好，复合测试结果与模型理论分析值吻合。阵列单元组合性强，技术可移植性强。可应用于多种微波输能平台的规模化实际接收需要。

根据上述说明，结合本领域技术可在多种***中实现本发明工程设计方案。

Claims (3)

1.一种高效微波能复合接收阵列，包括层叠的复合接收阵天线层、复合接收阵整流层和复合接收阵电源层，其特征在于：所述的复合接收阵天线层集成多个单元天线，各个单元天线能够分别提供不同频段的宽带信号输入提取和窄带信号输入提取，构建出双频或多频复合接收天线阵面；所述的复合接收阵整流层集成多个整流单元电路，包括单路和复合集成电路；所述的复合接收阵电源层集成多个电压节点，各个电压节点经过串并联集成后通过安装线提供出1组或多组总输出电压；所述的单元天线、整流单元电路和电压节点均呈栅格式结构，每个单元天线采用射频电缆组件与相应的整流单元电路连接，每个整流单元电路采用双路安装线与相应的电源节点连接。

2.根据权利要求1所述的高效微波能复合接收阵列，其特征在于：所述的复合接收阵天线层、复合接收阵整流层和复合接收阵电源层之间采用环氧玻璃布板作为介质板进行分隔安装。

3.根据权利要求1所述的高效微波能复合接收阵列，其特征在于：所述的复合接收阵天线层、复合接收阵整流层和复合接收阵电源层构成复合接收阵列主体，采用金属框架作为支撑架进行支撑固定。