关于微波无线输能关键射频技术的探讨

袁昆鹏 周涛

摘 要：本文分别从微带天线圆极化技术、谐波抑制技术、微带相控阵列天线技术三个方面分析微波无线输能关键射频技术，旨在通过技术应用切实强化系统应用性能，减少能源损耗，提高传输效率，予以社会生活更多便利。

关键词：微波无线输能;射频技术;发射端微波功率源技术

引言：微波无线输能关键技术类别多样，不仅包括接收端整流天线设计技术，而且还有发射端微波功率源技术。其中发射端微波功率源技术已经取得了较为成熟的发展，而发射天线自身的应用性能与传输功率脱不开关系，想要实现传输功率的提高，则需要强化发射天线自身性能研究，推动微波无线电能传输的发展。

1、微带天线圆极化技术

伴随着现代信息技术的应用和普及，无线传感网络也开始进入快速发展时期，无线电能传输技术也开始朝向更加高质量、现代化的方向发展。而无线电能传输技术又可以合理划分为微波辐射式、电磁感应式等多种类别。采用微波传输的方式，整体辐射距离长、可以灵活调控传输方向，具有多方面的应用优势。而本文则从微带天线出发，对微带天线相关技术展开了全面的研究和分析，并能够对技术研究情况、相关理论展开简要分析。

近些年来，各种各样的微带天线开始出现在人们的日常生活中，并广泛应用于环境测试、卫星通信等各个行业领域。微带天线自身的极化特性主要用于指代天线于整体最大辐射方向、电场矢量端点进行动态移动的轨迹变化。而随着无线通信技术的快速发展，圆极化天线也开始得到更加广泛的应用。事实上，纯粹理想化的圆极化天线很难存在，一般设计形成的圆极化天线也更多呈现为椭圆极化的情况，而当圆极化波直接入射到平面对称型面后，也将会促使整个平面出现旋向偏转的情况。一般可以直接通过轴比AR指代圆极化自身特性，用2A指代椭圆长轴、2B为椭圆短轴，对于椭圆轴比则采用分贝计算的方式表示，具体表示为|r|（dB）=20lg|r|=20lg（A/B）。基于微带天线圆极化的实现方式，又可以将其划分为多种方式，其中应用较为广泛的是便是单馈方式，在具体设计时，通过引入微扰△s，从而完成辐射正交极化的简并模工作，进而展开圆极化设计工作。△s一般又可以将其称之为“简并分离单元”[1]。单馈电圆极化微带贴片方式如图1所示。除了单馈方式，还可以采用双馈点圆极化方式、多个线极化完成设计工作。

2、谐波抑制技术

对于传统的微带天线，主要运用谐振型天线的方式完成，整体工作起到一定的谐振作用。事实上，在通信系统中，基于整流二极管的非线性特性，谐波随处可见，还有部分谐波将会在反射作用下，直接反射回到接收天线，从而完成二次辐射，严重影响天线传输效率。通常而言，谐波抑制技术主要是在馈线、地板等区域，通过应用相应的结构完成整个技术应用过程。主要包括周期性的光子带隙结构、缺陷地结构、微带谐振单元。

3、微带相控阵列天线技术

通常而言，微带相控列阵天线技术电磁波发射、接收都可以直接通过运用单个微带贴片天线完成整个技术应用过程。如果一味采用微带天线单元，自身的增益较低，很难满足现实生活的要求。而对于许多无线电系统，对于天线系统的增益要求较高，还需要设备能够加强自身的聚焦能力、定向性。在此情况下，则可以通过应用阵列天线理论，对微带阵列天线的具體性能指标展开设计和分析。阵列天线基于相应规律，将本身性能相同的振元天线进行排列，并通过应用电磁波干涉原理，从而促使阵列天线能够达成基本的应用性能。一般可以直接将微带阵列天线划分为两种类别，第一种微带阵列天线是采用直线排列方式的阵列天线，第二种微带阵列天线是将所有阵元排列在同一平面内的阵列天线，两种阵列天线各有特点，但均由阵元天线、馈电网络两部分组成，馈电形式也会在一定程度上直接影响馈电网络设计工作、线阵类别和面阵类别。

对于微带阵列天线馈电方式，为了实现具有特定方向图的天线设计工作，需要充分考量阵元幅度、相位信息、馈源端口阻抗匹配问题、设计复杂度，而阵列天线馈电方式又可以将其划分为串联馈电和并联馈电两个方面。需要注意的是，在个别时候也会应用到串并联相结合的馈电方式，但是应用情况较少。一方面，串联馈电可以直接将各个阵元以串联方式进行连接和传输，当技术人员对串馈阵列天线设计时，还需要充分考量阻抗匹配情况，促使整个主馈线阻抗能够和标准电阻相符合，标准电阻为50Ω[2]。当整个串馈阵列工作处于行波情况，往往系统带宽都会更宽一些，但是需要注意的是，串馈阵列行波工作将会在终端负载吸收相应大小的功率，该种馈电方式自身的馈电效率较低。而当串馈阵列工作整体处于谐振情况，往往系统带宽都会更窄一些，当频率发生变化时，相位也会随之变换，促使波束指向也会出现差别。采用此方法自身的馈电效率较高，且自身形成杂散辐射较小，在社会生活中取得了较为广泛的应用。另一方面，并联馈电往往需要应用多个功率分配器，从而完成阵元馈电的功效。需要注意的是，如果出现并馈阵列较小的情况，技术人员可以直接采用将振元天线、馈电网络共面放置的方式，强化系统性能。而如果需要设计大型并馈阵列，一味采用共面放置的方式，将会促使系统整体占用面积较大，系统性能也会受到严重影响。采用并联馈电网络的方式，与串联馈电方式相比，设计起来较为简单方便。各个阵元都处于独立运行的情况，工作人员可以采用逐级设计的工作原则，促使阵元能够达成基本的功率要求，完成网络分配。

如果系统中的各个阵元本身相位都保持相同大小，且阵列天线本身属于非频率变化天线的一种，波束指向并不会随着频率高低变化产生影响。需要注意的是，如果在具体设计工作中，阵列设计面积大，对于功率分配网络使用的馈线也就相较较长，促使系统空间占用比也会不断减小，进一步降低系统馈电效率。

结论：综上所述，对微波无线输能关键射频技术展开分析具有至关重要的意义。通过研究微带天线圆极化技术、谐波抑制技术、微带相控阵列天线技术，研究技术要点，改进设计和应用，能够在一定程度上强化技术应用效能，今后也应当不断加强技术研究，切实提高技术应用效果和传输效率。

参考文献：

[1]宋炜，张淮清，肖辉，等.一种微波输能的高效二极管阵列整流电路设计与分析[J].空间电子技术，2020，17（02）：33-38.

[2]程晓洁，卢毅，彭革新.一种适用于微波无线输能系统的自聚焦控制算法优化实现[J].移动通信，2018，42（09）：73-79.

作者简介：

袁昆鹏，（1994-），男，安徽宿州人，本科，助理工程师，电磁场与微波技术方向。