[发明专利]一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法

说明书

本发明公开了一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，涉及微波无线电能传输定向辐射技术，属于基本电气元件的技术领域。该方法首先确定聚焦点在微波无线电能传输的近场位置，根据聚焦点波峰相叠加的原理推导出聚焦状态下相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系推算出相邻阵元激励电流的相位差，考虑了阵元与聚焦点的距离之差对定向精度的影响，能够实现在近场聚焦时的定向辐射，为今后大功率高效率微波无线能量传输系统定向辐射奠定基础。

技术领域

本发明公开了一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，涉及微波无线电能传输定向辐射技术，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

目前，无线电能传输技术主要有四种实现方式：电磁感应式、电磁共振式、激光式和微波式。电磁感应式和电磁共振式传输功率大，效率高，但传输距离短，限制了该技术在远距离传输领域的应用。激光式和微波式则适合应用于远距离、大功率的电能传输场合。激光式具有传输定向性好、设备体积小的优点，但激光在空间传输时易受环境影响，导致传输效率较低。而微波式无线电能传输技术(Microwave Power Transmission,MPT)受环境影响小，大气传输损耗小，可应用在地面电能分配、太空能源利用、深海能源开发等领域，为偏远或移动式基站、飞行器、空间探测器、深海探测器等提供新的供能方式。尤其在全电无人机应用场合，采用MPT可为无人机进行远程、非接触供电，在提高隐身性能的同时实现无人机的长航时飞行。因此，对微波无线电能传输技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

图1为微波无线电能传输系统通用结构，该系统在为移动目标充电时需实时获得目标的坐标信息，因此，系统定向辐射端需改变电流相位以达到跟瞄的目的。

传统MPT采用相控阵方法进行定向辐射，但由于功率小，所以远场情况下的定向性能不是很精确，并且功率损耗较大，未能达到传能量的目标。采用相控阵控制方法可以实现远场的定向辐射，但是由于电磁波处于远场状态，能量损耗和距离平方成正比，无法实现大功率微波能量传输。在远场区电磁波近似平面波，这导致聚焦点与天线阵元的角度以及距离均相同，现有微波无线电能传输近场聚焦仍采用的是平面波条件，因此，在近场中有较多电磁波加强点，定向不准。当天线阵元与聚焦点之间的距离不同时，需考虑其距离之差带来的影响，从而克服定向不准的缺陷。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，并从降低系统复杂程度和提升定向精确度出发，提供了一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，本申请考虑聚焦点与天线阵元的距离之差对定向准确率的影响调节各阵元间的电流相位差以实现近场聚焦，在精准定向的同时能够在主瓣辐射方向高效率地传输最大功率，解决了现有近场聚焦方案因忽略聚焦点与天线阵元之间距离之差定向不精准的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

为实现近场聚焦，先根据以往公式推算该天线的近远场分界点，根据分界点推算聚焦点是否在近场内，物体与每个天线阵元间的距离之差，分析聚焦时相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系推算出阵元的激励电流相位差，从而达到定向辐射的目的。

基于以上思想提出一种实现微波无线电能传输近场聚焦的方法，可以在近场环境中大功率高精度地扫描并跟踪物体。先从一维线阵阵元间的电流相位差推导至二维面阵阵元间的电流相位差，进而推导得到实用性较强的n维面阵阵元间的电流相位差。