石博 崔雅嵩

摘要：随着科技的发展，微波辐射式无线电能传输技术已经在在太空领域和军事领域有了很大的发展，但是在民用上却始终未能成功。利用微波输电可以实现远距离的电能输送，但是功率较小，无法达到正常供电的需求，如果能提高它的传输功率，那么电力传输领域将迎来一个新的时代，告别有线传输，对于边远地区的供电问题也有了新出路。因此，本文根据实际情况，对微波无线电能技术在电力传输领域进行了探讨。

关键词：微波辐射式;电力传输;无线电能技术

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0064-02

0 引言

无线电能传输与无线通信技术一样都是要摆脱有形介质的束缚，实现百年来人类对于无线传输的美好追求。微波无线电能传输可以不受自然条件限制而且是性能优良的新型能源传输技术。因此我们研究利用它进行地面电能传输、解决边远地区的供电问题，这对于未来的供电具有重要的理论意义。然而微波无线电能传输在电力传输领域一直存在很大问题，主要是由于微波发射端和整流接收端转换效率低等问题。所以，本文基于微波无线电能技术在电力传输领域的应用，主要研究了如何提高微波辐射式传输技术的发射端和整流接收端的效率问题。

1 微波无线电能传输技术的分析

微波辐射式无线电能的传输技术，它是以300MHz～300GHz频率的电磁波进行传输，这些微波通过发射端定向发射之后，微波可以在空间中自由转换，经过一定距离的传输，然后通过整流天线接收端接受微波，最后把接受的微波通过整流电路将微波转换为直流功率输出，之后就可以对负载充电，或者供给后级电路使用。微波辐射式无线电能传输它在空间长距离的传输过程中损耗较少，因为传输过程中是利用空间中的各种物质进行传输，所以损耗的只是这些物质，但自身能量并无较大损耗。

2 微波无线电能传输技术的应用

目前，微波无线电能传输技术主要应用在太阳能卫星电站、低轨道和同步卫星运输、空间飞行器等领域。太阳能卫星电站是依托卫星技术，在太空把太阳能转化成电能，再通过微波无线电能传输方式传輸到地面的电力系统以供人类使用。

随着国际上对太阳能卫星站建设的高度重视和新的世界能源形势和航天发展形势下，微波无线电能传输技术发展的战略机遇正在来临。我国地域辽阔，高原、山地和丘陵占有很大比重。为了给这些地方输送电能，目前只能通过架设高压线路来输电。截至2019年1月8日，我国的电能已经覆盖88%的国土面积，供电人口超过10亿人;虽然我们已经在输送电能方面在世界上做到了首屈一指。但我们为此付出了很大的代价，并且对于后续输电线路的检修，也将是我们面临的一大难点和困扰。而如果微波无线电能传输技术能在这方面应用，将使这类问题不复存在，也将开启人类电力传输领域的新纪元。故研究电力系统中无线电能传输技术对于我们未来的输电有极大的意义。下面表格是国际上对微波无线电能传输技术应用的几个举例，如表1。

3 微波无线电能传输的难点

微波无线电能传输主要由能量传输和能量转换两部分组成，其中直流电源经微波功率发生器将直流变成微波，达到了电能到微波能量的转换;接收端经过整流天线将微波能量转换为直流功率输出，则达到了微波能量到电能的转换。能量传输对能量的损耗很少，并且这类问题也无从解决，所以我们的关键就是能量转换，结合实际研究，只有提高发射端的定向发射能力和接收端的整流效率才是最佳选择。

在发射端微波的定向发射能力对系统有较大影响，微波通常采用天线阵作为发射装置，但是存在定向辐射差的缺陷。整流接收端作为将自由空间接收到的能量转换成直流电能的重要部件，它的整流效率将大大影响整体微波传输的效率。接受部分的通用结构如图1所示，其中二极管整流电路的损耗占整流变换单元总损耗的绝大部分。此外，二极管整流电路的效率会随入射微波功率和负载阻抗的变化而变化，因此该整流电路通常只能针对特定的输入微波功率和负载阻抗进行优化设计。当外界环境变化，整流电路的工作状态会偏离初始设计的效率最优状态，造成整流效率的下降，二极管的结电容也会随着二极管两端电压变化而变化，因而也会影响整体工作效率。另外二极管的非线性会在整流过程中产生谱波，这些谐波成分会通过天线辐射出去，降低整流效率。

4 提高微波无线电能传输效率的方法

解决传输效率低的问题，我们根据上面提出的难点，给出了以下解决方案。

（1）针对发射端，我们一般使用天线阵作为发射端装置。微波的定向发射能力对系统整体效率有较大影响，而微波辐射的方向与输入天线的电压相位差有直接联系。对于固态功率放大器，天线可以等效为50Ω的负载，故对固态功率放大器提出输出电压相位可控的要求。为控制固态功率放大器输出电压相位实现微波的定向辐射，我们基于天线阵列定向辐射微波的固态功率放大器，提出一种PLL移相器控制输出电压相位。PLL移相器适用于高频场合，其输出电压和给定参考信号的相位差与控制电压呈线性关系，适用于于天线阵列定向辐射微波的场合。PPL移相器图如图2所示。

（2）针对二极管整流存在的以上问题，为了稳定天线工作状态，需要保持输入阻抗不变来提高微波无线电能传输的效率，并且由于后级负载电阻不同，所以需要降低整流电路对后级负载电阻的敏感性。对于维持输入阻抗，我们可以采用基于Class E整流电路的两级式AC-DC同步整流电路，将整个同步整流电路分成了前级整流电路和后级阻抗匹配电路，整流电路主要对前级输入交流电进行整流，阻抗匹配电路主要起到在负载电阻变化情况下，使输入阻抗稳定维持的作用。对于负载电阻可调，因为整个变换器要工作在输入阻抗50Ω恒定，则可以计算出对应的前级电流型Class E整流电路的输出阻抗，而后级Buck变换器只要满足输入阻抗维持在前级输出阻抗不变的状态，就能够使得在变负载电阻条件下，两级式AC-DC同步整流电路输入阻抗维持在50Ω恒定。整个两级式AC-DC同步整流电路主功率如图3所示。

参考文献

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