[发明专利]一种基于无衍射相位调制的微波无线电能传输装置

说明书

本发明公开了一种基于无衍射相位调制的微波无线电能传输装置，包括：微波辐射源、阵列型微波发射天线、无衍射相位调制器、阵列型微波接收天线、微波整流电路模块以及负载；其中：微波辐射源辐射出微波电磁波通过同轴电缆传输至阵列型微波发射天线，阵列型微波发射天线将微波进行定向辐射；无衍射相位调制器将透射通过其口径的微波进行相位调整，使出射微波波束口径场符合贝塞尔函数分布，即在一定距离下呈现聚焦传输特性；阵列型微波接收天线辐射的微波进行接收，接收到的微波电磁能量通过微波整流电路模块转换为直流电能供负载使用。本发明通过加载无衍射相位调制的器件，实现无衍射近场聚焦传输，有效提高了电磁波能量传输的效率。

技术领域

本发明涉及微波频段电磁波传输及能量转换技术领域，尤其涉及一种基于无衍射相位调制的微波无线电能传输装置。

背景技术

无线输电的概念起源于特斯拉，1889年，特斯拉首先提出并基于无线输电思想开展了试验。W.C.Brown是微波无线输电应用的先驱，于1964年首次成功验证了微波动力直升机。1975年，美国喷气推进实验室在Goldstone建立了世界上最大功率微波无线输电试验装置，成功将30kW的能量在2.5GHz频率下通过直径26m的抛物型天线传输给1.6km处的硅整流二极管天线。世界上首个利用地面传输微波获得动力的低燃料飞机在加拿大诞生，该系统称为SHARP(固定高空中继平台)，其4.5m翼展的模型飞机(1/8模型)于1987年实现了首次飞行。2001年，国际上第一个用于实际的微波无线输电系统在法国建成，它成功实现了点对点无线电力传输的实验验证，可以传输10kW-17.5kW的电能到法国留尼汪岛(Reunion)上一个常规电力无法达到的旅游胜地小村庄Grand Bassin，实现了10kW的电力传输，传输距离为700m。针对微波无线能量传输技术地面演示验证，美国在2008年至2011年间积极开展相关试验，先后完成了地面100km微波无线能量传输试验、20km高度飞艇的能量补给试验、100千瓦级空间太阳能电站平台地面试验，以及20kW微波驱动月球车的地面试验等技术研究，上述长距离试验证明了微波远距离输能的原理可行性，然而由于巨大的路径损耗导致微波传输效率极低。2015年3月，日本先后两次成功进行了微波无线能量传输实验，该成果有望用于太空太阳能发电领域。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研究人员利用微波将1.8千瓦电力以无线方式，精准地传输到55米距离外的一个接收装置。随后，日本三菱科研人员将10千瓦电力转换成微波后采用无线能量传输，其中的部分电能成功点亮了500米外接收装置上的LED灯，这也是迄今为止日本在国内成功实验中距离最长、电力最大的一次微波无线能量传输。

微波无线电能传输属于远场传输，基本原理是微波源将电能转换为微波辐射出来，通过定向发射天线，将微波电磁能无线的传输至负载端，采用整流天线将微波电磁能进行搜集后通过微波整流电路，再将电磁能转化为直流电能供负载使用。微波能量传输具有远距离无线供电的优势，传输距离可达几十米甚至数千米量级，然而远距离、大功率的无线输能仍是目前无线输能领域技术难点，其能量转化的方式为电能—电磁能—电能，整个过程关键是两点：一是发、收端的高效能量转化；二是电磁能量远距离精准传输。

根据现有微波辐射源器件和微波整流器件的技术现状，这两部分的能量转换效率相对固化，提升效率的空间不大；空间微波传输的扩散损耗是系统传输效率提升的频颈问题，如何通过有源天线或无源器件有效控制微波传输波束，是提升微波无线电能传输效率的最有效途径之一。

传统的微波无线电能传输系统，由于电磁波的波动性，微波在空间传输会产生衍射扩散，随着传输距离的增加，微波弥散损耗较大导致微波能量传输利用效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于无衍射相位调制的微波无线电能传输装置，本发明通过电磁波传播相位设计，构建无源的无衍射相位调制器，将无衍射相位调制器集成于微波无线电能传输系统中，实现微波无衍射聚焦传输，减小系统收发天线之间弥散损耗，提升微波无线电能传输系统总体传输效率，拓展电磁能量的传输距离。