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加拿大两所大学联合研发用于无人机的无线电力传输系统

Two Canadian Universities Jointly Developed A Wireless Power Transmission System for UAVs

作者:本站  来源:转载  浏览:173  发布时间:2022-02-02



在最近发表于《能源》杂志的一份研究报告中,加拿大蒙特利尔理工学院和舍布鲁克大学研究团队为 22 千瓦无人机开发了一种基于 35GHz 微波频率的低成本、紧凑型无线电力传输系统(WPTS)。

WPTS 系统的发射和接收组件的优化尺寸分别为 108 平方米和 90 平方米。线性极化矩形微带贴片天线阵具有高增益(13.4dBi)、高指向性(14dBi)和高效率(85%)等优势特点,其射频(RF)矩形天线(rectenna)系统在 9~18dBm 射频输入范围和 3.5V 直流输出电压限制条件下,能量转换效率为 80%

无线电力传输系统(WPTS)是一种成本效益较高的长航时电动无人机领域研究课题。目前,采用微波功率传输系统(MPTS)的电动无人机已达到高达 95% 的能源使用效率,而基于汽油能源的飞机能源使用效率仅为 18%~23%。此外,由于采用 MPTS 系统的无人机没有任何机载储能系统要求,这些电动无人机的重量更轻,运行更安静,系统也更可靠。

无线 MPTS 系统(WMPTS)由两部分组件组成,即发射天线(Tx)和接收天线或矩形天线(Rx),其机制为 Tx 使用微波振荡器(磁控管或速调管/ klystron)将直流电转换为微波功率,以高斯波束成形方式向 Rx 自由辐射,然后再重新转换为直流电压。

同时,为了增加矩形天线端的功率增益, WMPTS 系统往往采用不同的矩形天线设计,如平面螺旋天线、偶极子天线、微带贴片和共面贴片天线等。另外,为了弥补单一天线低增益缺陷,系统在高频/毫米波频段内使用了微天线阵。常用的毫米波天线为 2.45GHz5.8GHz 天线,常用的高频天线为 24GHz35GHz 94GHz 天线。对于长距离传输需求来说,高频天线可有效缩减尺寸、降低成本和减少功率损耗。

在本项研究案例中,研究团队为无人机 22 千瓦电驱动系统构建了 WMPTS 系统。系统包括光伏阵列,负责采集 160 千瓦太阳能,功率密度 1000 瓦/平方米,可产生 40 千瓦直流电,转换效率为 25%。随后,直流电被转换为微波,功率为 32 千瓦,在微带贴片 Tx 中的转换效率为 80%。考虑到大气传输引起的功率损耗、矩形天线端的转换效率和 10 千米有效传输距离等限制条件,能够为 22 千瓦无人机传输 32 千瓦微波能量,传输平稳且无间断。

研究团队还基于两部天线的功率传输和接收能力测量了 Tx Rx 的优化尺寸。对于 32 千瓦发射功率 Tx 来说,所需功率密度为 300 瓦/平方米,组件面积为 108 平方米;对于 27 千瓦接收功率 Rx 来说,组件面积为 90 平方米。矩形天线由一部天线、一个电压倍增用二极管、一个匹配电路和一个连接电路末端的 1500 欧姆直流电采集电阻组成。

结合 WMPTS 系统微波功率传输框图可以发现, 4x2 贴片 Tx 天线阵表面电流是线性极化的,反射系数值为 -33dB ,适合在 35GHz 频率下进行点对点功率传输。由 Tx 天线阵的辐射模式可以发现,通过主瓣的能量最大,增益和指向性最高。微带贴片 Tx 天线阵在 0 度时的增益和指向性分别为 13.4dBi 14dBi ,旁瓣增益小于 -11dBi

在高级设计系统(ADS)谐波平衡(HB)分析模拟器中,以10dBm的射频输入功率/ 35GHz 频率进行的整流非线性电路仿真显示,当 3.1V 电压通过1500 欧姆电阻时,最大输出直流功率为 0.0065 瓦。此外,随频率变化,整流电路的阻抗匹配到 50 欧姆电阻上。采用阻抗匹配(IM)技术的整

流天线在 19dBm 时的最大射频-直流转换效率为 82% ,采用 IM 技术后,在 9~18dBm 的射频输入功率范围内,射频-直流转换效率达到 80% 以上。

加拿大研发团队在本项研究中,为 22 千瓦电动无人机设计了 35GHz 频段 WMPTS 关键架构,运行范围可达 10 千米。研发团队将 160 千瓦太阳能光伏阵列、容量 32 千瓦的微带贴片Tx 天线和最大电阻为 1500 欧姆的电压倍增用二极管 Rx 整流器进行了集成。经试验证实,在 9~18dBm 射频输入范围内,该系统的能量转换效率超过 80% ,直流输出电压为 3.1V 。此外,两部天线的优化尺寸分别为 108 平方米和 90 平方米。

转自:加拿大两所大学联合研发用于无人机的无线电力传输系统