基于聚焦天线阵列的无线能量收集研究

Microwave energy harvesting is very important to explore the development of renewable energy technologies. Design of microwave rectenna is one of the key techniques in the wireless energy harvesting, and this project intends to adopt focused antenna arrays to realize the high conversion efficiency microwave energy harvesting system. Design of focused antenna arrays starting directly from the optimal design of the microwave power transmission (MPT) efficiency, and the effects of antenna focusing are realized by the optimization of the power transmission between the antenna array and the object. The proposed optimal method avoid considering the conditions of the antenna apture and coupling effects between antenna elements, and this will provide an easy and effective method for the focused antenna designs.The radiation beam, resonant frequency and polization are controlld by the tunable antenna array, which is realized by varactor diodes. In this study,the electromagnetic analysis and simulation of the focused antenna array in the energy harvesting are carried out. Design and optimization of the energy harvesting system with wideband focused antenna array and tunable focused antenna array are presented. Experiments will be provided for the microwave energy harvesting system. The techniques of modeling,simulation and experiments will be provided for the microwave energy harvesting system with focused antenna arrays, which will lay a solid foundation for the development and application of the wireless energy harvesting system.

微波无线能量收集研究对探索发展可再生能源技术具有非常重要的意义。微波整流天线设计是无线能量收集系统中最关键的技术之一，本项目拟采用聚焦天线阵列实现高转化效率微波无线能量收集。聚焦天线阵列的设计是直接从最优微波传输效率的角度出发，通过实现天线阵列与目标物间的最优传输实现天线的聚焦效果。该方法避免了考虑天线口径情况、阵列单元耦合等复杂因素，为聚焦天线提供一种快捷、可靠的设计方法。将变容二极管和聚焦天线相结合实现波束、频率、极化等可控的可调聚焦天线阵列。本项目具体内容包括:聚焦天线阵列在无线能量收集设计中的电磁理论分析和电磁、电路仿真,宽频带聚焦天线阵列设计与性能优化，基于变容二极管的可调聚焦天线在无线能量收集中的设计与性能优化，实验设计与验证等。本项目将为基于聚焦天线阵列的无线能量收集提供一整套理论分析、建模、仿真和验证技术，为微波无线能量收集的发展和应用奠定基础。

微波无线能量收集技术具有潜在的应用价值，近年来欧美等国都把该技术作为研究的重点。在我国发展面临能源和环境问题日益严峻的今天，探索发展微波无线能量收集技术将有助于解决能源可持续发展问题。项目围绕基于平面聚焦天线阵列的高转化效率无线能量收集展开研究，课题主要采用功率传输系统最优化方法来研究设计聚焦天线，内容包括聚焦天线阵列在无线能量收集设计中的电磁理论分析和电磁仿真,宽频带聚焦天线阵列在无线能量收集中的设计与性能优化，不同聚焦距离和多目标无线输能的可调聚焦天线阵列在无线能量收集中的设计与性能优化，高整流效率的整流天线研究与设计等。.项目对无线能量传输线系统中多目标能量传输系统进行了研究。在2.45GHz频段，研究了基于聚焦天线的双目标4*4微带天线阵列，采用无线传输最优化理论设计后分别实现的功分比为1:1和1:2，实现了多目标、不同功分比无线能量传输。在5.8GHz频段，研究了两个4*4微带天线阵列，聚焦距离分别是10cm和20cm，传输的效率分别是65%和58%。.项目对高整流效率的整流天线进行了研究。研究了采用缺陷地结构有效地抑制了高次谐波，当输入功率为22.5dBm时最大的整流效率能达到83.7%，采用了双极化的天线设计，当输入功率为22.5dBm的时候对于任意倾角下入射的电磁波的效率大于72%。.提出了一种具有全向圆极化性能的宽带天线，并根据该天线设计了可涵盖GSM1800到WiFi频段内的所有波段的宽频全向圆极化天线，设计了一种工作在低功率输入下的四频段整流电路，用来对通信频段的GSM1800、CDMA2000、TD-LTE和WiFi频段进行能量收集。.在该项目的资助下发表SCI论文15篇，EI论文10篇，申请发明专利10项（其中已授权5项,已经转让专利4项）， 基于聚焦天线阵列的无线能量收集研究具有重要的理论意义和实用价值，对探索发展可再生能源技术具有非常重要的意义。