金属管道探测无缆微机器人无线供电系统的设计

徐君书，邵 雯，魏 雯

(苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，江苏 苏州 215104)

金属管道探测无缆微机器人无线供电系统的设计

徐君书，邵 雯，魏 雯

(苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，江苏 苏州 215104)

设计一个金属管道中无缆探测微机器人微波供电系统，系统利用微波在圆波导中的传输基本原理，解决微波在工业不锈钢管道(直径20 mm)传输中的极化和能量传输的不稳定性问题.管道中微机器人供电单元——整流天线接收微波能量并转换成直流作为其电源，接收天线采用圆极化微带贴片天线，整流电路采用倍压电路以提高输出功率，最终试验测得在24.5 dBm输入功率下 (直流负载为300 Ω)，整流输出86.8 mW直流功率，能够保证机器人驱动电机正常工作.

管道探测微机器人；无线输能；整流天线

微波输能(microwave power transmission，MPT)技术是将微波能量从发射端经过自由空间发送到接收端的能量传输技术.1964年，美国学者W.C.Brown完成了微波驱动直升机的实验，四年后美国学者Glaser提出了利用电磁波接收装置将太阳能转换成电能的太空太阳能卫星的概念[1]，这两个方面的应用极大地推动了世界各国对微波输能技术的研究和进展[2-4].1995年日本科学家首先提出了微波输能技术可应用于工业管道无损检测微机器人无线供电系统，该系统是针对核电厂、化工厂、发电厂等工业细小金属管道的损伤或管道中的障碍物探测等特殊用途而开发研制的微机器人应用系统.由电机驱动的金属管道内作业微机器人能源供给方式目前有两种：有缆供电和无缆供电.对于有缆供电，若微机器人在管道内作业的距离过长或经过弯道时，供电线缆与管壁的摩擦力增大，此摩擦力会超过微机器人的牵引力而影响其正常作业.对于无缆供电，微机器人一是携带电池，因电池的电容量有限，将限制微机器人的作业距离；二是装配燃油发电机组，而管道深处氧气不足会造成燃油发电机组停火，所以，这两种无缆供电方式均有较大弊端而难以实际应用，这些金属工业管道基本上都是圆形管道，对于微波相当于传输的圆波导，因此，用微波能为微机器人供电是解决有缆供电和无缆供电方式的有效途径.

本文设计一个金属管道中无缆探测微机器人微波供电系统，该系统利用微波在圆波导中的传输基本原理，解决了微波在工业不锈钢管道(直径20 mm)传输中的极化和能量传输的不稳定性问题.

金属管道微机器人微波供电系统包括微波激励装置和微波能接收装置——整流天线，微波激励装置将微波信号放大后传输至金属管道，管道中作业的微机器人后端安装整流天线，整流天线将传输到此的微波能量接收并整流成直流电供微机器人工作.管道微机器人微波供电系统如图1所示.

图1 管道微机器人微波供电系统

1 微波激励装置

图2是微波激励装置原理图.10 GHz的微波信号由微波固态源发出，为了保证传输到管道中的微机器人整流天线处的微波能量为一恒定值，此处添加了一个电控衰减器，以微机器人在管道作业时的爬行速度、爬行时间、爬行距离为变量，使控制电路输出一个指数波形控制电调衰减器调节微波信号幅度，从而解决了微波传输到整流天线处的能量稳定性问题.微波信号再经功率放大器放大到瓦级功率电平，此处定向耦合器连接一微波功率计以便实时监测此处微波功率值，放大后微波信号再经波导-同轴转换器、矩-圆波导过渡器和过渡接头与不锈钢管道相对接.本文使用直径为20 mm的不锈钢管道，选用TE11模单模作为金属管道圆波导的传输模式，能够提高微波传输效率，较好地解决微波在管道传输过程中的极化旋转问题.当工作频率为10 GHz时，根据不锈钢管道的参数理论，计算得到了其传输损耗为1.1 dB/m，通过实验测得其传输损耗为1.3 dB/m，两者比较接近，因此，此微波激励装置可很好地用作微波能量传输线向微机器人供电[5].

图2 激励装置原理图

2 能量接收装置——整流天线

整流天线由接收天线和整流电路组成，是微波输能系统的一个关键部分，也是当前微波输能的一个关键技术，微波能量由其接收并整流转换成直流电.整流天线基本结构如图3所示.整流天线中的匹配网络1(常用低通滤波器)的功能是实现天线和整流二极管之间的阻抗匹配并滤除高次谐波分量，以防止高次谐波传输至整流二极管影响其整流效率，匹配网络2(通常设计成一个直通滤波器)的作用是滤除整流二极管微波整流后的高次谐波，从而提高整流电路的整流效率.整流天线设计的难点是实现接收天线、整流二极管、直流负载间的阻抗匹配，这就需要得到整流二极管的大信号参数，从而设计实现整流天线的最高微波-整流的转换效率.

图3 整流天线基本结构

2.1 接收天线设计

微带贴片天线体积小，耦合馈电易于与整流电路集成安装，且易实现圆极化等优点，本文选用了圆极化微带贴片天线作为接收天线，图4为单馈点切角圆极化贴片天线形式.当工作频率为10 GHz时，微波介质板的参数εr=2.78，h=0.8 mm，使用Ansoft三维电磁结构仿真软件HFSS，对不锈钢管道中的圆极化微带贴片天线进行了优化仿真设计，最终得到贴片边长为8.2 mm，切角为1.8 mm.图5是微带天线在不锈钢管道中的HFSS电磁仿真S11回波损耗曲线，在10 GHz回波损耗有-25 dB.图6是管道中微带天线圆极化特性轴比的电磁仿真曲线，可见其轴比小于3，达到了圆极化天线的条件.为了进一步确定微带天线在不锈钢管道中的圆极化特性，利用矢量网络分析仪，测试了微带天线在管道中按不同方位旋转时的回波损耗S11.管道中的微带贴片天线圆极化测试系统如图7所示，微带天线直接安装在微机器人后端，微机器人在管道中旋转0°，45°，90°，180°时测得的回波损耗曲线如图8至图11所示，其S11分别对应为-21 dB，-18 dB，-19 dB，-17 dB，可见微带天线在管道中做旋转运动时其反射系数变化很小，验证了此微带天线在不锈钢管道中的圆极化性能.

图4 不锈钢管道中的圆极化贴片天线

图5 不锈钢管道中的微带天线S11仿真曲线

图6 频率为10 GHz的Axial Radio与Theta的关系曲线

图7 不锈钢管道内微带天线测量系统

图8 微带天线在管道中0°时的S11

图9 微带天线在管道中45°时的S11

图10 微带天线在管道中90°时的S11

图11 微带天线在管道中180°时的S11

2.2 整流电路设计

整流天线的设计除了尽可能地提高整流效率外，还有一个重要性能是要输出足够大的功率电平，即整流电路的饱和功率要足够大，以保证微机器人的驱动电机正常工作.设计的整流电路如图12所示，微带电路前端是低通滤波器，后端的功分器为一分四路，这样可使用4个HSMS-8202二极管组成倍压电路，能够更有效地提高输出功率，电容C是滤除微波高次谐波的滤波电容，图13是此整流电路的S参数仿真曲线，仿真时左端输入端的端口阻抗设置为50 Ω，右端4个端口每个端口阻抗都设置成HSMS-8202二极管输入阻抗的共轭阻抗，即52+j57 Ω(利用Ansoft仿真软件Harmonic对HSMS-8202二极管参数仿真优化，得到直流负载为300 Ω，输入功率为100 mW时二极管整流效率最高，此时其输入阻抗为52-j57 Ω).图14是整流电路随输入功率变化的整流效率测试曲线，微机器人工作电机作为直流负载(约为300 Ω)，可以看出随着输入功率的增大，整流电路的整流效率一直在不断增大，但由于二极管耐压能力所限，所以输入功率不能太高(4个整流电路总的饱和功率为75×4=300 mW).图15是输入功率为280 mW时，直流负载与整流效率的关系曲线，可以看出，在300 Ω 附近整流效率最大，为45.4%.最后，整流电路接入圆极化微带天线后测得整个整流天线的输出功率是86.8 mW(工业不锈钢管道长度为1 m，微波输入到管道中的功率为24.5 dBm，机器人驱动电机的直流负载为300 Ω)，机器人的驱动电机能够正常工作，整流天线的整流效率为31%.

图12 倍压整流电路

图13 阻抗匹配网络的S参数仿真曲线

图14 输入功率与整流效率的关系曲线

图15 直流负载与整流效率的关系曲线

3 结论

为不锈钢管道无缆探测微机器人设计的微波供电系统，包括不锈钢管道微波激励装置和管道内微波能量接收装置(整流天线).在微波源激励装置设计中，较好地解决了微波耦合进不锈钢管道和微波在不锈钢管道传输过程中的极化旋转以及能量传输的稳定性问题.实验测得结果，工业不锈钢管道的传输损耗为1.3 dB/m，与理论计算结果1.1 dB/m数值比较吻合，证明此微波源激励装置的有效性.利用三维电磁仿真软件HFSS设计的管道内微带圆极化贴片天线，通过微带天线在不锈钢管道中多个旋转角度回波损耗的测试，验证了微带天线在管道中良好的圆极化性能；整流电路采用了一分四的微带倍压电路，充分发挥了HP HSMS-8202二极管的整流性能，最终获得整个整流天线的RF-DC转换效率为31%，总输出直流功率达到了微机器人驱动电机正常工作的要求.

[1]Brown W C.The history of power transmission by radio waves[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1984，32(9)：1230-1242.

[2]Mcspadden J O，Yoo T，Chang K.Theoretical and experimental investigation of rectenna element for microwave power transmission[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1992，40(12)：2359-2366.

[3]Yoo T，Chang K.Theoretical and experimental development of 10 GHz and 35 GHz rectennas[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1992，40(6)：1259-1266.

[4]Mcspadden J O.Design and experiments of a high-conversion-efficiency 5.8 GHz rectenna[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1998，46(12)：2053-2059.

[5]徐长龙，徐君书，徐得名. 管道探测微机器人微波输能系统激励装置[J]. 上海大学学报，2000(10)：403-406.

(责任编辑：沈凤英)

Microwave Energy Supply System for Industrial In-metal-pipe Inspection Micromachine

XU Jun-shu，SHAO Wen，WEI Wen
(Department of Electrionics and Tele-communication Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China)

This paper designs a microwave energy supply system for in-metal-pipe inspection micromachines. Based on the theory of microwave transmission in circular waveguide，this system solves the problems of the pipes polarization and microwave power transmission in stability.As the power supply unit for micromachine，the rectenna receives microwave power and converts it to DC.A circularly polarized microstrip patch antenna is used as the receiving antenna.In order to improve output power，the circuit applies four doubler circuits as its rectifying circuit.With an input power level of 24.5 dBm，the end testing output power is 86.8 mW(300 Ω)，and this power enables the micromachine to work well.

in-pipe inspect micromachine；wireless power transmission；rectenna

TN011

A

1008-5475(2014)03-0026-05

2014-05-25；

2014-06-20

徐君书(1974-)，男，山东潍坊人，讲师，博士，主要从事微波输能、移动通信终端天线技术研究.