论文标题：Optimal Design of Aperture Illuminations for Microwave Power Transmission with Annular Collection Areas

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.07.016

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微波无线能量传输（MPT）是一种将能量以微波形式从发电点传输到至少一个接收点的能量传输方法。自首次被提出以来，MPT就引起广泛关注，原因是该方法消除了传输能量所需的基础设施。MPT的潜在应用场景包括为无人机供电、给电动汽车充电、双星之间进行能量传输、为物联网设备提供能量，以及为前沿作战基地提供能量。值得注意的是，对于MPT来说，可用的天线设计方法通常集中在优化设计圆形或方形的点波束。然而，也存在一些特殊情况，需要形成一个环形波束。

西安电子科技大学段宝岩院士团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Optimal Design of Aperture Illuminations for Microwave Power Transmission with Annular Collection Areas”（具有环形接收区域的微波无线能量传输发射天线口径场分布设计方法）的研究论文，提出了一种具有环形接收区域的微波无线能量传输发射天线口径场分布设计方法。该设计的目标是使辐射到环形接收区域上的微波功率与总传输功率的比值最大化。通过将口径场幅度分布表示为一组特殊级数的求和，可将该最优设计问题简化为寻找两个实二次型的最大比值。基于矩阵论，可通过确定最大特征值及其对应的特征向量来解决该优化问题。为满足安全要求，将接收区域外的峰值辐射电平视为额外约束。为解决该约束优化问题，提出了将灰狼优化算法和Nelder-Mead单纯形法结合的混合优化方法。

值得注意的是，研究团队通过连续口径场分布的数值仿真验证了所提方法的有效性。在仿真中，首先优化了天线的口径场分布，以使得辐射到环形接收区域上的微波功率与总传输功率的比值最大化。结果显示，优化后的设计能够在满足安全要求的同时，实现了较高的波束收集效率（BCE）。这证明了优化模型在提高系统能量利用效率方面的有效性。其次，为了进一步验证优化结果的实用性，使用了离散阵列天线进行实验。这些天线的单元被假设为各向同性的点源。通过这种方式，验证了连续口径场分布优化结果的适用性，结果表明，离散阵列天线能够有效模拟连续口径天线的性能，优化的阵列配置同样达到了高的BCE，从而验证了优化设计的适用性和效果。

研究团队使用了微带贴片阵列进一步验证了优化方法的有效性。微带贴片阵列通常具有更精确的控制和更高的频率应用，是实际应用中常见的天线类型。通过在这种阵列上实施相同的优化策略，结果显示该方法同样适用于更复杂的实际应用场景，能够在保持高BCE的同时，满足更严格的安全和性能要求。总的来说，这些数值实验不仅证实了所提出的优化方法在理论上的有效性，还通过实际应用展示了其在实际工程中的可行性和效果，这对于设计高效能的微波无线能量传输系统具有重要的指导意义。

引用信息：Xun Li, Baoyan Duan, Yiqun Zhang, Yongxin Guo. Optimal Design of Aperture Illuminations for Microwave Power Transmission with Annular Collection Areas [J]. Engineering, 2023, 30(11): 63-74.

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原文链接：https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2023.07.016

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