微波无线能量传输回复式反射跟踪聚焦技术

作     者：阮柏栋 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王薪

授予年度：2017年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：微波无线能量传输 跟踪 回复式反射聚焦 导航信号 相位共轭 

摘      要：近年来,随着各种移动/便携式电子设备的大量涌现,如何更方便高效地为这些设备供能逐渐成了当下热门的研究课题。作为传统有线和电池供能的代替方式,无线供电技术受到了研究者和工业领域的广泛关注。微波无线能量传输是解决中远距离无线供电的一种可行方案,其主要通过辐射电磁波来传输能量。然而将微波无线能量传输应用于移动/便携式电子设备无线供电时,仍在传输效率、电磁干扰和跟踪传能等方面存在着技术难点。针对上述问题,本文研究了基于回复式反射聚焦的微波无线能量传输技术,深入分析探讨了近场和远场条件下不同阵列聚焦电磁波的性能,设计实现了基于导航信号分析处理的跟踪聚焦能量传输技术方案和实验系统,并实测验证了利用回复式反射聚焦技术跟踪传输微波能量的可行性和性能。本文的主要研究内容包括:(1)通过数值仿真分析计算了方向回溯阵列与回复式反射聚焦阵列远场辐射特性的区别,得出回复式反射聚焦阵列相对于方向回溯阵列具有近场聚焦、远场发散的特点;针对回复式反聚焦阵列提出采用非规则阵列排布(V形和随机微扰形)的方法来进一步抑制远场增益,同时保持其近场聚焦的性能。以具体实验验证了数值仿真的结论。(2)研究设计了基于回复式反射聚焦技术的微波无线能量传输系统方案。该方案依据回复式反射聚焦阵列原理将发射天线孔径划分为多个子阵列天线,通过导航信号分析和处理,软件控制移相器提供各个子阵列馈电所需共轭相位,确保能量准确的传输至接收端。方案中,功率传输和导航信号采用不同频率以实现功率和信息的收发双工;利用频率与相位的固定比例关系实现共轭相位馈电;采用外差式接收电路,实现低成本的导航信号接收和相位分析电路。(3)根据上述系统方案,设计实现了5.8GHz微波能量传输实验系统。实验系统由两路收发通道构成,每路收发通道均包括双通道高增益平面阵列天线,2.9GHz导航信号分析电路和5.8GHz功放和移相控制电路。其中,阵列天线包含8×8个天线单元,中心单元为2.9GHz导航信号接收天线,其余为5.8GHz能量发射天线。(4)基于实验系统,通过三组实验的比较验证了基于导航信号分析对目标进行跟踪聚焦传能的可行性,并在3.5m外的距离上实现了对移动设备的精准跟踪传能。