微波无线能量传输与收集应用系统的研究进展及发展趋势①

曹 垒，林先其，陈越腾

(电子科技大学 电子科学与工程学院，成都 611731 )

0 引言

早期的微波无线能量传输技术(MWPT：Microwave Wireless Power Transmission)研究，主要围绕在空间太阳能电站系统(SSPS: Space Solar Power System)上的应用[1-4]。MWPT技术是将能量通过微波源辐射，通过自由空间传输，再被接收端收集，最后由接收端整流传递到负载的过程。近年来MWPT技术在近距离的应用也在飞速发展，尤其是在低功率电子设备的应用中有着显著的优越性。比如，MWPT应用系统用于智能家居、小型传感器、分布式传感网络以及荒岛等偏远地区的能量传输[5-8]。针对MWPT技术研究也从之前集中在固定点对点无线输能的系统效率以及关键器件的能量转换效率提升上，开始向实现动目标及多目标的应用系统研究转变。

本文对MWPT应用系统的基本组成与特点、国内外对不同工作方式的MWPT应用系统的研究热点和现状作较为全面的概述，最后分析概括了MWPT应用系统的未来发展趋势。

1 MWPT应用系统的构成与特点能

如图1所示，MWPT应用系统由发射系统、空间传播、接收系统三部分组成。发射系统主要包括微波信号源和发射天线两部分，接收系统主要包括接收天线和整流电路两部分，微波信号源将直流能量转换成微波能量，发射天线将微波信号源输出的射频能量以电磁波的形式发射出去，射频能量经过空间传播之后被接收天线接收到，整流电路将接收天线接收到的射频能量转换成直流能量提供给负载端[9,10]。

图1 MWPT系统框图Fig.1 Block diagram of microwave wireless power transmission system

发射系统、空间传播、接收系统三部分的效率分别为ηTX、ηspace、ηRX，三者分别为：

(1)

(2)

(3)

而MPT系统整体的效率为：

(4)

发射系统的效率ηTX主要影响因素是微波信号源中磁控管或者速调管将直流能量转换成射频能量的效率以及发射天线的辐射效率，空间传播的效率ηs主要影响因素是收发天线的性能。接收系统的效率ηRX主要影响因素是整流电路的性能。相对于利用高压送电等传统的能量传输方式和激光能量传输等其他新型能量传输方式，MWPT技术的主要优点如下：

(1)MWPT技术突破了谐振耦合式无线供电距离的限制，实现了真正意义上的无线能量传输；

(2)MWPT技术打破了输能工程中对地形空间等多方面的限制，实现了远距离无线能量传输；

(3)MWPT技术相对于激光能量传输大功率收发系统更加稳定可靠；

(4)MWPT技术传输速度快，传输方向可控。

2 MWPT应用系统研究现状

2.1 相控阵技术的MWPT应用系统

相控阵技术采用电控制其单元相位，改变单元的初始相位可以改变波束指向，达到快速扫描的目的，具有快速无惯性的优点。在MWPT应用系统中，能够根据接收端的位置不同，实现高精度定点能量传输，提高能量传输效率，从而得到广泛应用。

2.1.1 国内外相控阵技术的MWPT应用系统研究

自上世纪90日本使用基于相控技术的MWPT应用系统研究一直处于研究的前沿地位，其研究也一直向着更高频率和更高效率的方向进行[11]。

图2 基于相控阵技术的动目标MWPT应用系统Fig.2 the moving target MWPT application system based on phased array technology

在1992年，日本H. Matsumoto教授团队搭建出基于相控阵技术的动目标MWPT系统，如图2所示，相控阵发射阵列安装在汽车的顶部驱动无人机飞行，使用计算机和CCD摄像机的获取的数据，通过计算机控制相控阵的波束指向无人机。无人机机

身上共有120个整流天线，阵元间距为0.7 ，整流天线单元直流输出为功率1W时的整流效率为61%。无人机仅使用相控阵传输的微波能量飞行，无人机在距离地方约10m处飞行[12]。

在2011年，Yoshiharu Fuse开始了微波地面无线能量传输的研发项目，作为SSPS的太空验证的预研阶段。系统整体工作示意图如图3所示，低功率低频段(10mW)用于通信，大功率高频段(5.8GHz，100W)用于能量传输。发射端采用MMIC封装的HEMT作为末级放大器，功率附加效率为70%，能够为发射端提供充足的功率输出，同时减小了发射子阵的尺寸。作为将接收端装载在移动的漫游车上，测试移动目标的无线能量传输效果。整流天线阵列尺寸为340mm×600mm，由97个整流天线单元组成，整流效率为65%。图X表示缓冲电池充电状态，实验结果表明微波能量传输功率可以为移动接收端提供足够的能量进行充电，同时接收端与系统外部设备间的通信状态正常[13]。

图3 微波地面无无线能量传输系统工作示意图Fig.3 the diagram of microwave ground wireless power transmission system

图4 日本2017年更新的空间太阳能电站发展路线图Fig.4 The updated SSPS roadmap of Japan

在2011年，Yukihiro Homma设计了一套多功能基于相控阵技术的MWPT系统, 采用幅度脉冲法的波束指向控制精度为0.4°。此外，采用收发天线与后级电路分离，便于根据实际需要进行更换调整。在接收端加载频率选择表面材料，抑制杂散辐射[14]。并在2017年，同年，日本提出SSPS分阶段发展路线，如图4所示，从2020年逐步开展SSPS关键技术的在轨验证[15]。

2.2 方向回溯技术的MWPT应用系统

用于方向回溯技术的天线阵可以在不知道入射波源位置的情况下将自身发射信号对准来波方向。并且此种跟踪可以依靠纯模拟方式实现，相比于传统的相控阵和智能天线，该种方式不需要复杂的数字信号处理与移相网路。因此具有速度快，结构简单，价格低廉，可靠性高等特点。在现代无线通信和无线能量传输等领域中都有广泛的应用前景[16,17]。

2.2.1 方向回溯技术的MWPT应用系统国内外研究

在2018年，电子科技大学林先其教授团队的杨永穆搭建出一套基于方向回溯的MWPT演示系统，如图5所示，该系统实现单目标与双目标实时跟踪供电的演示，在目标位置变化过程中，接收端的供电功率保持不变[18]。

图5 同频异极化方向回溯MPT演示系统Fig.5 Co-frequency different polarization retrodirective MPT demonstration system diagram

中国科学院的蒋凯旋在2019年针对针对分布式星簇内部个卫星之间的数传及组网通信需求，采用超外差混频技术开发了工作在8.1GHz上的一维方向回溯天线。对其进行单站RCS和双站雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)测试，如图6所示，在喇叭天线主波束±30°范围内，方向回溯天线的指向误差控制在±3°以内[19]。

(a)方向回溯天线结构 (b)双站RCS测试结果图6 MWPT应用系统中方向回溯天线结构及测试结果Fig.6 Retrodirective antenna structure and test results in MWPT application system

图7 使用有源相位共轭器的圆极化方向回溯阵列Fig.7 Retro-directive circular array of using active Phase conjugator

在2019年，Anil Chepala提出将圆极化天线以圆形方式布阵，如图7所示，同时采用有源相位共轭形式，实现360°全向覆盖，实验结果表明有效提高接收端定位跟踪的范围和能量传输的效率[20]。

2.3 时间反演技术的MWPT应用系统

时间反演(time reversal，TR)是近年来电磁波领域发展出的一种新型自适应空间电磁波传输技术。时间反演镜将接收到的电磁信号在时域上进行翻转，并重新发射出去的技术。它的工作流程如下：接收端的信标源向TR天线发射一个信标信号，TR天线将接收到的信标信号进行逆时处理后再发射，电磁波将自动地聚焦于原源点处，克服多径效应，表现出环境自适应性和空时聚焦的效果[21]。

2.3.1 时间反演技术的MWPT应用系统国内外研究

台湾国立中央大学的Meng-Lin Ku，美国马里兰大学的K.J.Ray Liu以及电子科技大学的王秉中教授等人最早提出了将时间反演理论用于微波无线能量传输技术当中，并展开了相关研究[22,23]。

电子科技大学的王秉中教授在2017年提出一种聚焦窄带时间反演无线输能方案，在密闭的矩形金属混响腔内实验验证具有16个输能天线的TR聚焦系统可以达到87%的无线链路效率。分别实现了单点聚焦、多点聚焦的电磁能量无线传输，能够实现高效率、低危害、多目标无线能量传输。在降低TR操作的实现难度下但时间反演技术必须依托实时信号处理以及收发链路中的相位幅度精准控制。如图8所示，该系统可以任意地点亮指定的LED灯，验证了TR的聚焦无线传能效果。

图8 窄带TR聚焦无线输能系统演示效果图Fig.8 The demo result of narrow band TR focused MWPT system

在2019年，华南理工大学的胡斌杰教授利用自动匹配的天线辐射和TR技术的环境自适应性，构建室内3D模型，如图9所示，提出一种基于时间反演的3D室内MWPT的优化算法。打破传统MWPT系统中阵列单元必须具有相似结构和分布的限制，通过单次TR计算和傅里叶变换操作即可获得宽频范围内阵列激励相位，缩短系统的响应时间。此外，该算法针对任意放置的多个接收端实现同时充电，消除功率分配不均匀的现象。将基于时间反演技术的MWPT应用系统的环境从从常规的密闭金属腔体拓展至室内环境，以及用于室外的复杂介质环境中，遗憾的是缺少相关实验验证[24]。

图9 MWPT应用系统在3D室内环境示意图Fig.9 Illustration of MWPT application system in a 3D indoor environment

3 MWPT应用系统的未来发展趋势与展望

MWPT技术经过多年的研究，也从早期的理论验证阶段，逐步走向应用系统的研究，但作为一项成熟的技术得到大规模的商业应用，还有一些关键技术仍需要继续进一步的研究。

(1)小型化与共形集成研究

目前MWPT应用系统的研究主要集中在C波段和X波段，该频段的天线口径依旧较大，很难与传感器一些稳定设备，后续的研究可以采用35GHz乃至更高频率，减小天线的口径，从而实现接收端小型化与共形集成。

(2)实时跟踪高效能量传输研究

MWPT系统的实际应用场景接收端大多是移动目标或者多个移动目标。现有的MWPT技术研究主要集中在静止目标的能量传输效率提升上，针对动目标MWPT技术的研究较少，未来针对动目标的无线能量传输，将集中于研究动目标的精确定位，微波能量的精确投送，分布式的波束赋形，实现动目标实时跟踪高效按时、按需供能；

(3)智能组网研究

信息与能量的自适应调控应用。一方面，与接收端的无人机、智能传感器等设备相融实现供能、监测侦察、通信一体化应用；另一方面，与接收端的移动设备终端、可穿戴设备构建成万物互联的物联网生态链，融入到日常生活中。相信未来也会有越来越多的科研工作者投入到此方向的研究。

(4)电磁环境及对生物体影响研究

MWPT应用系统的发射端在将大功率微波辐射在空间中具有随机性，与敏感系统存在多重耦合通道，对系统及周边自然环境造成不可忽视的影响。建立合适电磁干扰评价体系，将非必须的电磁能量按性质划分等级，按等级采用相应的弱化技术，即滤波、对消、吸波，降低多周边环境和生物体的影响，提高MWPT应用系统的安全性。

4 结论

目前这些研究更多集中在点对点MWPT的系统效率以及关键器件的能量转换效率提升上，针对MWPT应用，未来在单独优化应用系统各部分组件设计的基础上，综合考虑空间传输环境因素，进行应用系统整体的设计优化，进一步提升MWPT应用系统的能量传输效率，与此同时拓展MWPT应用系统的功能，为传感器网络、大功率移动装备、航天器等提供传统供电方式无法实现的灵活性能源保障和通信安全。