（精密仪器及机械专业论文）微波能量转换原理在微小机器人中的应用.pdf

o rs i m i l a rf a c i l i t i e s i nt h e s es i t u a t i o n s ，m i c r o r o b o t sa r er e q u i r e d t od ot h e i n s p e c t i o nw o r ki n s i d e , c u r v ep i p e t h ee n e r g yi ss u p p l i e dt om i c r o r o b o t s w i t h i nt h ep i p eb ym i c r o w a v e s i nt h i s t h e s i s ，w ed e v e l o p a c o n c e p t o fm i c r o w a v e p o w e r t r a n s m i s s i o nf o ram i c r o r o b o ti nap i p e c h a r t2i n t r o d u c e st h eb a s i c c o n c e p t o f m i c r o w a v e ，e m p h a s i z i n g o nt h ef o r m u l ao fm i c r o w a v e t r a n s m i s s i o nl i n e t h e nw ep u tf o r w a r dt h ef e a s i b i l i t yi nm i c r o r o b o t e n e r g ys u p p l yb y t h ed i s c u s s i o no f i m p e d a n c e ，t h ep o w e r o f t r a n s m i s s i o n ， e f f i c i e n c ya n dw a s t a g e d e t a i l e dd i s c u s s i o n sa r er e a l i z e di nc h a r t3i nw a v eg u i d eb e c a u s e t h e p i p i n g e n v i r o n m e n to ft h em i c r o r o b o t s o m er e a l i z a t i o n sa r e e x p l a i n e di nk e yp o i n t s a f t e r p r o v i n g t h ep r i n c i p l e ，w ed i s c u s st h ea n t e n n ai nc h a r t4 ，f i n a l l y w es e l e c tt h em i c r o - s t r i p ea n t e n n a a ne x a m p l ei sg i v e nf o rh o wt od e s i g n s u c ha l la n t e n n a i nc h a r t5w ei n t r o d u c et h ee x p e r i m e n t sw eh a v ed o n e a l t l l o u g h s o m eo ft h e mf a i l e d ，b u tm o r eu s e f u lr e s u l t sa r eg o a e nw h i c hw i l lb e i m p o r t a n t i nt h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d ：m i c r o r o b o t ，m i c r o w a v e ，w a v e g u i d e ，a n t e n n a ，e n e r g y t r a n s m i s s i o n 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 一绪论 机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一项高技术。作为一门综合性 学科，它综合了电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械工程、仿生 学、人工智能等多种学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当 今科学技术发展最活跃的领域之- - 1 】【2 。 自从1 9 6 1 年美国通用机械公司( u n i m a t i o n ) 生产销售了第一台工业机器人 u n i m a t e 以来，机器人技术得到了巨大的发展，其种类日益繁多、性能不断改进、 应用领域也在继续扩大。如今，机器人技术的应用已从传统的制造性领域转向非 制造性领域，出现了适用于非结构环境的特种机器人( 也称先进机器人) 。上至 宇宙飞船j f 4 】，下至海洋开发，在各种人体所不能承受的极限环境条件下都能找 到机器人的应用。目前，机器人又开始进入一个新的发展领域：微型机器人系统。 1 微型机器人的发展意义 微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是微电子技术 的拓宽和延伸，它将微电子、精密机械、传感器等技术相互融合，实现了微电子 与机械融为一体的系统。这是一种面向新世纪的高新技术，其意义和应用将涉及 航空航天、军事、生物医学工程、太空探险、深海探查等领域，因此一旦技术上 成熟并形成产业，将对国民经济建设、国防建设乃至社会发展产生深远影响。1 5 - 1 0 m e m s 在不同的国家其名称也有所不同，在日本称为微机械( m i c r o m a c h i n e ) ， 而在欧洲则是微系统技术m s t ( m i c r o s y s t e m st e c h n o l o g y ) ，在英国有时也称为 微工程( m i c r o e n g i n e e r i n g ) 。m e m s 约有3 0 年的发展历史，6 0 年代的硅压阻的 压力传感器是一个里程碑，但真正取得进展还是近1 0 多年的事。m e m s 技术的 发展开辟了一个全新的技术领域和产业。m e m s 系统具有体积小、重量轻、耗 能底、惯性小、响应时间短等许多优点垆j ，因此在航空、航天、汽车、生物医学、 环境监控、军事等人们所能接触到的大部分领域中都有着十分广阔的应用前景。 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 一绪论 机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一项高技术。作为一门综合性 学科，它综合了电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械工程、仿生 学、人工智能等多种学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当 今科学技术发展最活跃的领域之- - 1 】【2 。 自从1 9 6 1 年美国通用机械公司( u n i m a t i o n ) 生产销售了第一台工业机器人 u n i m a t e 以来，机器人技术得到了巨大的发展，其种类日益繁多、性能不断改进、 应用领域也在继续扩大。如今，机器人技术的应用已从传统的制造性领域转向非 制造性领域，出现了适用于非结构环境的特种机器人( 也称先进机器人) 。上至 宇宙飞船j f 4 】，下至海洋开发，在各种人体所不能承受的极限环境条件下都能找 到机器人的应用。目前，机器人又开始进入一个新的发展领域：微型机器人系统。 1 微型机器人的发展意义 微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是微电子技术 的拓宽和延伸，它将微电子、精密机械、传感器等技术相互融合，实现了微电子 与机械融为一体的系统。这是一种面向新世纪的高新技术，其意义和应用将涉及 航空航天、军事、生物医学工程、太空探险、深海探查等领域，因此一旦技术上 成熟并形成产业，将对国民经济建设、国防建设乃至社会发展产生深远影响。1 5 - 1 0 m e m s 在不同的国家其名称也有所不同，在日本称为微机械( m i c r o m a c h i n e ) ， 而在欧洲则是微系统技术m s t ( m i c r o s y s t e m st e c h n o l o g y ) ，在英国有时也称为 微工程( m i c r o e n g i n e e r i n g ) 。m e m s 约有3 0 年的发展历史，6 0 年代的硅压阻的 压力传感器是一个里程碑，但真正取得进展还是近1 0 多年的事。m e m s 技术的 发展开辟了一个全新的技术领域和产业。m e m s 系统具有体积小、重量轻、耗 能底、惯性小、响应时间短等许多优点垆j ，因此在航空、航天、汽车、生物医学、 环境监控、军事等人们所能接触到的大部分领域中都有着十分广阔的应用前景。 第一章绪论上海交通大学硕士学位论文 发达国家如美、日、德、法等率先采取了大力扶持和重点投入的措施。1 9 9 5 年 美国工业界对m e m s 的研究开发与制造的投资额估计为1 2 亿美元。日本通产省 1 9 9 1 年开始实施“微机械技术”十年计划，总投资2 5 0 亿日元。欧洲各国政府 1 9 9 5 年m e m s 科研活动的支持总额总共约为4 0 0 0 万美元。作为一种面向2 1 世 纪的高新技术，m e m s 技术及其产品正在迅速增长，预计到2 0 0 0 年，全世界 m e m s 的市场将达到1 2 0 至1 4 0 亿美元，而带来的与之相关的市场将达到1 0 0 0 亿美元。 6 - 1 1 微型机器人是典型的微机电系统。它将在毫微米领域中收集信息、处理信息、 决策自身的行动、控制周围的环境。这一门全新学科的建立，有可能对未来的机 电系统，乃至人们的生活产生深远的影响。自从微型机器人在8 0 年代末开始发 展以来，其研究日趋活跃，设计发明如雨后春笋，层出不穷。微型机器人现已成 为m e m s 研究开发的重要分支，有着广泛的应用前景和社会需求。它在军事国 防、生物医学、航空航天、工业农业等领域都有广泛的应用前景：诸如用于信息 技术中控制系统和信息处理系统的微型智能机器人；用于操作血球、操作细胞的 微机器人；医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人等等都正在研究之 中。1 9 9 2 年2 月，日本触发器杂志刊登专栏评论，列数1 9 9 2 年度举世瞩目 的七大关键技术，微机械和微型机器人技术名列榜首。 2 微型机器人的研究现状m 微型机器人是典型的微电子机械系统，是一门复杂的综合性更强的技术学 科，是跨世纪的攻坚技术。它将是毫微环境下，完成信息采集、传递和进行设定 操作及作业的主要载体和工具。近年来出现的利用精密加工或微细加工技术制作 的微驱动器，使得在微观领域中对外界做功、进行操作或移动成为可能，同时微 电子学和各种微传感器技术的发展，使得机械具备了信息采集和处理的能力，在 这样的背景下，微机器人研究才成为现实。从技术角度来看，微机器人系统包括 微传感器、微执行器、微驱动器、微型结构等。正如1 0 年、2 0 年前对微处理器 的应用范围无法全面预测那样，随着微机器人( 微机电系统) 的发展，将会不断 第一章绪论上海交通大学硕士学位论文 发达国家如美、日、德、法等率先采取了大力扶持和重点投入的措施。1 9 9 5 年 美国工业界对m e m s 的研究开发与制造的投资额估计为1 2 亿美元。日本通产省 1 9 9 1 年开始实施“微机械技术”十年计划，总投资2 5 0 亿日元。欧洲各国政府 1 9 9 5 年m e m s 科研活动的支持总额总共约为4 0 0 0 万美元。作为一种面向2 1 世 纪的高新技术，m e m s 技术及其产品正在迅速增长，预计到2 0 0 0 年，全世界 m e m s 的市场将达到1 2 0 至1 4 0 亿美元，而带来的与之相关的市场将达到1 0 0 0 亿美元。 6 - 1 1 微型机器人是典型的微机电系统。它将在毫微米领域中收集信息、处理信息、 决策自身的行动、控制周围的环境。这一门全新学科的建立，有可能对未来的机 电系统，乃至人们的生活产生深远的影响。自从微型机器人在8 0 年代末开始发 展以来，其研究日趋活跃，设计发明如雨后春笋，层出不穷。微型机器人现已成 为m e m s 研究开发的重要分支，有着广泛的应用前景和社会需求。它在军事国 防、生物医学、航空航天、工业农业等领域都有广泛的应用前景：诸如用于信息 技术中控制系统和信息处理系统的微型智能机器人；用于操作血球、操作细胞的 微机器人；医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人等等都正在研究之 中。1 9 9 2 年2 月，日本触发器杂志刊登专栏评论，列数1 9 9 2 年度举世瞩目 的七大关键技术，微机械和微型机器人技术名列榜首。 2 微型机器人的研究现状m 微型机器人是典型的微电子机械系统，是一门复杂的综合性更强的技术学 科，是跨世纪的攻坚技术。它将是毫微环境下，完成信息采集、传递和进行设定 操作及作业的主要载体和工具。近年来出现的利用精密加工或微细加工技术制作 的微驱动器，使得在微观领域中对外界做功、进行操作或移动成为可能，同时微 电子学和各种微传感器技术的发展，使得机械具备了信息采集和处理的能力，在 这样的背景下，微机器人研究才成为现实。从技术角度来看，微机器人系统包括 微传感器、微执行器、微驱动器、微型结构等。正如1 0 年、2 0 年前对微处理器 的应用范围无法全面预测那样，随着微机器人( 微机电系统) 的发展，将会不断 第一章绪论上海交通大学硕士学位论文 发现许多新的重要的应用领域。为此，日本、美国、欧共体都相继出台了相关的 研究开发计划。 日本通产省自1 9 9 1 年实施了一项“微机械计划”( m i c r om a c h i n e t e c h n o l o g y ) ，历时十年，预算投入2 5 0 亿日元，该计划涉及工业应用和医疗应用两 大领域，其目标是研制在复杂机器设备及生物体内极其狭窄空间能完成自主高级 作业的微机器人。 美国国防部( d o d ) 和美国国家自然基金会( n s f ) 是m e m s 的最早支持者，而 a r p a 的重点则是使m e m s 从实验室走向应用。a r p a 制定了一个以工业应用为 主的m e m s 计划，期望能够将重量、尺寸、价格都比较轻微的微机器人置于大 型复杂设备中，以提高系统性能，并从事维护保养。 欧共体从1 9 9 4 年至1 9 9 8 年实施了一个微系统技术( m s t ：m i c r o s y s t e m s t e c h n o l o g y ) 计划，该计划将对汽车、医疗和生产过程的监控技术开展研究。欧洲 委员会成功的组织了n e x u s ( n e t w o r ko fe x c e l l e n c e i nm u l t i f u n c t i o n a l m i c r o s y s t e m s ) 计划，其旗下组织了3 0 0 个企业、大学和研究机构。1 9 9 6 年到1 9 9 7 年欧洲资助了1 8 个m e m s 领域的r & d 项目，经费为2 5 m e c u 3 1 。 我国在进入9 0 年代以后，在国家自然科学基金、8 6 3 高技术计划、攀登计划 等一系列高技术及基础研究基金的资助下，在微机器人领域开展了不少卓有成效 的研究，在微马达、微移动机构等方面取得了一系列成果，为我国今后的微机器 人研究奠定了坚实的基础。 微型机器人的应用领域正在不断扩大。有些微型系统己进入实用阶段，但从 总体上来说，大多数微型系统还处于实验室样机研制和开发阶段，尚未形成成熟 的实用化产品。有些机器人还不能算是“微型”而只能算是“小型”系统。但这 些系统正在不断地向微型化进展，目前研究的小型系统在几年后就有可能变成微 型系统。国际上，微型机器人研究主要集中在以下领域： 医疗：【1 3 1 医用微型机器人的研究正在不断取得进展。法国在1 9 9 5 年已研制 出直径1 厘米，长3 厘米的机器人。其一端备有可更换的头部装置，可安装照明 电源，切割头、电视头等。从口腔进入人体后，医生在体外通过无线电对其进行 跟踪和控制。机器人可在胃肠道特定部位施放药物，观看病灶情况。甚至可以用 3 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 丝线套住、结扎小肿瘤并将其切除。日本东京大学的心脏专家1 w a of u o i m a s a 领 导的小组正致力于制造直径小于l r n m 的微型机器人，可以在血管与脏器中穿行、 定位及治疗疾病组织。德国已成功研制了能够潜入人体血管中的微型机器人；加 拿大也已研制成功用于神经细胞操作的遥控微驱动机器人，它可以在l m m 狭小 空间内工作，但功能还不尽完善。 考古：微型机器人在考古方面已进入了实用阶段，在研究地下墓穴和金字塔 墓室开发中己发挥了很大的作用。机器人通过墓壁上钻出的小孔进入墓穴内，通 过该孔还可插入为机器人提供照明的光纤。机器人装备有摄像机和各种传感器、 机械手，可以采集穴内气体、墓品、尸骨等样品。在实验室对这些样品分析后， 基本上可以了解墓穴的年代和墓穴内文物价值，然后再制定出开挖方案。对于没 有开挖价值的不再开挖。对于价值极高，但目前开挖不利的可以重新封闭墓穴， 以备今后开挖。这种方式防止了破坏式开挖对文物造成的不可挽回的损失，同时 在开挖前就已做到心中有数。 1 4 1 1 1 5 】 处理核污染：在处理核电站事故时，小型机器人身背各种传感器，通过裂缝、 管道等进入发生事故的核电站内部，寻找辐射源，了解事故发生的情况。机器人 通过无线电遥控或是通过光导纤维控制，可提供核电站内的温度、压力、辐射强 度等各方面的信息及通过摄像机提供内部的画面，还可以利用其机械臂控制开 关、转动手柄等，进行一些必要的操作和进行一系列维护修理工作。 航天：1 1 6 在火星着陆的星际探测机器人s o j o u r n e r 比第一代月球车要小得多。 s o j o u r n e r 长6 0 厘米，高度和宽度都是3 0 厘米，太阳电池板的面积只有0 2 2 平 方米，其车轮的直径为1 3 厘米，s o j o u r n e r 上装有三台摄像机、7 0 个传感器、一 台计算机、发动机以及各种其他分析仪器。美国喷气推进实验室j p l 正在研制重 量在1 0 1 0 0 公斤的微型卫星。a e r o s p a c e c o r p o r a t i o n 公司也在开展这方面的研究， 其研制的微型卫星只有1 0 厘米高。微型卫星可以在完成同样功能的前提下大大 降低卫星的成本和发射费用，使各国都将有可能大批量地生产和发射。 军用：【1 7 】【1 8 】美国军方认为军用微型机器人的发展将有可能改变本世纪的战 场。美国m o r t o r l a 和l u c a s 等公司每年投入1 2 亿美元( 其他国家投资2 5 亿 美元) 研究军用微型机器人。机动式的军用微型机器人装备有太阳能电池板和计 4 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 算机从而可以按照预定程序接近敌方阵地与敌人同归于尽。机动机器人中还有小 如蝴蝶的飞行器。它们可以装备红外摄像机，报回敌军部署，也可以在数公里之 外就嗅出敌方坦克车发出的柴油味而对它们发动攻击。另外，大小如鱼的装有自 动驾驶仪的微型潜艇也可以航行数十公里，潜入敌方军港并用吸盆吸附在军舰壳 体上，在特定的时刻炸毁军舰和港口。 3 微小机器人工作面临的问题 上述机器人在工作的时候不可避免的要遇到供能的问题，一般传统的机器 人采用由缆线输入电能，当机器人移动时，缆线与地面的摩擦力成为阻碍机器人 运动的阻力之一。当机器人体积较大时，相应的驱动力也较大，缆线摩擦造成的 阻力可以忽略不计，但当机器人的体积缩小时，驱动器体积也随之减小，【1 9 【2 0 】 驱动力输出也随之减小，在微小机器人的体积量级上，驱动力输出很小，移动时 供能电线的摩擦力和驱动力往往为同一数量级，此时缆线的摩擦力成为最大的阻 力，机器人的运动将无法实现。 现有自主机器人的通用解决方法是携带电池，但同样存在一些问题，最主 要的是电池的容量和体积有关，随着体积的缩小容量减小，机器人的可运动时间 也随之减小，机器人的活动范围无法满足实际工作的需要。因此人们不停寻找新 的方法来解决这个问题。 4 可能的解决方法和研究方向 通过微波来传输能量有着悠久的历史，1 8 9 9 年在美国科罗拉多，n i k o l a t e s l a 作了第一个无线能量传输的实验【2 ”，他使用一个直径为3 英尺的铜球，树 立在一根高2 0 0 英尺的直杆上，采用1 5 0 k h z 的微波和3 0 0 k w 的输入，获得了高 达i o o m v 的输出。到十九世纪三十年代早期，h v n o b l e 在西屋实验室进行了另 一个尝试，他使用相距2 5 英尺的双偶极子天线，接收频率为i o o m h z ，虽然没有 采用任何的聚焦措施，但也得到了几百瓦的传输功率。 1 9 2 1 年和1 9 3 9 年分别研制出微波磁控管和速调管技术，它们不仅能产生或 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 算机从而可以按照预定程序接近敌方阵地与敌人同归于尽。机动机器人中还有小 如蝴蝶的飞行器。它们可以装备红外摄像机，报回敌军部署，也可以在数公里之 外就嗅出敌方坦克车发出的柴油味而对它们发动攻击。另外，大小如鱼的装有自 动驾驶仪的微型潜艇也可以航行数十公里，潜入敌方军港并用吸盆吸附在军舰壳 体上，在特定的时刻炸毁军舰和港口。 3 微小机器人工作面临的问题 上述机器人在工作的时候不可避免的要遇到供能的问题，一般传统的机器 人采用由缆线输入电能，当机器人移动时，缆线与地面的摩擦力成为阻碍机器人 运动的阻力之一。当机器人体积较大时，相应的驱动力也较大，缆线摩擦造成的 阻力可以忽略不计，但当机器人的体积缩小时，驱动器体积也随之减小，【1 9 【2 0 】 驱动力输出也随之减小，在微小机器人的体积量级上，驱动力输出很小，移动时 供能电线的摩擦力和驱动力往往为同一数量级，此时缆线的摩擦力成为最大的阻 力，机器人的运动将无法实现。 现有自主机器人的通用解决方法是携带电池，但同样存在一些问题，最主 要的是电池的容量和体积有关，随着体积的缩小容量减小，机器人的可运动时间 也随之减小，机器人的活动范围无法满足实际工作的需要。因此人们不停寻找新 的方法来解决这个问题。 4 可能的解决方法和研究方向 通过微波来传输能量有着悠久的历史，1 8 9 9 年在美国科罗拉多，n i k o l a t e s l a 作了第一个无线能量传输的实验【2 ”，他使用一个直径为3 英尺的铜球，树 立在一根高2 0 0 英尺的直杆上，采用1 5 0 k h z 的微波和3 0 0 k w 的输入，获得了高 达i o o m v 的输出。到十九世纪三十年代早期，h v n o b l e 在西屋实验室进行了另 一个尝试，他使用相距2 5 英尺的双偶极子天线，接收频率为i o o m h z ，虽然没有 采用任何的聚焦措施，但也得到了几百瓦的传输功率。 1 9 2 1 年和1 9 3 9 年分别研制出微波磁控管和速调管技术，它们不仅能产生或 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 算机从而可以按照预定程序接近敌方阵地与敌人同归于尽。机动机器人中还有小 如蝴蝶的飞行器。它们可以装备红外摄像机，报回敌军部署，也可以在数公里之 外就嗅出敌方坦克车发出的柴油味而对它们发动攻击。另外，大小如鱼的装有自 动驾驶仪的微型潜艇也可以航行数十公里，潜入敌方军港并用吸盆吸附在军舰壳 体上，在特定的时刻炸毁军舰和港口。 3 微小机器人工作面临的问题 上述机器人在工作的时候不可避免的要遇到供能的问题，一般传统的机器 人采用由缆线输入电能，当机器人移动时，缆线与地面的摩擦力成为阻碍机器人 运动的阻力之一。当机器人体积较大时，相应的驱动力也较大，缆线摩擦造成的 阻力可以忽略不计，但当机器人的体积缩小时，驱动器体积也随之减小，【1 9 【2 0 】 驱动力输出也随之减小，在微小机器人的体积量级上，驱动力输出很小，移动时 供能电线的摩擦力和驱动力往往为同一数量级，此时缆线的摩擦力成为最大的阻 力，机器人的运动将无法实现。 现有自主机器人的通用解决方法是携带电池，但同样存在一些问题，最主 要的是电池的容量和体积有关，随着体积的缩小容量减小，机器人的可运动时间 也随之减小，机器人的活动范围无法满足实际工作的需要。因此人们不停寻找新 的方法来解决这个问题。 4 可能的解决方法和研究方向 通过微波来传输能量有着悠久的历史，1 8 9 9 年在美国科罗拉多，n i k o l a t e s l a 作了第一个无线能量传输的实验【2 ”，他使用一个直径为3 英尺的铜球，树 立在一根高2 0 0 英尺的直杆上，采用1 5 0 k h z 的微波和3 0 0 k w 的输入，获得了高 达i o o m v 的输出。到十九世纪三十年代早期，h v n o b l e 在西屋实验室进行了另 一个尝试，他使用相距2 5 英尺的双偶极子天线，接收频率为i o o m h z ，虽然没有 采用任何的聚焦措施，但也得到了几百瓦的传输功率。 1 9 2 1 年和1 9 3 9 年分别研制出微波磁控管和速调管技术，它们不仅能产生或 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 放大微波信号，而且是两种微波功率源，它们的出现对微波换能技术起到了很大 的促进作用，。此外二战期间雷达技术的发展也对这方面有所促进。 1 9 6 4 年，第一个微波能量转换的自主移动体，一架微波能量驱动直升机在 美国研制成功，它可以持续飞行十小时，飞行高度为五十英尺【2 ”。在此以后，空 间卫星太阳能技术的发展对微波能量转换技术起到了很大的推进作用2 3 】【2 4 】，利 用太阳能发电的宇宙空间站计划，即高能微波传输计划，已经在理论上进行了研 究，并建立了专门的刊物“s p a c es o l a rp o w e rr e v i e w ”，美国宇航局n a s a 曾提 出试验电站方案，按照此方案，空间天线阵列直径l 公里，空间天线由7 0 0 0 个 小天线点阵构成，每个点阵1 0 0 平方米( 相当于半径5 6 米的圆) ，使用2 4 5 g h z 的的微波，1 0 万只调速管，每只管子功率7 0 千瓦，效率8 0 ，地面天线直径为 1 0 公里，空间与地面天线间的转换效率为7 0 ，地面每个微波管的效率为9 0 ， 该方案的支持者认为，第一个宇宙电站投入使用收回成本后，电价可以降低一半。 微波能量转换技术开始受到人们的重视后，人们开始在在其他方面做一些尝试， 如微波飞机，微波飞艇1 2 7 】，和转化微波能量用到的转换板。在开放空间做 这些研究时，一般都采用2 4 5 g h z 的微波。 从上述描述可以知道，利用微波实现能量传输已有一定的实践基础，同时 它的传播具有空间各向同性，所以在任何位置都能获得能量。微小机器人经常需 要在通常在管道或窄缝等特殊环境内活动，微波能量在这类环境中又有一定的汇 聚作用，如果采用高效率的换能元件，可以获得的定的能量。本文尝试从微波 换能角度着手，探讨这一途径对微小机器人供能的可能性。 5 本文的主要研究内容和内容安排 论文的第二章中，介绍了微波传输线的基本理论，这是后面几章继续讨论的 基础，。 第三章对波导进行了详细的探讨，由于机器人可能工作的环境大部分是管 道，对波导的深入理解有助于更好的模拟真实环境。 第四章研究了微带技术，并介绍了微带天线作为机器人的接受天线，微带天 6 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 放大微波信号，而且是两种微波功率源，它们的出现对微波换能技术起到了很大 的促进作用，。此外二战期间雷达技术的发展也对这方面有所促进。 1 9 6 4 年，第一个微波能量转换的自主移动体，一架微波能量驱动直升机在 美国研制成功，它可以持续飞行十小时，飞行高度为五十英尺【2 ”。在此以后，空 间卫星太阳能技术的发展对微波能量转换技术起到了很大的推进作用2 3 】【2 4 】，利 用太阳能发电的宇宙空间站计划，即高能微波传输计划，已经在理论上进行了研 究，并建立了专门的刊物“s p a c es o l a rp o w e rr e v i e w ”，美国宇航局n a s a 曾提 出试验电站方案，按照此方案，空间天线阵列直径l 公里，空间天线由7 0 0 0 个 小天线点阵构成，每个点阵1 0 0 平方米( 相当于半径5 6 米的圆) ，使用2 4 5 g h z 的的微波，1 0 万只调速管，每只管子功率7 0 千瓦，效率8 0 ，地面天线直径为 1 0 公里，空间与地面天线间的转换效率为7 0 ，地面每个微波管的效率为9 0 ， 该方案的支持者认为，第一个宇宙电站投入使用收回成本后，电价可以降低一半。 微波能量转换技术开始受到人们的重视后，人们开始在在其他方面做一些尝试， 如微波飞机，微波飞艇1 2 7 】，和转化微波能量用到的转换板。在开放空间做 这些研究时，一般都采用2 4 5 g h z 的微波。 从上述描述可以知道，利用微波实现能量传输已有一定的实践基础，同时 它的传播具有空间各向同性，所以在任何位置都能获得能量。微小机器人经常需 要在通常在管道或窄缝等特殊环境内活动，微波能量在这类环境中又有一定的汇 聚作用，如果采用高效率的换能元件，可以获得的定的能量。本文尝试从微波 换能角度着手，探讨这一途径对微小机器人供能的可能性。 5 本文的主要研究内容和内容安排 论文的第二章中，介绍了微波传输线的基本理论，这是后面几章继续讨论的 基础，。 第三章对波导进行了详细的探讨，由于机器人可能工作的环境大部分是管 道，对波导的深入理解有助于更好的模拟真实环境。 第四章研究了微带技术，并介绍了微带天线作为机器人的接受天线，微带天 6 第一章绪论 上海交通大学硕士学位论文 线具有体积小，重量轻，方向性好等优点。 第五章根据前述的原理，设计了机器人移动体和能量转换部分的电路，选择 了驱动电机，制作了天线，并以一段波导模拟机器人的工作环境。在这些基础上 做了一些实验， 在第六章的结束语中，探讨了进步研究方向。 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 1 微波技术简介 ( 1 ) 微波的概念 二微波的基本知识及传输方程 微波是一种频率极高的电磁波。至今为止，微波的频率范围并没有十分严 格的统一规定。通常将频率大约从3 0 0 m h z 到3 0 0 0 h z 的电磁波划分为微波频段。 根据电磁波的频率f 、波长 和它在真空中的传播速度c 之间的关系f 凡= c 我们可以知道微波波长范围大致从l 米到1 毫米左右。按照波长又可将微波波段 粗略划分为分米波、厘米波、毫米波。在微波工程中则将微波波段划分得非常细。 微波之所以被称之微波是指其波长比普通长、中、短波无线电波的波长更微小的 意思 微波波长比普通无线电波的波长短得多，频率高得多，这种量变引起的电 磁波的设置，从而使微波具有一系列有别于普通无线电波的特点。同时微波的波 长与可见光相比则长得多，相应的频率要低得多。因此它与光波又不尽相同。再 者，微波的理论基础、应用领域、研究方法以及它采用的传输系统、元件部件和 测量装置等等都与其他波段不同。总之，微波有它自身的特点，这是统一的电磁 波谱和在这一频段的特殊性，也是将微波波段单独划分出来进行专门研究的科学 根据。 在微波工程上习惯将常用的波段分别以拉丁字母做代号，如表2 一l 所示 表2 一l常用微波波段代号及其标称波长 波段代号 lscx k ukq r 标称波长( c m ) 5 0 2 31 05 53 221 0 2 50 8 2 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 1 微波技术简介 ( 1 ) 微波的概念 二微波的基本知识及传输方程 微波是一种频率极高的电磁波。至今为止，微波的频率范围并没有十分严 格的统一规定。通常将频率大约从3 0 0 m h z 到3 0 0 0 h z 的电磁波划分为微波频段。 根据电磁波的频率f 、波长 和它在真空中的传播速度c 之间的关系f 凡= c 我们可以知道微波波长范围大致从l 米到1 毫米左右。按照波长又可将微波波段 粗略划分为分米波、厘米波、毫米波。在微波工程中则将微波波段划分得非常细。 微波之所以被称之微波是指其波长比普通长、中、短波无线电波的波长更微小的 意思 微波波长比普通无线电波的波长短得多，频率高得多，这种量变引起的电 磁波的设置，从而使微波具有一系列有别于普通无线电波的特点。同时微波的波 长与可见光相比则长得多，相应的频率要低得多。因此它与光波又不尽相同。再 者，微波的理论基础、应用领域、研究方法以及它采用的传输系统、元件部件和 测量装置等等都与其他波段不同。总之，微波有它自身的特点，这是统一的电磁 波谱和在这一频段的特殊性，也是将微波波段单独划分出来进行专门研究的科学 根据。 在微波工程上习惯将常用的波段分别以拉丁字母做代号，如表2 一l 所示 表2 一l常用微波波段代号及其标称波长 波段代号 lscx k ukq r 标称波长( c m ) 5 0 2 31 05 53 221 0 2 50 8 2 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 微波的基本特点 纵观整个电磁波谱，从零频率( 直流) 到市电频率( 5 0 h z ) ，从市电频率到广播 频率，从广播频率到微波频率，从微波频率到光频。随着频率的增长，每阶段都 带来性质上大或小的变化。特定的频段有特殊的性质，而总体上又是统一的电磁 本质的表现。电磁场方程适用于整个频谱，因此，电磁波谱各部分既有性质上的 差异，也存在统一、联系的方面，只不过在频率较低时一些被认为是次要的甚至 可以忽略的现象到微波则变成主要的，不可忽略的现象( 如渡越时间效应、趋肤 效应，天线效应等等) 。与低频无线电波相比，微波具有以下几个基本特点。 频率高 微波的振荡频率在每秒三亿次以上。比低频无线电波振荡频率高几个数量 级。正因为如此，一些在低频段并不显著的效应在微波波段则明显的表现出来。 电子惯性：电子是有质量的，有质量就有惯性。例如在普通栅控电子管中， 电子在极间飞越的时间( 渡越时间) 通常为l o “秒的数量级，比普通无线电波的 振荡周期小的多，可以忽略不计。但这个渡越时间与微波振荡周期相比就决不可 忽略。 对延效应：电磁波是以光速传播的，因此它从电路的一端传到另一端需要 一定的时间，这就是“时延效应”。在简谐振荡情况下，时延表现为电路中的各 点具有不同的相位。 趋肤效应：在微波情况下，高频电流仅仅沿着导线外表的薄层通过。流过 高频电流的导线截面面积与低频相比大大减小，因而导线电阻大大增加，表现出 很大的能量衰减。因此低频传输线不能用于微波传输。 辐射效应：当一条传输线的长度可以同工作波长相比时，它将如同一个小 天线，显著的辐射电磁能量。在微波领域，所采用的传输线、微波元件和测试设 备的线度与其工作波长相比具有相同的数量级，因而存在显著辐射，且频率越高 辐射越强烈损耗越大，在微波应用中必须采用分布参数元件。 波长短 由于微波的波长比一般的宏观物体的线度更短，因此当微波照射到这些物 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 体上时将产生显著的发射，微波的传播特性与几何光学相似，因此可以设计出体 积小方向性尖锐的天线系统，实现信号的接收。 量子特性 电磁波具有波一粒二相性。由量子理论可知，电磁辐射能量不是连续的， 而是由一个个“能量子”组成，而每个能量子具有与其频率成正比的能量e = h f ， 式中h = 6 6 2 6 x1 0 _ 3 4 焦耳秒，称为普朗克( p l a n c k ) 常数。f 是工作频率。在 低频时能量很小，量子特性并不显著。在微波波段，量子能量的大致范围是1 0 1 0 。电子伏。因此在低功率电平下，微波量子特性变得显著。此时微波与物质相 互作用时，量子效应就不能忽视。 ( 3 ) 微波的应用 目前微波技术在世界上有着极广泛的应用，遍及军事国防、科学研究、工 农业生产甚至日常生活等各个领域。其主要用途如下： 雷达 微波技术的典型应用首推雷达。微波的早期发展就同雷达紧密地交织在一 起。人类历史上第一批雷达样机诞生在第二次世界大战前夕，那时，所谓微波工 程实际上就是雷达工程的同义词。对雷达高分辨率能力的要求大大的刺激了微波 的发展。时至今日，多种现代雷达依然主要工作在微波波段。这主要是由于微波 束具有较尖锐的方向性，而且测量精度较高、设备体积小、操纵灵活便捷。本世 纪六十年代中期以后微带技术和微波固体电路的异军突起，使雷达的小型化成为 可能，大大的扩展了雷达的应用领域。现代的雷达技术和微波技术息息相关。 通信 微波所占的频段很宽，比频率低于它的长波、中波、短波等波段的频带之 和( 0 1 0 9 h z ) 还要宽1 0 0 0 倍。因而信息容量很大，适用于作大容量通信的载 波，用以传输多路电话、电报、数据和图象信号。 微波能的应用 微波本身的能量也可以被应用。其最新的例子是制造微波飞机。1 9 8 8 年加 1 0 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 拿大科学家成功的研制了人类航空史上第一架不带任何燃料的飞机( ( s h a r p 5 微波直升机。飞机上的仪器接收从地面站定向发出的微波并将其转换为电能 供飞机使用，飞机发动机和推进器都由电能推动。有科学家预言，这种微波飞机 将来可能取代昂贵的通信卫星。 其它应用 由于微波可以穿过不透光的非金属介质，所以利用微波全息照相的透视特 性可以进行监视。美国阿波罗宇宙飞船用微波全息照相拍摄了月球表面浮土下的 地层情况，金星探测器拍摄了由不透光大气所包围的金星表面照片。从同步卫星 上对地球作全息照片可以及时掌握火山、冰川的活动及植被生长情况等等。 此外，由于微波的传播不受黑夜和云层的限制，所以利用微波遥感技术来 测量大气和海洋比可见光和红外线探测器优越。 2 微波传输线基本理论 ( 1 ) 概述 微波传输线是用以传输信息和能量的各种形式的传输系统的总称。其自身 的不连续性可以用来构成各种形式的微波元件。 微波传输线大致可以分为三种类型： 双导体传输线：平行双线、同轴线、带状线和微带线属于此类。因为该类传 输线传输横电磁波，故又称为t e m 波传输线。 均匀填充介质的金属波导管：矩形波导、圆波导、脊形波导和椭圆波导等属 于此类。因该类传输线传输横电波或横磁波，即传输t e 或t m 色散波，所 以又被称为色散波传输线。 介质传输线即介质波导：镜像线与介质线即属于此类。此类传输线上的电磁 波沿传输方向既有电场分量又有磁场分量，电磁波沿传输线的表面传输，故 又称为表面波传输线。 无论是哪种传输线，其作用都是引导电磁波沿一定的发行传输，因此又称 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 拿大科学家成功的研制了人类航空史上第一架不带任何燃料的飞机( ( s h a r p 5 微波直升机。飞机上的仪器接收从地面站定向发出的微波并将其转换为电能 供飞机使用，飞机发动机和推进器都由电能推动。有科学家预言，这种微波飞机 将来可能取代昂贵的通信卫星。 其它应用 由于微波可以穿过不透光的非金属介质，所以利用微波全息照相的透视特 性可以进行监视。美国阿波罗宇宙飞船用微波全息照相拍摄了月球表面浮土下的 地层情况，金星探测器拍摄了由不透光大气所包围的金星表面照片。从同步卫星 上对地球作全息照片可以及时掌握火山、冰川的活动及植被生长情况等等。 此外，由于微波的传播不受黑夜和云层的限制，所以利用微波遥感技术来 测量大气和海洋比可见光和红外线探测器优越。 2 微波传输线基本理论 ( 1 ) 概述 微波传输线是用以传输信息和能量的各种形式的传输系统的总称。其自身 的不连续性可以用来构成各种形式的微波元件。 微波传输线大致可以分为三种类型： 双导体传输线：平行双线、同轴线、带状线和微带线属于此类。因为该类传 输线传输横电磁波，故又称为t e m 波传输线。 均匀填充介质的金属波导管：矩形波导、圆波导、脊形波导和椭圆波导等属 于此类。因该类传输线传输横电波或横磁波，即传输t e 或t m 色散波，所 以又被称为色散波传输线。 介质传输线即介质波导：镜像线与介质线即属于此类。此类传输线上的电磁 波沿传输方向既有电场分量又有磁场分量，电磁波沿传输线的表面传输，故 又称为表面波传输线。 无论是哪种传输线，其作用都是引导电磁波沿一定的发行传输，因此又称 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 拿大科学家成功的研制了人类航空史上第一架不带任何燃料的飞机( ( s h a r p 5 微波直升机。飞机上的仪器接收从地面站定向发出的微波并将其转换为电能 供飞机使用，飞机发动机和推进器都由电能推动。有科学家预言，这种微波飞机 将来可能取代昂贵的通信卫星。 其它应用 由于微波可以穿过不透光的非金属介质，所以利用微波全息照相的透视特 性可以进行监视。美国阿波罗宇宙飞船用微波全息照相拍摄了月球表面浮土下的 地层情况，金星探测器拍摄了由不透光大气所包围的金星表面照片。从同步卫星 上对地球作全息照片可以及时掌握火山、冰川的活动及植被生长情况等等。 此外，由于微波的传播不受黑夜和云层的限制，所以利用微波遥感技术来 测量大气和海洋比可见光和红外线探测器优越。 2 微波传输线基本理论 ( 1 ) 概述 微波传输线是用以传输信息和能量的各种形式的传输系统的总称。其自身 的不连续性可以用来构成各种形式的微波元件。 微波传输线大致可以分为三种类型： 双导体传输线：平行双线、同轴线、带状线和微带线属于此类。因为该类传 输线传输横电磁波，故又称为t e m 波传输线。 均匀填充介质的金属波导管：矩形波导、圆波导、脊形波导和椭圆波导等属 于此类。因该类传输线传输横电波或横磁波，即传输t e 或t m 色散波，所 以又被称为色散波传输线。 介质传输线即介质波导：镜像线与介质线即属于此类。此类传输线上的电磁 波沿传输方向既有电场分量又有磁场分量，电磁波沿传输线的表面传输，故 又称为表面波传输线。 无论是哪种传输线，其作用都是引导电磁波沿一定的发行传输，因此又称 第二章微波的基本知识及传输方程 上海交通大学硕士学位论文 导波系统。其引导的电磁波即称为导行波。而导行波的传输则受到导体和介质边 界条件的限