徐君書，邵 雯，魏 雯

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 電子與通信工程系，江蘇 蘇州 215104)

金屬管道探測無纜微機器人無線供電系統(tǒng)的設計

徐君書，邵 雯，魏 雯

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 電子與通信工程系，江蘇 蘇州 215104)

設計一個金屬管道中無纜探測微機器人微波供電系統(tǒng)，系統(tǒng)利用微波在圓波導中的傳輸基本原理，解決微波在工業(yè)不銹鋼管道(直徑20 mm)傳輸中的極化和能量傳輸?shù)牟环€(wěn)定性問題.管道中微機器人供電單元——整流天線接收微波能量并轉換成直流作為其電源，接收天線采用圓極化微帶貼片天線，整流電路采用倍壓電路以提高輸出功率，最終試驗測得在24.5 dBm輸入功率下 (直流負載為300 Ω)，整流輸出86.8 mW直流功率，能夠保證機器人驅動電機正常工作.

管道探測微機器人；無線輸能；整流天線

微波輸能(microwave power transmission，MPT)技術是將微波能量從發(fā)射端經過自由空間發(fā)送到接收端的能量傳輸技術.1964年，美國學者W.C.Brown完成了微波驅動直升機的實驗，四年后美國學者Glaser提出了利用電磁波接收裝置將太陽能轉換成電能的太空太陽能衛(wèi)星的概念[1]，這兩個方面的應用極大地推動了世界各國對微波輸能技術的研究和進展[2-4].1995年日本科學家首先提出了微波輸能技術可應用于工業(yè)管道無損檢測微機器人無線供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)是針對核電廠、化工廠、發(fā)電廠等工業(yè)細小金屬管道的損傷或管道中的障礙物探測等特殊用途而開發(fā)研制的微機器人應用系統(tǒng).由電機驅動的金屬管道內作業(yè)微機器人能源供給方式目前有兩種：有纜供電和無纜供電.對于有纜供電，若微機器人在管道內作業(yè)的距離過長或經過彎道時，供電線纜與管壁的摩擦力增大，此摩擦力會超過微機器人的牽引力而影響其正常作業(yè).對于無纜供電，微機器人一是攜帶電池，因電池的電容量有限，將限制微機器人的作業(yè)距離；二是裝配燃油發(fā)電機組，而管道深處氧氣不足會造成燃油發(fā)電機組?；?，所以，這兩種無纜供電方式均有較大弊端而難以實際應用，這些金屬工業(yè)管道基本上都是圓形管道，對于微波相當于傳輸?shù)膱A波導，因此，用微波能為微機器人供電是解決有纜供電和無纜供電方式的有效途徑.

本文設計一個金屬管道中無纜探測微機器人微波供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用微波在圓波導中的傳輸基本原理，解決了微波在工業(yè)不銹鋼管道(直徑20 mm)傳輸中的極化和能量傳輸?shù)牟环€(wěn)定性問題.

金屬管道微機器人微波供電系統(tǒng)包括微波激勵裝置和微波能接收裝置——整流天線，微波激勵裝置將微波信號放大后傳輸至金屬管道，管道中作業(yè)的微機器人后端安裝整流天線，整流天線將傳輸?shù)酱说奈⒉芰拷邮詹⒄鞒芍绷麟姽┪C器人工作.管道微機器人微波供電系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 管道微機器人微波供電系統(tǒng)

1 微波激勵裝置

圖2是微波激勵裝置原理圖.10 GHz的微波信號由微波固態(tài)源發(fā)出，為了保證傳輸?shù)焦艿乐械奈C器人整流天線處的微波能量為一恒定值，此處添加了一個電控衰減器，以微機器人在管道作業(yè)時的爬行速度、爬行時間、爬行距離為變量，使控制電路輸出一個指數(shù)波形控制電調衰減器調節(jié)微波信號幅度，從而解決了微波傳輸?shù)秸魈炀€處的能量穩(wěn)定性問題.微波信號再經功率放大器放大到瓦級功率電平，此處定向耦合器連接一微波功率計以便實時監(jiān)測此處微波功率值，放大后微波信號再經波導-同軸轉換器、矩-圓波導過渡器和過渡接頭與不銹鋼管道相對接.本文使用直徑為20 mm的不銹鋼管道，選用TE11模單模作為金屬管道圓波導的傳輸模式，能夠提高微波傳輸效率，較好地解決微波在管道傳輸過程中的極化旋轉問題.當工作頻率為10 GHz時，根據(jù)不銹鋼管道的參數(shù)理論，計算得到了其傳輸損耗為1.1 dB/m，通過實驗測得其傳輸損耗為1.3 dB/m，兩者比較接近，因此，此微波激勵裝置可很好地用作微波能量傳輸線向微機器人供電[5].

圖2 激勵裝置原理圖

2 能量接收裝置——整流天線

整流天線由接收天線和整流電路組成，是微波輸能系統(tǒng)的一個關鍵部分，也是當前微波輸能的一個關鍵技術，微波能量由其接收并整流轉換成直流電.整流天線基本結構如圖3所示.整流天線中的匹配網絡1(常用低通濾波器)的功能是實現(xiàn)天線和整流二極管之間的阻抗匹配并濾除高次諧波分量，以防止高次諧波傳輸至整流二極管影響其整流效率，匹配網絡2(通常設計成一個直通濾波器)的作用是濾除整流二極管微波整流后的高次諧波，從而提高整流電路的整流效率.整流天線設計的難點是實現(xiàn)接收天線、整流二極管、直流負載間的阻抗匹配，這就需要得到整流二極管的大信號參數(shù)，從而設計實現(xiàn)整流天線的最高微波-整流的轉換效率.

圖3 整流天線基本結構

2.1 接收天線設計

微帶貼片天線體積小，耦合饋電易于與整流電路集成安裝，且易實現(xiàn)圓極化等優(yōu)點，本文選用了圓極化微帶貼片天線作為接收天線，圖4為單饋點切角圓極化貼片天線形式.當工作頻率為10 GHz時，微波介質板的參數(shù)εr=2.78，h=0.8 mm，使用Ansoft三維電磁結構仿真軟件HFSS，對不銹鋼管道中的圓極化微帶貼片天線進行了優(yōu)化仿真設計，最終得到貼片邊長為8.2 mm，切角為1.8 mm.圖5是微帶天線在不銹鋼管道中的HFSS電磁仿真S11回波損耗曲線，在10 GHz回波損耗有-25 dB.圖6是管道中微帶天線圓極化特性軸比的電磁仿真曲線，可見其軸比小于3，達到了圓極化天線的條件.為了進一步確定微帶天線在不銹鋼管道中的圓極化特性，利用矢量網絡分析儀，測試了微帶天線在管道中按不同方位旋轉時的回波損耗S11.管道中的微帶貼片天線圓極化測試系統(tǒng)如圖7所示，微帶天線直接安裝在微機器人后端，微機器人在管道中旋轉0°，45°，90°，180°時測得的回波損耗曲線如圖8至圖11所示，其S11分別對應為-21 dB，-18 dB，-19 dB，-17 dB，可見微帶天線在管道中做旋轉運動時其反射系數(shù)變化很小，驗證了此微帶天線在不銹鋼管道中的圓極化性能.

圖4 不銹鋼管道中的圓極化貼片天線

圖5 不銹鋼管道中的微帶天線S11仿真曲線

圖6 頻率為10 GHz的Axial Radio與Theta的關系曲線

圖7 不銹鋼管道內微帶天線測量系統(tǒng)

圖8 微帶天線在管道中0°時的S11

圖9 微帶天線在管道中45°時的S11

圖10 微帶天線在管道中90°時的S11

圖11 微帶天線在管道中180°時的S11

2.2 整流電路設計

整流天線的設計除了盡可能地提高整流效率外，還有一個重要性能是要輸出足夠大的功率電平，即整流電路的飽和功率要足夠大，以保證微機器人的驅動電機正常工作.設計的整流電路如圖12所示，微帶電路前端是低通濾波器，后端的功分器為一分四路，這樣可使用4個HSMS-8202二極管組成倍壓電路，能夠更有效地提高輸出功率，電容C是濾除微波高次諧波的濾波電容，圖13是此整流電路的S參數(shù)仿真曲線，仿真時左端輸入端的端口阻抗設置為50 Ω，右端4個端口每個端口阻抗都設置成HSMS-8202二極管輸入阻抗的共軛阻抗，即52+j57 Ω(利用Ansoft仿真軟件Harmonic對HSMS-8202二極管參數(shù)仿真優(yōu)化，得到直流負載為300 Ω，輸入功率為100 mW時二極管整流效率最高，此時其輸入阻抗為52-j57 Ω).圖14是整流電路隨輸入功率變化的整流效率測試曲線，微機器人工作電機作為直流負載(約為300 Ω)，可以看出隨著輸入功率的增大，整流電路的整流效率一直在不斷增大，但由于二極管耐壓能力所限，所以輸入功率不能太高(4個整流電路總的飽和功率為75×4=300 mW).圖15是輸入功率為280 mW時，直流負載與整流效率的關系曲線，可以看出，在300 Ω 附近整流效率最大，為45.4%.最后，整流電路接入圓極化微帶天線后測得整個整流天線的輸出功率是86.8 mW(工業(yè)不銹鋼管道長度為1 m，微波輸入到管道中的功率為24.5 dBm，機器人驅動電機的直流負載為300 Ω)，機器人的驅動電機能夠正常工作，整流天線的整流效率為31%.

圖12 倍壓整流電路

圖13 阻抗匹配網絡的S參數(shù)仿真曲線

圖14 輸入功率與整流效率的關系曲線

圖15 直流負載與整流效率的關系曲線

3 結論

為不銹鋼管道無纜探測微機器人設計的微波供電系統(tǒng)，包括不銹鋼管道微波激勵裝置和管道內微波能量接收裝置(整流天線).在微波源激勵裝置設計中，較好地解決了微波耦合進不銹鋼管道和微波在不銹鋼管道傳輸過程中的極化旋轉以及能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性問題.實驗測得結果，工業(yè)不銹鋼管道的傳輸損耗為1.3 dB/m，與理論計算結果1.1 dB/m數(shù)值比較吻合，證明此微波源激勵裝置的有效性.利用三維電磁仿真軟件HFSS設計的管道內微帶圓極化貼片天線，通過微帶天線在不銹鋼管道中多個旋轉角度回波損耗的測試，驗證了微帶天線在管道中良好的圓極化性能；整流電路采用了一分四的微帶倍壓電路，充分發(fā)揮了HP HSMS-8202二極管的整流性能，最終獲得整個整流天線的RF-DC轉換效率為31%，總輸出直流功率達到了微機器人驅動電機正常工作的要求.

[1]Brown W C.The history of power transmission by radio waves[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1984，32(9)：1230-1242.

[2]Mcspadden J O，Yoo T，Chang K.Theoretical and experimental investigation of rectenna element for microwave power transmission[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1992，40(12)：2359-2366.

[3]Yoo T，Chang K.Theoretical and experimental development of 10 GHz and 35 GHz rectennas[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1992，40(6)：1259-1266.

[4]Mcspadden J O.Design and experiments of a high-conversion-efficiency 5.8 GHz rectenna[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，1998，46(12)：2053-2059.

[5]徐長龍，徐君書，徐得名. 管道探測微機器人微波輸能系統(tǒng)激勵裝置[J]. 上海大學學報，2000(10)：403-406.

(責任編輯：沈鳳英)

Microwave Energy Supply System for Industrial In-metal-pipe Inspection Micromachine

XU Jun-shu，SHAO Wen，WEI Wen
(Department of Electrionics and Tele-communication Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China)

This paper designs a microwave energy supply system for in-metal-pipe inspection micromachines. Based on the theory of microwave transmission in circular waveguide，this system solves the problems of the pipes polarization and microwave power transmission in stability.As the power supply unit for micromachine，the rectenna receives microwave power and converts it to DC.A circularly polarized microstrip patch antenna is used as the receiving antenna.In order to improve output power，the circuit applies four doubler circuits as its rectifying circuit.With an input power level of 24.5 dBm，the end testing output power is 86.8 mW(300 Ω)，and this power enables the micromachine to work well.

in-pipe inspect micromachine；wireless power transmission；rectenna

TN011

A

1008-5475(2014)03-0026-05

2014-05-25；

2014-06-20

徐君書(1974-)，男，山東濰坊人，講師，博士，主要從事微波輸能、移動通信終端天線技術研究.