论文标题：Scavenging Microwave Wireless Power: A Unified Model, Rectenna Design Automation, and Cutting-Edge Techniques

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.05.019

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随着无线通信的发展，人们一直在思考“电力是否也能用无线方式传输？”。事实上，自电力得到应用以来，无线功率传输（WPT）概念就被提出。彼时，海因里希·赫兹证明了麦克斯韦理论，尼古拉·特斯拉试图扩大功率传输线圈。现代WPT研究与发展源于20世纪70年代从太空收集并向地面传输太阳能（SSP）的工程，以及20世纪80年代为高空平台（如无人机）远距离供电的研究。由于所使用的功率传输媒质主要是微波，这种技术也被称为微波WPT（MWPT）。虽然已有诸多关于感应式短距离WPT技术、长距离MWPT技术（太阳能电站）和环境微波无线能量收集（MWEH）技术的综述文章，但是针对微波无线能量接收系统建模和设计自动化的文章仍较少见。

新加坡工程院院士、新加坡国立大学教授郭永新带领的研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2023年11月刊发表了题为“Scavenging Microwave Wireless Power: A Unified Model, Rectenna Design Automation, and Cutting-Edge Techniques”（微波无线功率传输与能量收集——一体化整流模型、自动化整流天线设计及其他前沿技术）的综述性文章，回顾了MWPT和MWEH中微波能量接收系统的发展，重点介绍了整流天线设计自动化，提出了一种能精确建模高、低输入功率下整流过程的一体化模型，该模型揭示了射频-直流功率转换效率的理论极限，并使整流天线设计自动化成为可能。该设计方法依序施行，涵盖了接收系统各模块（即整流器、匹配电路、天线、直流-直流转换器）的设计自动化，降低了设计中对迭代优化的依赖。文章还探讨了将该技术应用于大型整流天线阵列的关键问题，如整流天线阵列划分、功率合成等。最后，分析了MWPT和MWEH整流天线的三种前沿技术——动态范围扩展技术、基于谐波的方向回溯技术以及无线携能通信技术。

文章指出，整流器是整流天线的关键组成部分。由于其非线性行为，精确建模整流器对于在效率、功能和成本方面优化整流天线设计至关重要。数值方法如谐波平衡（HB）方法广泛应用于整流器设计流程中；然而，使用这些方法进行整流器设计常常忽略了对整流现象的深入理解。相比之下，解析模型提供了良好的物理见解，有助于揭示电路参数和拓扑结构对关键性能指标（即转换效率、负载条件和输入阻抗）的影响，还可以揭示整流器的物理极限（如转换效率）。最重要的是，它们使MWPT/MWEH接收机的设计自动化成为可能。值得注意的是，整流器建模主要有两个方向：①时域法；②谐波展开法。时域法在时域内对整流器的输入和输出进行分析，通过傅里叶变换获得频域结果（即功率转换效率和输入阻抗）。时域法直观，可用于初步整流器设计。然而，对整流二极管的理想开关特性的假设限制了该方法在低输入功率下的精度。相比之下，谐波展开法为检波器建模而生，更适用于低输入功率下的整流器建模。

文章表明，整流天线设计方法的进步为MWPT和MWEH提供了新机遇，新型整流天线技术可进一步加强并功能化整流天线。首先，动态范围扩展技术能够在多频段或宽频带实现高效的整流器，通过堆叠工作在不同频段的子整流器来扩展频段覆盖范围。其次，基于谐波的方向回溯技术利用整流器未利用的谐波功率水平来实现发射机和接收机之间的天线错位校准，从而提高转换效率。最后，无线携能通信（SWIPT）技术是指在无线功率传输过程中同时传输能量和数据，提高系统的总体效能和应用灵活性。总之，这些技术为微波无线功率传输与能量收集系统的设计和优化提供了新的可能性和方向。

引用信息：Si-Ping Gao, Jun-Hui Ou, Xiuyin Zhang, Yongxin Guo. Scavenging Microwave Wireless Power: A Unified Model, Rectenna Design Automation, and Cutting-Edge Techniques [J]. Engineering, 2023, 30(11): 32-48.

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原文链接：https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2023.05.019

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