據(jù)uasvsion網(wǎng)站2022年1月14日刊文，在最近發(fā)表于《能源》雜志的一份研究報(bào)告中，加拿大蒙特利爾理工學(xué)院和舍布魯克大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)為22千瓦無(wú)人機(jī)（UAV）開發(fā)了一種基于35GHz微波頻率的低成本、緊湊型無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)（WPTS）。
該WPTS系統(tǒng)的發(fā)射和接收組件的優(yōu)化尺寸分別為108平方米和90平方米。線性極化矩形微帶貼片天線陣具有高增益（13.4dBi）、高指向性（14dBi）和高效率（85%）等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，其射頻（RF）矩形天線（rectenna）系統(tǒng)在9~18dBm射頻輸入范圍和3.5V直流輸出電壓限制條件下，能量轉(zhuǎn)換效率為80%。
無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)（WPTS）是一種成本效益較高的長(zhǎng)航時(shí)電動(dòng)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域研究課題。目前，采用微波功率傳輸系統(tǒng)（MPTS）的電動(dòng)無(wú)人機(jī)已達(dá)到高達(dá)95%的能源使用效率，而基于汽油能源的飛機(jī)能源使用效率僅為18%～23%。此外，由于采用MPTS系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)沒(méi)有任何機(jī)載儲(chǔ)能系統(tǒng)要求，這些電動(dòng)無(wú)人機(jī)的重量更輕，運(yùn)行更安靜，系統(tǒng)也更可靠。
無(wú)線MPTS系統(tǒng)（WMPTS）由兩部分組件組成，即發(fā)射天線（Tx）和接收天線或矩形天線（Rx），其機(jī)制為Tx使用微波振蕩器（磁控管或速調(diào)管/klystron）將直流電轉(zhuǎn)換為微波功率，以高斯波束成形方式向Rx自由輻射，然后再重新轉(zhuǎn)換為直流電壓。
同時(shí)，為了增加矩形天線端的功率增益，WMPTS系統(tǒng)往往采用不同的矩形天線設(shè)計(jì)，如平面螺旋天線、偶極子天線、微帶貼片和共面貼片天線等。另外，為了彌補(bǔ)單一天線低增益缺陷，系統(tǒng)在高頻/毫米波頻段內(nèi)使用了微天線陣。常用的毫米波天線為2.45GHz、5.8GHz天線，常用的高頻天線為24GHz、35GHz和94GHz天線。對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸需求來(lái)說(shuō)，高頻天線可有效縮減尺寸、降低成本和減少功率損耗。
在本項(xiàng)研究案例中，研究團(tuán)隊(duì)為無(wú)人機(jī)22千瓦電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建了WMPTS系統(tǒng)。系統(tǒng)包括光伏陣列，負(fù)責(zé)采集160千瓦太陽(yáng)能，功率密度1000瓦/平方米，可產(chǎn)生40千瓦直流電，轉(zhuǎn)換效率為25%。隨后，直流電被轉(zhuǎn)換為微波，功率為32千瓦，在微帶貼片Tx中的轉(zhuǎn)換效率為80%。考慮到大氣傳輸引起的功率損耗、矩形天線端的轉(zhuǎn)換效率和10公里有效傳輸距離等限制條件，能夠?yàn)?2千瓦無(wú)人機(jī)傳輸32千瓦微波能量，傳輸平穩(wěn)且無(wú)間斷。
研究團(tuán)隊(duì)還基于兩部天線的功率傳輸和接收能力測(cè)量了Tx和Rx的優(yōu)化尺寸。對(duì)于32千瓦發(fā)射功率Tx來(lái)說(shuō)，所需功率密度為300瓦/平方米，組件面積為108平方米；對(duì)于27千瓦接收功率Rx來(lái)說(shuō)，組件面積為90平方米。矩形天線由一部天線、一個(gè)電壓倍增用二極管、一個(gè)匹配電路和一個(gè)連接電路末端的1500歐姆直流電采集電阻組成。
結(jié)合WMPTS系統(tǒng)微波功率傳輸框圖可以發(fā)現(xiàn)，4x2貼片Tx天線陣表面電流是線性極化的，反射系數(shù)值為-33dB，適合在35GHz頻率下進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功率傳輸。由Tx天線陣的輻射模式可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)主瓣的能量最大，增益和指向性最高。微帶貼片Tx天線陣在0度時(shí)的增益和指向性分別為13.4dBi和14dBi，旁瓣增益小于-11dBi。
在高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS）諧波平衡（HB）分析模擬器中，以10dBm的射頻輸入功率/35GHz頻率進(jìn)行的整流非線性電路仿真顯示，當(dāng)3.1V電壓通過(guò)1500歐姆電阻時(shí)，最大輸出直流功率為0.0065瓦。此外，隨頻率變化，整流電路的阻抗匹配到50歐姆電阻上。采用阻抗匹配（IM）技術(shù)的整流天線在19dBm時(shí)的最大射頻-直流轉(zhuǎn)換效率為82%，采用IM技術(shù)后，在9~18dBm的射頻輸入功率范圍內(nèi)，射頻-直流轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上。
加拿大研發(fā)團(tuán)隊(duì)在本項(xiàng)研究中，為22千瓦電動(dòng)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)了35GHz頻段WMPTS關(guān)鍵架構(gòu)，運(yùn)行范圍可達(dá)10公里。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將160千瓦太陽(yáng)能光伏陣列、容量32千瓦的微帶貼片Tx天線和最大電阻為1500歐姆的電壓倍增用二極管Rx整流器進(jìn)行了集成。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，在9~18 dBm射頻輸入范圍內(nèi)，該系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)80%，直流輸出電壓為3.1 V。此外，兩部天線的優(yōu)化尺寸分別為108平方米和90平方米。
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