使用微带天线进行近距离能量传递

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.06.025 第25卷第6期 北京科技大学学报 VoL.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 使用微带天线进行近距离能量传递 张雪松朱超甫顾颐 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要针对传统供能装置的缺点，提出了一种传递能量方式一一使用微带天线传递能量， 设计了用于监测系统传递能量的微带天线，并对微带天线对进行了实验研究，对其传输衰减 和天线的效率及匹配条件进行了分析.实验结果和分析表明：在近距离、小功率的情况下，使 用微带天线传递能量的方法是可行的 关键词徽带天线：无线传能：监测系统：扭矩 分类号TN822*.4 在现代冶金工业生产中，轧辊及一些重要的 作：天线介质基片的介电常数范围较宽，具有吸 传动轴的运行状况直接关系到产品质量和设备 热特性、机械特性及低损耗角正切特性等，微带 安全，对大直径的轴类零件来说扭矩的监测是十 天线已广泛运用于通讯、雷达等电子领域，近年 分必要的.实际的生产过程中，要在轴类零件处 来随着对微带天线研究的深入，其应用领域也在 于旋转状态下有效地检测出扭矩信号就会遇到 不断地扩大，本文利用了微带天线结构上的一些 一系列的问题，主要有：如何在旋转状态下将电 独特的特点将其用于小功率能量的传输上. 源输送到轴上的监测系统上：监测系统的输出信 号如何传输出来；如何对监测信号进行有效的处 1微带天线的设计 理以获取相关的信息. 小功率能量传输系统应用的微带天线采用 本文提出一种新的方案一采用微带天线 矩形天线一同轴馈线，其结构示意如图1， 来传输能量以解决传统的电源输入方法如集流 环传输、旋转变压器传输和光电池传输等的能量 微带贴片 传输不稳定问题.微带天线传输能量法在频率选 择上使用了微波波段，充分利用了微波的穿透能 同轴探针（馈电点） 介质基片 力强、抗干扰能力强和对恶劣环境的适应能力强 等特性，在维护上也很方便， 微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953 年提出"，最早的微带天线是在20世纪70年代初 期由Howell和Munson在敷铜或敷金的介质基片 图1微带天线结构示意图 光刻技术发展的基础上提出较理想的理论模型 Fig.1 Sketch map of the structure of a microstrip antenna 后研制成功的.与通常的微波天线相比，微带天 线的优点是：具有质量轻、体积小、剖面薄的平面 介质基板选取材质为聚四氟乙烯类基片相 结构，可以做成共形天线：制造成本低，易于大量 对界电系数e=2.65,基板厚度h=1.5mm.微带单 生产；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制 元宽度W影响着微带天线的方向性函数、辐射电 阻及输入阻抗，从而也就影响着辐射效率.W的 收稿日期2003-02-10 张雪松男，32岁，博士研究生 选取原则为：

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 使用微带天线进行近距离能量传递 张 雪 松 朱超 甫 顾 颐 北 京科技大 学机械 工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 针 对 传 统 供 能装 置 的缺 点 ， 提 出 了 一 种 传 递 能量 方式— 使用 微 带 天 线传递 能量 设 计 了用 于 监 测 系统传 递 能量 的微 带 天 线 ， 并对 微 带天 线对 进 行 了实验 研 究 ， 对 其 传 输衰减 和 天线 的效率及 匹 配 条件 进 行 了分 析 实验 结果 和 分 析 表 明 在 近 距 离 、 小 功率 的情况 下 ， 使 用 微 带天 线 传 递 能量 的方 法 是 可 行 的 关键 词 微 带天 线 无 线传 能 监 测 系统 扭 矩 分 类号 在 现代 冶 金 工 业 生 产 中 ， 轧 辊 及 一 些 重 要 的 传 动 轴 的运 行 状 况 直 接 关 系 到 产 品质 量 和 设 备 安全 ， 对 大直径 的轴类 零件来说扭 矩 的监 测 是十 分 必 要 的 实 际 的 生产 过 程 中 ， 要 在 轴类 零件 处 于 旋 转状 态 下 有 效 地 检 测 出扭 矩 信 号就 会 遇 到 一 系 列 的 问题 ， 主 要 有 如 何 在 旋转 状 态 下 将 电 源 输送 到轴 上 的监 测 系统 上 监 测 系 统 的输 出信 号如 何传输 出来 如 何对 监测 信 号进行 有 效 的处 理 以获取 相 关 的信 息 本 文 提 出一 种 新 的 方 案 — 采 用 微 带 天 线 来传 输 能量 以解 决 传 统 的 电源 输 入 方 法 如 集 流 环传 输 、 旋 转 变压器 传 输和 光 电池 传输等 的能量 传输 不稳 定 问题 微带 天线传 输 能量 法 在 频 率选 择 上 使用 了微 波波段 ， 充 分利 用 了微 波 的穿透 能 力 强 、 抗干 扰 能 力 强和 对 恶 劣 环 境 的适应 能力强 等特 性 ， 在 维 护 上 也很 方 便 微 带辐 射 器 的概 念 首先 由 于 年提 出 ‘ ， 最 早 的微 带天线 是在 世 纪 年代初 期 由 和 在 敷 铜 或 敷 金 的介 质 基 片 光 刻 技 术 发 展 的 基 础 上 提 出较 理 想 的理 论 模 型 后研 制 成 功 的 口， 与通 常 的微 波 天线 相 比 ， 微 带天 线 的优 点是 具有质量 轻 、 体积 小 、 剖 面薄 的平 面 结构 ， 可 以做 成共 形天 线 制造 成 本低 ， 易于 大量 生 产 馈 线和 匹 配 网络 可 以和 天 线 结 构 同 时制 作 天 线 介 质 基 片 的介 电常 数 范 围较 宽 ， 具有 吸 热 特 性 、 机 械 特 性及 低 损 耗 角 正 切 特 性 等 微 带 天 线 已 广 泛 运 用 于通 讯 、 雷 达 等 电子领 域 ， 近 年 来 随着 对 微 带 天 线研 究 的深 入 ， 其 应 用 领 域 也在 不 断地扩 大 本 文 利用 了微 带天 线 结构 上 的一 些 独特 的特 点将其 用 于 小 功 率 能量 的传 输上 微 带 天 线 的 设 计 小 功 率 能 量 传 输 系 统 应 用 的微 带 天 线 采用 矩 形 天 线 一 同轴馈 线 ， 其 结 构 示 意 如 图 微带贴片 同轴探针 馈电点 介质基片 图 微 带 天 线 结 构 示 意 图 ， ， 收稿 日期 一 一 张 雪松 男 ， 岁 ， 博 士 研 究 生 介 质 基 板 选 取 材 质 为 聚 四 氟 乙 烯 类 基 片 相 对 界 电系数尽 ， 基 板 厚度 微 带单 元 宽度 不影 响着微 带 天 线 的方 向性 函数 、 辐 射 电 阻及 输 入 阻抗 ， 从而 也 就 影 响着辐 射 效 率 砰的 选 取 原 则 为 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2003．06．025

◆588 北京科技大学学报 2003年第6期 m时 Ψ=(1-S1)1-Sa)-SS (5) (1) 式中，Z,Z2分别代表端口1,2的自阻抗，Z2,Z:为 式中，c是光速，f是谐振频率. 端口1,2间的互阻抗.S,S2,S,S2分别为相应的散 确定微带天线单元的长度L: 射系数 L=0.5-2△L (2) 其中，入介质内被长，。4为有效相对介电 Zu-Zu Z-Z2-12 常数 基板尺寸的确定： Vi Zea LG=L+0.21,WG=W40.21g (3) 天线采用同轴线背馈式馈电方式，输入阻抗 为R=500.背馈位置点X的估算：心=60，X= 图3二端口网络图 Fig.3 Two-ports network c0s√其中为侧境时的箱入电阻，为 任意两个天线系统可看做一个二端口网络. 介质中的波长. 对任意一个二端口网络，存在一个匹配条件.称 微带天线的品质因素， 一个二端口网络是匹配的，若它在端口1一1'和2 (4) -2'接有适当阻抗Z,和Z,这两个阻抗必须同时 120a序 满足下面两个条件： 式中，.=佩a, 3.4Vg-1 12, (1)端口2-2'接Z(Z的复共轭)时，从端口 Q,=品，i为损耗角，为波长，0,0,0分别为 1-1'计算的阻抗是Z,(见图4(a). (2)端口1-1'接Z(Z,的复共轭)时，从端口 辐射、介质和导体损耗的品质因数， 2-2计算的阻抗是Z(见图4(b). 2实验与分析 天线放置位置为面对面的方式，一个天线为 发射天线，一个为接收天线.如图2所示 (a) 北 (b) 图2天线对的放置方式 图4网络匹配图 Fig.2 Placement of the antenna pair Fig.4 Sketch maps of network matching 检测使用的仪器为：HP8753A网络分析仪. 在匹配条件下的功率互易定理：流入端口1 当两个天线的距离较近时，在传递的能量中包括 -1'的功率与端口2-2'的端接负载Z吸收功率之 了辐射能和耦合能，在近场区耦合能占优势，在 比等于流入端口2-2'的功率与端口1-1I'的端接 远场区则主要是辐射能，在近场区时由于两个天 负载石的吸收功率之比，即会-会P人分别 线的场相互影响，它们之间的关系很难用解析的 是流入端口1-1'和负载Z所吸收的功率，P,P 方法表示出来，所以通过实验来确定其耦合系数 分别是端口1-1'的端接负载乙所吸收的功率和 (散射系数). 流入端口2-2的功率， 将该天线对视为一个二端口网络，其等效T 系统的天线对是完全对称的，网络分析仪的 形电路图如图3所示， Z=z0+S0,s,Za=z2空， 阻抗是502，天线输入阻抗的设计亦为502，所 以本实验系统是匹配的，本文主要是定性地考察 a=z2￥，Za=z-SXs, 一下在这种耦合情况下的衰减，也就是从一个天 线耦合到另一个天线的效率，在近距离的情况

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 砰一 剥钊 一 ‘ 式 中 ， 是光 速 子 是 谐 振 频 率 确 定微 带 天 线 单 元 的长 度 又一 △ 尹 一 一 一 式 中 ， 乙 ，乙 分 别 代表 端 口 ， 的 自阻抗 。 ，乙 ， 为 端 口 ， 间 的互 阻抗 凡 ，凡 ，丛 ，凡 分别 为相 应 的散 射 系数 其 中 ， 又 介 质 内波 长 ， 又 常 数 又不 ’ 。 为有 效相 对 介 电 基 板 尺 寸 的确 定 从 ， 矶 砰十 双 天 线采 用 同轴 线 背 馈 式馈 电方 式 ， 为 ， 背 馈 位 置 点 的估 算 招 二 人 一 乙 ，一 乙 乙 一 乙 一 几 万尸不尸不 输 入 阻抗 呱 砰 ’ “ 枷 一 周 ， 其 中 “ 侧 馈 时 的输 入 电 阻 ， 。 为 介 质 中 的波 长 微 带 天 线 的 品质 因 素 ， 式 中 ， 。 一 告 告 告 、 、 ” 片 ‘ 匕 氏 卜 兀 一万一一 ， 甘州 火 几 少 创 份一 不攀下 件、 乙一 一 几。 一 ， 。 ， 。 一 命 ， 。 为 损 耗 角 ， 标 为 波 长 ， ， 。 ， 分 别 为 辐 射 、 介 质 和 导体 损 耗 的 品质 因数 图 二 端 口 网 络 图 · 切。 一 任 意两 个 天 线 系 统 可 看 做 一 个 二 端 口 网络 对 任 意 一 个 二 端 口 网络 ， 存 在 一 个 匹 配 条 件 称 一 个 二 端 口 网 络 是 匹 配 的 ， 若 它 在 端 口 一 和 一 ，接 有适 当 阻抗乙 ，和殊 ， 这 两 个 阻抗 必 须 同时 满 足 下 面 两 个 条 件 端 口 一 ，接殊 乙 的 复共扼 时 ， 从 端 口 一 ’计 算 的 阻抗 是乙 见 图 端 口 一 ’接乙 ， 的复 共 扼 时 ， 从 端 口 一 ’ 计 算 的 阻 抗 是 见 图 实验 与 分 析 天 线放 置 位 置 为面 对 面 的方 式 ， 一 个 天 线 为 发射 天 线 ， 一 个 为接 收 天 线 如 图 所 示 几引 一 日 湘旧 日 图 天 线 对 的放置 方 式 图 网络 匹 配 图 幻民 检 测 使 用 的仪 器 为 网络 分 析 仪 当两 个 天 线 的距 离较 近 时 ， 在传 递 的能量 中包 括 了辐 射 能和 祸 合 能 ， 在 近 场 区祸合 能 占优 势 ， 在 远 场 区 则 主 要 是辐 射 能 在近场 区 时 由于 两个 天 线 的场 相 互 影 响 ， 它 们 之 间 的关 系很 难 用 解 析 的 方 法 表 示 出来 ， 所 以通 过 实验 来 确 定其 祸 合 系 数 散 射 系 数 将 该 天 线 对 视 为 一 个 二 端 口 网络 ， 其 等 效 形 电路 图如 图 所 示 十习 ， 一 ， ，凡 、 ， 乙 生二二上些之玉一矛“ 乙 一 ， 乙 二 乙井澎么 ， 曰 ，， 少 ’ ， 少 ’ ， ， 及 ， ， 一 沉 凡 乙 乙上半上 ， 乙 竺一巴巴今斋 一 ， ‘ ， 尹 ’ ‘ 名 尹 在 匹配 条件 下 的功 率 互 易 定 理 流 入 端 口 一 ’ 的功 率 与端 口 一’ 的端 接 负载殊 吸 收功 率之 比 等 于 流 入 端 口 一 ， 的功 率 与 端 口 一 ’ 的端 接 一 、 。 一 ， ， 、 ， 尸 八 、 ， ， 、 。 二 负载式 、 的吸 收 功 率 之 比 ， 即七匕 二 丫 一 ， 尸场乃 、 夕火 分 别 初咧 ， 目 ’ 认 认 叨 中 ’ 协 凡 ’ ‘ ’ ” ‘ 夕 尹 切 是流 入 端 口 一 ’ 和 负载殊 所 吸 收 的功率 ， 尸、 乃 、 分 别 是 端 口 一 的端 接 负载乙 ，所 吸 收 的功 率 和 流 入 端 口 一 ，的功 率 系统 的天 线 对 是 完全 对 称 的 ， 网络 分 析 仪 的 阻 抗 是 ， 天 线 输 入 阻抗 的设 计 亦 为 ， 所 以本 实验 系 统 是 匹配 的 本文 主 要 是 定 性地 考察 一 下在 这 种 祸合 情 况 下 的衰减 ， 也就 是 从 一个 天 线 祸 合 到 另一 个 天 线 的效 率 在 近 距 离 的情 况

Vol.25 No.6 张雪松等：使用微带天线进行近距离能量传递 ·589· 下，会引起一定程度的失配，但这里暂不考虑这 Yw是在y=0和y=L处辐射壁导纳，即 种影响功率衰减系数L-,P,为翰入 1 X=GRC.=6号&.=0168告 h。, 端口上的入射功率，P为输出端口上的出射功率 C.-C. (即负载吸收功率).用对数表示该功率比为功率 &-e+LG-1+10h]片 衰减（简称衰减），4=10lg=10lg(dB) 2 1+w 2 ÷-04126湖25 +0.262 实验结果如图5所示在近距离的情况下，天 线传输功率的衰减不大，但随着距离的增加衰减 +0.813 h 0 (a) 由以上公式计算出在1~10GHz之间的效率 5 如图6.由图可见，对于天线本身的效率，是随着 频率的上升而快速上升的，当f=10GHz时，效 -10 率就达90%，所以适当提高频率对于提高天线的 2 -15 效率是有帮助的. -201 0.9 0 0.2 0.40.6 0.8 1.0 /mm 0.8- 0.8 (b) 0.7 0.6 0.4 0.6 0.2 0.5 0 0.4 0 0.2 0.40.60.8 1.0 0 2 4681012 1/mm f/GHz 图5(a)衰减A,(b)功率衰减系数L与距离的关系 图6频率f与效率n的关系 Fig.5 Relationship between the attenuation A(a),the Fig.6 Relation of frequency to efficiency power attenuation coefficient L (b)and the distance2 3 很快增大，距离超过0.3入后功率衰减系数就低于 结论 0.5,即能量的损失较大.所以要使衰减在允许的 (1)由于天线对在能量传输过程中，衰减随着 范围内，要根据情况适当地减小天线对的距离. 距离的增加而增大，所以在应用中要适当的减小 根据天线的互易性，天线的发射性能与接收 距离， 性能是互易的.当两个天线相距较远时，在暂不 (2)天线的效率是随着频率的增加而增大，所 考虑微波在空气中传播时损耗的情况下天线的 以较高的频率对于提高天线本身的效率是有益 接收效率就是其发射效率.这个参数对本传能系 的，但过高的频率会增加成本，使得实现的难度 统来说也是很重要的.因为这个参数的高低对整 增大.所以综合考虑，可选择介于2~3GHz的频 个系统的效率来说是很关键的一环，它可以通过 率，不宜低于2GHz. 优化设计使其达到最佳，而微波在传播过程中的 (3)在近距离、小功率的情况下使用微带天线 损耗是很难人为干预的，所以针对天线的效率进 来传递能量的方法是可行的.虽然效率不是很 行讨论如下. 高，但由于本系统需要的能量也不是很高，且微 G G+G+G*100% (6) 带天线在安装上的共形性是其他天线不具备的， 其中，G.=R0ros2R=√岩，为导 πW 所以微带天线的这种应用将拓宽其使用领域，同 时对于向在旋转轴上的监测系统供电，将提供一 体的体电导率；G,=2 wC.tano:G,.=, 个新的实现方法. e=%,amk瓷2a0

、勺 张 雪松 等 使用 微 带 天 线进行近 距 离能量 传 递 · · 下 ， 会 引起 一 定程 度 的失配 ， 但 这 里 暂 不 考 虑 这 种 影 响 · 功 率衰 减 系 数‘ 一 刽 。 一 。 一 命 ， 。 为输 入 端 口 上 的入射 功 率 ， 八 为输 出端 口 上 的 出射 功 率 即 负载吸 收 功 率 用 对 数表 示 该 功 率 比 为 功率 衰 减 简称 衰减 ， ， “ 一 ‘ 一 ‘ 愉 · 实验 结果 如 图 所 示 在 近距 离 的情况 下 ， 天 线传 输 功 率 的衰减 不 大 ， 但 随着 距 离 的增 加 衰减 是 在 二 和 二 处 辐 射 壁 导纳 ， 即 一 ， 一 六荟 一 · ‘ 等令 ， 】 一 告 二 。 一呼 ， 。 一 。 一 粤 宁 宁 ，漂 一 气 。 。 、 ， 半 ‘ 一 、 止 凡 一 琴” · 男 “ 兴” ‘ 八 续冬冬一 一 令 ” · “ ，’ 一一一 由 以上 公 式 计 算 出在 一 之 间 的效 率 如 图 由 图可 见 ， 对 于 天 线 本 身 的效 率 ， 是 随着 频 率 的上 升 而 快 速 上 升 的 ， 当了一 时 ， 效 率就 达 ， 所 以适 当提 高频 率对 于提 高天 线 的 效 率 是有 帮助 的 ﹄兽、 一 旦妙。一 又 ︻ 一 又 二 图 衰减 ， 功 率衰减 系数 与距 离又的关 系 血 ， 又 ‘ 一‘ ‘ 二 一一 二一 一七一一 图 频 率了与效 率粉的 关 系 · 很 快 增 大 距 离超 过 几后 功 率衰 减 系数 就 低 于 ， 即能量 的损 失较 大 所 以要 使 衰 减 在 允 许 的 范 围 内 ， 要 根 据 情 况 适 当地 减 小天 线 对 的距 离 根 据 天 线 的互 易性 ， 天 线 的发射 性 能 与接收 性 能是 互 易 的 当两 个 天 线相 距 较 远 时 ， 在 暂 不 考 虑 微 波 在 空 气 中传 播 时 损 耗 的情 况 下 天 线 的 接收效率就 是其 发射 效率 这 个参 数对 本 传 能系 统来 说 也是 很 重要 的 因 为这 个 参 数 的高低 对 整 个 系统 的效 率来 说是 很 关键 的一环 ， 它 可 以通 过 优 化 设计 使 其达 到 最佳 ， 而 微波在 传 播 过程 中 的 损 耗 是很难 人 为干 预 的 ， 所 以针 对 天 线 的效 率进 行 讨 论 如 下 汁 〔 民 漂峋’ 其 中 ， 。 一 厄深粉一呼 ， 体 的体 电导率 一 如 、 。 为 导 结 论 由于 天线 对 在 能量传 输过 程 中 ， 衰减 随着 距 离 的增 加而 增 大 ， 所 以在应用 中要 适 当的减 小 距 离 天 线 的效 率 是 随着 频 率 的增加 而增 大 ， 所 以较 高 的频 率 对 于 提 高 天 线 本 身 的效 率 是 有 益 的 ， 但 过 高 的频 率 会 增 加 成 本 ， 使 得 实现 的难 度 增 大 所 以综 合 考 虑 ， 可选 择 介 于 一 的频 率 ， 不 宜 低 于 在 近 距 离 、 小功 率 的情 况 下 使用 微带 天 线 来 传 递 能量 的方 法 是 可 行 的 虽 然 效 率 不 是 很 高 ， 但 由于 本 系 统 需要 的 能量 也 不 是 很 高 ， 且 微 带 天线 在 安装 上 的共 形 性 是 其他 天线不 具备 的 所 以微 带天 线 的这 种 应 用 将 拓 宽其 使用 领域 ， 同 时对 于 向在 旋 转 轴上 的监 测 系 统 供 电 ， 将 提供 一 个 新 的实现 方法 一 黯 ， 呱 棍 ， 端 ，一 喝 ， ’ 兀 、 ， 以。 一 一不一一 石万 九 畔

·590· 北京科技大学学报 2003年第6期 参考文献 4谢处方，邱文杰.天线原理与设计M西安：西北 1 Pozar D M.Input Impedence and Mutual Coupling of Rec- 电讯工程学院出版社，1985 tangular Microstrip Antennas [J].IEEE Trans Antennas 5万伟，王季立，微波技术与天线M,西安：西北工 Propag,,1982,30:1191 业大学出版社，1986 6鲍尔IJ,布哈蒂亚P.微带天线M).北京：电子工业 2 Munson R E.Conformal microstrip antennas and micro- 出版社，1984 strip phased arrays [J].IEEE Trans Antennas Propag, 7文舸一电磁理论的新进展M个.北京：国防工业出 1974.AP-22:74 版社，1999 3魏文元，天线原理M川.北京：国防工业出版社，1985 Energy Transfer over a Close Range by Microstrip Antennas ZHANG Xuesong,ZHU Chaofu,GU Yi Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Aimed at the disadvantages of the traditional energy supply,a method to transfer energy by micro- strip antennas was proposed.The characteristics of microstrip antennas were introduced,and the microstrip antenna used in a monitoring system was designed.A experiment of the microstrip antenna was carried out.The attenuation of transmission,efficiency and matching conditions were analyzed.The results of experiments and analysis show that under the conditions of close range and low power,the method of using microstrip antennas to transfer energy is feasible. KEY WORDS microstrip antenna;wireless energy transmission;monitoring system;torque

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 参 考 文 献 ， ， 别 鳍 ， ， 一 魏 文元 天线 原理 北 京 国 防 工 业 出版 社 ， 谢 处 方 ， 邱 文杰 天线 原 理 与 设 计 【 西 安 西 北 电讯 工 程 学 院 出版社 ， 万伟 ， 王 季立 微 波 技术 与 天 线 【 西 安 西 北 工 业 大 学 出版社 ， 鲍 尔 ， 布 哈 蒂亚 微 带天 线 ， 北 京 电子 工 业 出版 社 ， 文 炯 一 电磁 理 论 的新 进 展 北 京 国防工 业 出 版 社 ， 丈 汾 口， 仔 叼向 ， 竹 ， ， ， 而 ， 耐 、 ， 、 ， ， 理方