[发明专利]无线能量传输空间匹配方法

说明书

本发明涉及微波输能领域，旨在微波输能系统获得最大能量传输总效率，一种能量传输空间匹配方法，包括发射天线、接收天线和整流电路；顺序进行场匹配、阻抗匹配和功率匹配；所述场匹配包括极化匹配和口径场匹配。本发明提供的一种能量传输空间匹配技术，通过提高场匹配、阻抗匹配和功率匹配，提高空间电磁波传输效率和整流天线直流转换效率，提高微波输能系统能量传输总效率；本发明的场匹配通过天线口径场分布，及发射天线和接收天线的相互耦合作用进行匹配，解决了对复杂庞大系统全尺寸仿真困难的问题。

技术领域

本发明涉及微波输能领域，特别是指一种微波无线能量传输空间匹配方法。

背景技术

目前能量传输主要依靠架设电线或电缆实现，需耗费大量人力和物力，在运输过程中由于电线或电缆的损耗，还存在大量的能量浪费现象。而微波输能技术通过把电能转换成微波进行传输，减少了输电线的架设，免除了繁杂的电线，让生活空间变得整洁，具有广泛的应用前景。

微波能量传输(MPT)可以实现能量的远距离传输，是一种重要的无线输能方式。在微波输能这种无线能量传输方式中，由发射天线将能量以微波形式发射到空间，在接收端由整流天线接收并将微波能量转化成直流能量。微波输能系统通常包含三部分，第I部分是微波源，包括微波发生器和发射天线，第II部分是微波传播的自由空间，第Ⅲ部分是整流天线(Rectifying Antenna，或rectenna)，它包含接收天线和整流电路，能接收电磁波并将其转换成直流电，是微波输能系统中必不可缺少的重要器件，其性能对整个MPT系统具有重要影响。

在微波输能系统中，能量传输总效率的高低是评价微波输能系统优劣的重要指标。而能量传输总效率的高低，即直流输出功率与发射天线的发射功率之比，包括空间传输效率及整流天线直流转换效率。对于一个射频电路中，为了使电路负载获得最大功率，则需要满足阻抗共轭匹配定理，即负载阻抗等于激励源内部阻抗的共轭值。但是，在微波输能系统中，不仅需要考虑整流天线中的阻抗共轭匹配定理，还需要考虑微波在自由空间中的传播。所以，为了提高微波输能系统的性能，一方面需要使发射的微波能量尽量多地到达接收天线；另一方面则需要提高整流天线的性能，使负载输出更多的直流能量。

在整个微波输能系统中，微波在自由空间传播情况复杂，需要考虑电磁场的传播特性，包括电磁场的极化，幅值和相位分布，确保接收天线能够接收更多的能量。再者，接收天线为整流天线，后面接有一带有整流二极管的射频电路，并且整流二极管为非线性器件，所以需要充分考虑整流二极管的工作特性，确保负载能够输出最大直流功率。

李刚和胡旭的“广义散射参数在阻抗匹配中的应用”一文中提出，在射频电路系统中，需要对负载阻抗进行阻抗匹配才能够保证功率最大化地传送给负载阻抗。传统阻抗匹配理论对应的散射参数中的参考阻抗是一个实数阻抗，只能够适应“等电阻”匹配条件。然而，实际射频电路系统中的参考阻抗一般为复阻抗，传统的散射参数匹配理论已经无法适用。针对上述问题，现有技术方案一引入了共轭匹配条件下的广义散射参数概念，对比传统散射参数与广义散射参数的物理含义，通过一个二端口匹配网络算例解释广义散射参数的应用。存在1)仅仅考虑了射频电路阻抗匹配技术；2)电路中没有考虑非线性器件的工作特性的问题；

在Georg Goubau and Felix Schweering,Free space beam transmissioninMicrowave Power Engineering中，从理论出发推导了两个口径微波能量空间传输特性。研究发现，收发天线的电磁场呈共轭分布时，接收天线获得最大的射频功率。存在1)仅仅考虑了收发天线理想口径场，而没有考虑实际天线情况和两个天线之间的互耦关系；2)没有考虑整流天线后面带有整流二极管的电路问题；