【微波无线输电研究历史与现状文献综述2400字】

微波无线输电研究历史与现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u81871.1.1MPT技术的研究历史与现状 327231.1.2F类功率放大器的研究现状 4电能是人们日常生活中不可缺少的能源形式，在众多能源中占据主导地位。有线电能传输是目前应用最为广泛的电能传输形式。然而，随着社会的发展以及人们的生活需求越来越高，有线传输方式的缺点越来越无法忽视：大量的电线和插线板的使用使生活变得杂乱；接触式供电损坏率高，也会使用电不安全。而如何为植入人体内的医疗设备长期供电也是一个重大难题。且在矿山、石油勘探等特殊情况下，传统的输电方式存在安全隐患；孤岛和山顶基站也很难通过架设电线来实现配电。因此，摆脱导线束缚，实现无线能量传输是目前的发展重点。图1.1太阳能卫星电站的概念图除此之外，目前世界能源面临日益枯竭的问题。然而人类对能源的需求却在逐渐增长，能源问题逐渐成为人们亟待解决的难题之一，因此新能源开始备受关注。其中太阳能的合理利用可以有效解决此类问题，而无线输电(WirelessPowerTransmission,WPT)技术可以通过太阳能电站在太空中收集太阳能，并将其传输到地球，太阳能卫星电站如图1.1所示。因此，对WPT技术的研究需求越来越迫切[1]。到目前为止，WPT技术可分为：短距离无线输电包括电磁场耦合式和超声波式传输，以及远距离无线输电包括激光式传输(LaserPowerTransmission,LPT)和微波式传输。图1.2展示了远程WPT技术的常见电路结构。LPT的结构图如图1.2(a)所示，由激光发射端和接收端组成，以激光作为电能的载体。LPT有传输距离远、方向性好等优势[2]，因此可以为无人机等设备进行供电[3]。但是由于激光器和光伏电池的电光转换效率不高，导致整个系统的效率偏低；并且，由于激光无法穿透云雨雾，受自然环境的因素影响大，所以其应用场合很是受限[4]。MPT技术通过微波承载能量实现无线能量传输，电路结构与LPT技术相似，其结构如图1.2(b)所示，微波在空间的传输过程受云雨雾等环境因素影响小，因此比LPT的应用场合广阔，并且传输效率也高于LPT。我国很多地区地处偏远交通不便，配电网络无法覆盖，而MPT技术正好能够改善此类问题[5]。(a)LPT电路结构(b)MPT电路结构图1.2远距离WPT技术电路结构综上所述，在如今的社会环境和人们发展需求下，WPT比传统的有线输电具有更多不可替代的优势。电磁场耦合式只能用于极短距离的传输；超声波式适用于短距离和小功率的能量传输；激光式和微波式则适合远距离大功率能量传输，其中MPT受环境影响较小，在远距离甚至太空中的大功率传输都占很大优势。但MPT技术仍有需要解决的问题，例如：如何实现更远更大功率的传输以及提高系统以及各环节的效率等。发射端作为MPT系统至关重要的部分，其效率和功率对整个系统十分关键。因此本文针对发射端功率放大器进行设计研究。MPT技术的研究历史与现状WPT的思想最早由赫兹于1864年率先提出。1891年，特斯拉首次实验验证了无线能量传输技术[6]，如图1.4所示。图1.4首次无线电能传输实验此后，WPT技术开始得到广泛的研究。许多研究者相继关注WPT技术，但受器件材料限制，发射端输出功率很低，且微波波束无法高度集中，因此前期的WPT实验很难进行。1930年代末，器件材料得到了迅速发展，极大地促进了MPT技术的发展。二战期间，调速管和磁控管迅速发展，促进了MPT技术的快速发展。20世纪50年代末，微波电子管放大器被研制出来，MPT研究的重点转向了高海拔远距离的能量传输。1964年，Spencer实验室完成了悬停直升机10小时的实验[7]，向人们首次展示了MPT技术的可能性。由于全球能源短缺，Glaser博士于1968年提出空间太阳能的概念以缓解能源危机[8]。并于1974年完成了工作于2.446GHz频率的MPT系统的实验。接收端能够输出495W，系统效率达54.18%[9]，是目前MPT系统中最高的系统效率[10]。MPT历史上另一个里程碑是1975年由Goldstone实验创造，实现了工作频率为2.388GHz、传输距离为1英里的MPT，其接收功率高达30kW[6]。日本于1983年率先使用2.45GHz频率的微波为航天器提供能量。此后，日本在MPT领域一直处于领先地位[11]。1993年，日本的ISY-METS项目首次在太空完成低功率的MPT实验[12]。2008年，A&M大学成功实现目前MPT最长的传输距离[13]，传输距离为148kM。国内对MPT技术的研究相对较晚。最早是林为干院士在1994年提出[14]。2005年，上海大学利用MPT技术成功为一台机器人供电[15]。四川大学领跑国内MPT技术，其于2009年实现了国内首个MPT实验：工作频率5.8GHz，发射功率600W，传输距离200m。2013年，四川大学完成了公里级MPT系统，实现了千瓦级送电，系统效率达到5.71%[16]，是目前国内最先进的MPT系统。我国MPT技术尚在发展阶段，与国际水平还存在很多差距。F类功率放大器的研究现状射频功率放大器有很多种类型。随着WPT技术的日益普及，功放模块在整个系统中的重要性越来越明显，在WPT系统中不可或缺。但目前功放的各项指标还不能同时达到一个很高的水平，因此还需要对功率放大器进行更深层次的研究。不同的WPT技术有不同的设计要求，因此设计方法也不同，所设计的功率放大器的优缺点也不同。而射频功放由于其自身的特点，造成上述指标之间相互制约，很难完全兼容，一般功率放大器也只能达到其中的一两项指标，所有指标几乎不可能同时达到最好的状态，所以在功放设计时要根据实际情况来确定指标。参考文献[1]StrassnerB,ChangK.MicrowavePowerTransmission:HistoricalMilestonesandSystemComponents[J].ProceedingsoftheIEEE,2013,101(6):1379-1396.[2]周玮阳.激光无线电能传输系统关键技术研究[D].南京航空航天大学,2018.[3]BeckerDE,ChiangR,KeysCC,etal.Photovoltaic-ConcentratorBasedPowerBeamingForSpaceElevatorApplication[J].AmericanInstituteofPhysics,2010:271-281.[4]李巍,吴凌远,王伟平.激光无线能量传输研究进展[J].激光与光电子学进展,2018,55(002):73-82.[5]马海虹,徐辉,栗曦,孙琳琳.一种高效率微波无线能量传输系统[J].空间电子技术,2016,13(01):1-5.[6]BrownWC.Thehistoryofpowertransmissionbyradiowaves[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1984,32(9):1230-1242.[7]GeorgeRH,SabbaghEM.AnefficientmeansofconvertingmicrowaveenergytoDCusingsemiconductordiodes[J].ProceedingsoftheIEEE,1963,11(3):530-530.[8]GavanJ,TapuchiS.Microwavewireless-powertransmissiontohigh-altitude-platformsystems[J].UrsiRadioenceBulletin,2017,83(3):25-42.[9]BrownWC.Satellitepowerstations:anewsourceofenergy?[J].IEEESpectrum,1973,10(3):38-47.[10]DickinsonRM,BrownWC.Radiatedmicrowavepowertransmissionsystemefficiencymeasurements[J].NasaSti/reconTechnicalReportN,1975,75.[11]ShinoharaN,MatsumotoH.AstudyofdependenceofDCoutputofrectennaarrayonthemethodofinter-connectionofitsarrayelement[J].TransactionsInstituteofElectricalEngineersofJapanB,1997,117(9):1254-1261.[12]KayaN,KojimaH,MatsumotoH,etal.ISY-METSrocketexperimentformicrowaveenergytransmission[J].ActaAstronautica,1994,34(none):43-46.[13]CharaniaA.PositioningSpaceSolarPower(SSP)asthenextlogicalstepaftertheInternationalSpaceStation(ISS)[J].JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,2001,97(5):3300-3300.[14]林为干,赵愉深.微波输电,现代化建设的生力军[J].科技导报,1994,12(3):31-34.[15]徐君书.中小功率的整流天线技术研究[D].上海大学,2005.[16]刘长军,李凯,黄卡玛.微波输能技术研究进展[C].全国微波能应用学术会议,2011:19-2