摘要
无线能量传输，不仅是一个美好的科学遐想，也将给这个能源紧张，迫切需要新的供能方式的世界带来巨大技术变革。宏大到空间太阳能电站这样的超级工程，细微到组成万物互联的数以亿计的无线传感器，都亟待无线能量传输技术，作为一种破坏式创新，以打破现有的技术范式，实现新的可能。当前，感应式和磁耦合谐振式的无线传能技术已经在消费级电子产品市场与汽车无线充电领域占得一席之地。但是该技术工作距离有限，难以满足中远距离应用场景的实际需求。辐射式的无线传能技术具备远距离工作的能力，但在其实用化进程中也面临诸多挑战。微波收发天线口径与传输效率的矛盾首当其冲，如何在有限口径条件下提升微波传能效率是一个关键问题。其次，基于传统金属材料的天线不具备可见光透射特性，因而对于卫星或室内等空间紧张的应用场景，实现天线的透明化是极具价值的设计方案。再者，对于低微功率应用场景，如何在天线小型化前提下，同时实现宽带多频，宽角全向的高效环境能量收集与定向无线功率传输;而对于大功率应用场景，如何基于半导体材料的突破解决整流的功率容量与宽功率匹配问题。本文中我们将对上述问题进行深入研究探索: 1.提出基于反射超表面的具有多馈源多焦点、不等功率分配特性的近场聚焦无线传能设计方法。基于标量衍射场理论分析了近场聚焦的电磁特性，推演了基于反射型超表面的多源多焦相位补偿计算方法。设计了具备双极化独立调控特性的交叉偶极子结构反射超表面单元，并基于此设计了一款X波段单馈源双焦点反射超表面，通过近场扫描测试验证其多目标不等功率分配特性并对聚焦性能展开分析。设计了一款工作于5.8GHz和10GHz的双频反射超表面，以同时产生准无衍射的零阶贝塞尔波束和近场聚焦波束，比较两种近场调控波束在无线传能应用中的性能差异。最后，设计搭建了一套5.8GHz，10米距离的无线传能收发系统，包括一套1.2m×1.2m口径的聚焦反射超表面发射端，以及50mm×50mm的小型化能量收集整流终端。经过系统测试，聚焦性能准确高效，成功点亮十米距离外一盏小灯，实测射频收集功率与全波仿真结果高度吻合，达89％，有望为诸多无线充电特殊应用场景提供解决方案。 2.提出了基于有限尺寸地板结构的天线小型化设计方法。通过引入接近半波长尺寸的地板结构的‘地板辐射模式’，连同原有的缝隙耦合贴片谐振模式，在天线小型化基础上实现了多模谐振效应。采用寄生贴片容性加载和短路通孔感性加载技术降低了天线Q值，实现天线2GHz～4GHz宽带全向谐振，并激发一个5.8GHz的高方向性谐振。基于以上设计，提出了一种‘背靠背’结构的微带天线，提升宽带谐振的方向图全向特性，以覆盖主流通信频段和ISM频段进行无线能量收集，并实现5.8GHz谐振的双向辐射特性，用于同时实现定向无线功率传输。通过天线性能测试与无线能量收集测试，证明了该设计在无线传感器网络‘无源收集+有源充电’的能源自治方案中的应用潜力。 3.研究了基于透明金属材料ITO的透明超表面天线以及透明反射超表面的设计方法。分析实测了ITO材料透光性与导电性，验证其用于天线/超表面设计的可行性。设计了一款同时实现可见光透射和通信频段射频能量收集的透明超表面天线。采用ITO材料(1Ω/sq)替代传统金属材料刻蚀缝隙地板结构和超表面覆层，实现了50％以上的透光率，43.6％的阻抗带宽，法向增益最大为1.3dB。结合设计的宽带整流电路，在0dBm射频输入功率下获得65％的峰值整流效率。进一步地，为解决透明天线接触式馈电效率低下，难以阵列化的问题，创新地提出了一款基于ITO材料的光透明聚焦反射超表面。在保证高可见光透射率的基础上实现5.8GHz微波的高效聚焦传输。解决了使用有耗金属材料设计反射超表面的关键难题，即平衡谐振效应引起的相移特性（所需）和效率损失（应避免）。通过光透率测试、平面近场扫描测试、无线功率传输与能量收集测试，实现了60％以上的透光率，且相较于基于良导体材料设计的非透明聚焦反射超表面，具备其60％以上的电性能，验证了所设计工作的实用性和有效性。 4.研究了基于新型GaN基肖特基势垒二极管的整流技术，及其在千瓦级大功率微波无线传能系统中的应用。引入F型电路构型，设计了结构简单、效率高、具备宽功率入射特性的5.8GHz整流电路，实测在2W输入功率可实现近70％的整流效率，达到二极管整流的公开报道的国内最高水平。以十六合一的微带贴片天线阵作为一个独立工作的射频接收单元，设计组成了一个8×8的整流天线阵列。单路整流天线可以正常工作的输入功率范围是0.5W～6W，其中1W到4W区间内实测整流效率均高于50％。引入分区分子阵思想，进行直流合成网络设计，采用‘并联-串联-串联’的多级级联方式以优化合直效率。最后，搭建了二十米距离、发射功率千瓦级的5.8GHz微波无线传能收发系统。实测接收射频功率合计172W，各路整流效率均达到50～60％，直流合成后总输出功率63.2W，验证了基于GaN整流技术的大功率、远距离微波无线传能系统的实用性和先进性。
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