据uasvsion网站2022年1月14日刊文，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（UAV）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）。

　　该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2.45GHz、5.8GHz天线，常用的高频天线为24GHz、35GHz和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公里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和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和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公里。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9~18 dBm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3.1 V。此外，两部天线的优化尺寸分别为108平方米和90平方米。