无线输能系统中阵列天线的优化设计

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1、万方数据复旦大学硕士学位论文MPT系统主要由三个部分组成。第一部分是微波功率发生器，将直流电能变成微波能量，其中输入的直流可以由太阳能、风能和交流电转变而成或是直接由直流发生器产生，其直流转换成射频(DC—RF)的转换效率为疋；第二部分是发射天线，即聚焦天线，将微波能量以聚焦的方式高效地发射出去，使得能量以电磁波的形式在自由空间中传播，其传输效率为Z；第三部分是整流天线，其分为接收天线和整流电路，将微波能量接收后转化成直流或工业用电，其射频转换成直流(RF-DC)整流效率为Z。因此，MPT系统总效率为乞=t互Z(1．1)微波功率发生器的设计技术已经相当的成熟了。主流的微波发生器件是真空

2、管和固态器件，其中真空管包括磁控管、行波管和速调管；固态器件有半导体器件和混合型器件。如今微波发生器的DC—RF转换效率可以达到70％’90％睛¨13儿川。微波在自由空间中传输，犹如通信链路系统中信号传输一样，遵从Friis传输公式。因而，微波在发射天线和接收天线之间的自由空间中传输，其传输效率丁可表示为71：型L1兄2D2(1-2)其中爿，、爿，分别为发射天线和接收天线的有效面积，五为工作波长，D为微波在自由空间的传输距离。微波能量传输的研究主要是围绕着实现最大传输效率而展开。在20世纪60年代初期，Goubao、Key、Sherman、Borgiotti等人已经在理论上推算了只要发

3、射天线和接收天线El径分布满足一定的条件，便可实现传输效率丁近似于100％Ⅱ5。181。由此可知，合理口径分布的发射天线和接收天线是MPT系统实现最大传输效率的关键。在大功率的MPT系统中，对于发射天线，从特性上主要考虑以下两个方面：第一，高聚焦能力；第二，微波能量的定向传输。因而，随着研究深入，MPT的研究延伸出了聚焦天线的研究。作为MPT系统的接收部分，接收天线和整流电路逐渐发展成为一个整体来设计，即整流天线的设计，来实现微波能量到直流能量的转换。因而，聚焦天线和整流天线的研究设计是提高MPT性能的关键，也是本文的研究重点。经过几十年的研究，聚焦天线和整流天线的设计技术也得到了很大

4、的发展。1．3收发天线的研究现状在MPT系统中，采用聚焦天线和整流天线作为系统的发射天线和接收天线。聚焦天线的研究目标为实现微波能量的聚焦性和传播定向性。而整流天线的目标4万方数据复旦大学硕士学位论文为实现高增益接收天线和高RF—DC转换效率。1．3．1聚焦天线的研究现状聚焦天线是指将微波能量聚焦在距天线口径一定距离的轴向上。1962年Sherman提出了聚焦天线口径的理论特性，所设计的聚焦天线可将能量有效地聚焦在口径的菲涅耳区n71。所谓的菲涅耳区位于远场和近场之间，其范围为212肛>D>0．62而(1-3)其中，为天线的长度或者最大口径尺寸。聚焦天线的特性指标是由聚焦的距离、聚焦斑

5、点大小和聚焦平面的电场分布来表示Ⅱ⋯。这些指标与传输效率和天线的口径分布有密切的关系，可以用文献[20]中的公式(17)表示。因而，设计聚焦天线的问题可以转化成为基于传输效率优化的最佳口径分布求解问题。在理论上，给定聚焦距离和聚焦光斑大小，便可以求解出达到9996以上传输效率的天线口径分布n81。1995年和1996年，国内教授林为干和文舸一提出了当天线的口径分布的振幅服从径向长椭球函数分布和相位服从球面分布时，可实现给定尺寸与距离下的MPT系统传输效率最大，同时所设计的聚焦天线具备突出的特点一一在聚焦平面上电场方向图没有旁瓣。这使得电场能量的集中得到了大大提高乜们乜“。实际设计和理论

6、研究是存在着一定的差距的。理论上的聚焦天线的口径分布是连续分布，这无法在实际的设计中实现。最初实验设计的聚焦天线是根据光学透镜的原理来实现的乜”。但是由于这样的设计成本高，精确度难于控制，曲面口径制造难度高。为了降低成本和制作难度，2007年Bogosanoviche和Williamson提出了用于无接触微波工程探测的近场聚焦的微带阵列天线。此天线根据光学聚焦原理得到阵列单元的激励分布来进行设计，其中激励相位满足理论上的离散化的球面分布，且振幅满足等值分布。所得到两个微带阵列天线都采用16个单元，工作频率在10．12GHz，聚焦距离分别为126mill和300111111，聚焦的光斑为

7、150x150mill2，聚焦面上电场的副旁瓣高于．10dB瞳3I。为了降低副旁瓣，2010年Karimkashi采用了满足Dolph-Chebyshev的幅度分布和离散化球面的相位分布的激励来设计微带聚焦阵列天线。所设计的16个单元的阵列天线，工作在10GHz，在假定设计聚焦距离为200mill情况下实际聚焦在60mrll左右，聚焦面上的电场的副旁瓣都低于．20dB。同时还提出了阵元间的耦合效应对聚焦阵列天线性能的影响阻引。到目前为止，所设计