（贵州大学电气工程学院 贵州贵阳 550025）
摘要：随着电子设备越来越多，各种理不清的线缆给人们带来了与日俱增的困扰。科学家们找出了一种解决办法-无线充电。无线充电可以替代现有电源线，给自己的电器设备进行充电。常见的无线充电分为电磁感应、磁共振、微波充电。本文以微波充电为主要研究对象，根据微波信号的特点，设计出微波天线接收电路、降压稳压电路。为了提高系统的电能转换效率，在降压稳压电路环节采用开关降压稳压芯片MC34063进行设计。最后，采用ADS软件对微波电能接收进行仿真，采用PROTEUS对降压稳压电路进行仿真，验证了电路功能正常，为微波电能接收设备提供一套可行的方案。
关键词：微带天线；整流电路；MC34063；效率
Research on microwave wireless charging technology
ZHANG Chenxi1，LI Zetao2
（School of Electrical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou Province，China）
Abstract：With more and more electronic equipment，a variety of electronic cables to bring us a growing problem.Scientists find out a solution - wireless charging.Wireless charging can replace the existing power line，to own the electrical equipment to charge.The common wireless charging is divided into electromagnetic induction，magnetic resonance，microwave charging.Based on the microwave charge as the main research object，design a microwave antenna receiving circuit，voltage regulator circuit.In order to improve the system of the electric energy conversion efficiency，in a step-down voltage regulator circuit links the switch buck regulator chip mc34063 is designed.Finally，using ADS software of microwave power can receive simulation，using the Proteus Simulation of buck regulator circuit to verify the circuit will function normally，microwave power can provide a feasible scheme to the receiving equipment.
Key Words：Micro-strip antenna；rectifier circuit；MC34063；efficiency
1 引言
用无线的方式来传输电能已有近200年的历史，其一般是借助电磁波和电磁场进行能量传输。如今，无线充电技术发展最普遍、最成熟的是采用电磁感应技术，类似于变压器。简单来说，在发送端和接收端各有一个线圈（初级线圈、次级线圈），当在初级线圈上通一定频率的交流电时，由于电磁感应的原理，在次级线圈中便会产生相同频率的电流，从而将能量从传输端转移到了接收端。磁共振式与电磁感应式相比（也称近场谐振式）在距离上就有了一定的提高，它由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率时，其可以彼此交换能量，它可以支持数厘米到数米的无线充电，在使用上更加灵活。近些年比较流行的一种方式是无线电波式，它利用微波作为能量的传递信号，整个传输系统包括微波源、发射天线和接收天线三部分组成。通常微波的频率在300MHz～300GHz之间，波长在毫米-分米-米级别，所以微波传输能量的能力非常强大。
完整的微波供电系统包括微波发射装置和微波接收装置。在生活中，微波无处不在，但现实中的微波接收电路非常少，所以本设计重点研究微波接收电路和电压采集电路，并通过ADS软件对微波接收电路进行电路仿真，同时用PROTEUS软件对电压采集电路进行仿真。
2 微波天线电路设计
在微波供电系统中，微波天线主要由4部分构成：接收天线；输入滤波电路；整流电路；输出滤波电路。
接收天线主要的用途是将微波信号接收，并向后级传输。接收天线多采用微带天线及其阵列的形式，要求天线具有尽可能高的增益，以及易组成阵列等。本设计采用的微带天线的工作频率为2.45GHz，输入阻抗为50Ω。
3 降压稳压电路设计
虽然微波接收天线已经将高频振荡信号转变成了直流信号，但是由于高频振荡频率的波动，输出的直流信号也会随之变化。为此，本设计特采用降压稳压电路进行降压稳压。目前降压芯片主要有开关稳压电源芯片和线性稳压电源芯片两种。线性稳压芯片，例如LM7805芯片，降压效率在60%左右，而开关稳压芯片的降压效率，能达到90%。考虑到接收到的微波信号本身功率就很小，为了尽可能的充分利用微波天线接收到的电能，选用效率较高的开关电源稳压芯片进行降压电路设计。通过元件选型，最终选用降压芯片MC34063，将微波天线接收到的电压，转换成5V电压输出，降压效率达到90%左右。MC34063降压芯片内部构造与外部电路如图4所示。
从整体来看，比较器的D端和振荡器的C端的输出电平决定了R-S触发器的Q端的输出，从而决定了三极管T1、T2（统称开关管）的状态（导通或关闭）。当开关管导通时，其发射极给输出电容Co充电；当开关管关闭时，其虽已停止给输出电容继续充电，但由于电感具有维持电流的作用，所以使电容Co上的电压保持不变。同时通过分析电路可知比较器的反相输入电压就是电容Co与电阻R1、R2组成的回路中R1上的分压。
在输入端加上直流电压，整个芯片处于工作状态，振荡器对外接的定时电容Ct不断地充电或放电以产生振荡波形。当振荡器对外充电时，与门的C 输入端为高电平，反之与门的C输入端为低电平。对比较器而言，其反相输入端的采样电压低于正相输入端的基准电压1.25v时，D端输入为高电平，反之D输入端为低电平。分析可得，开始通电时，电容Co上充的电的很小，则在比较器反相输入端的采样电压肯定小于基准电压，所以比较器的输出端D一开始保持高电平。最后在输出电压增大到使采样电压高于基准电压时，比较器的输出端D则变为低电平。
当输出端D保持高电平时：C为高电平，R-S触发器的R端为低电平输入，而S端为高电平输入，使得R-S触发器被置为高电平，则输出开关管处于导通状态。C为低电平，R-S触发器的R端为高电平且S端为低电平，C和D经过与门到达R-S触发器的S端为低电平，使得开关管处于关闭状态。但是电感可以维持电压不变，电感上产生的反电势使电流通过负载和二极管继续流通，因此二极管D被称为续流二极管，此时开关管发射极的电位为负的Ud，即为二极管的正向导通电压。就这样振荡器不断地给定时电容Ct充电放电，开关管就也随之导通关闭。输出的电压Uo则由开关管导通和关闭的时间比来决定输出值的大小。
当输出端D为低电平时：C为低电平，R-S触发器Q输出端为低电平；C为高电平，R-S触发器Q输出端仍旧为低电平，这样就使R-S触发器处于封锁状态，开关管被关闭，使得输入电压停止给输出滤波电容Co充电。由于电感上维持电压的能力并不持久，当电感上的电能减小后使得输出滤波电容Co上的电压有所减小，进而也就减小了比较器的反相输入电压。
输出稳定的电压Uo并不是开关管的发射极直接输出电压，而是在开关管导通时经过电感L平波和输出电容Co滤波处理的比较平滑的输出电压Uo。在理想情况下，输出电压Uo是开关管发射极电压Ue的平均值。而Ue又由R1、R2大小有关，从电路上可知R1、R2作为比较器的负反馈部分，可得输出电压Uo=1.25（1+R2/R1）仅与R1、R2数值有关。若R1、R2阻值稳定即Uo亦稳定。在本设计中，R1取值1.2K，R2取值3.6K，输出电压为5V。
降压稳压的仿真电路如图5所示。图中，采用电位器模拟整流天线输出直流电压，图中可调电压源输出的范围在12V-4V之间。只要在可调电压源输出的电压大于6V时，MC34063降压芯片正常工作，输出的电压就为5V。
4 单片机电压采集显示系统设计
为了更加直观的显示降压稳压后的电压，本设计添加了电压采集电路，实时采集降压稳压后的电压，并显示在液晶屏中。
PCF8591是一款单电源、低功耗8位COMS型A/D、D/A转换芯片，它具有4路模拟量输入通道、一路模拟量输出通道和1个I2C总线接口。
5 降压稳压电路整体仿真
在PROTEUS软件下，对降压稳压电路进行整体仿真，采用电位器模拟整流天线输出的直流电压，其可调电压源输出的电压范围在12V-4V之间，通过MC34063降压稳压后，输出5V电压，此电压给后端用电器充电，例如手机等。MC34063芯片是典型的开关电源稳压芯片，效率可达90%左右，相比LM7805芯片，降压转换效率更高，电能损耗更少。为了直观的观察到仿真信号，采用了PCF8591模数转化芯片，将模拟量转化为了数字量，并用单片机89C51来驱动LCD1602工作。如图7所示，可以直观的看到可调电压源输出的电压为7.72V，通过降压后的电压为5.56V。6 结论
本文对微波供电接收电路进行研究，采用ADS软件对微波天线模型进行构建，然后采用PROTEUS软件对降压稳压电路进行仿真，最终得到将微波信号转变成恒定输出的电压值的微波供电系统。
本文研究意义在于，充分利用电磁场与电磁波理论，摈弃了传统的有线传输方式，结合实际，为无线电能传输提供了理论依据和实用可能。如今无线充电技术已经广泛应用于人们的生活中，如便携式消费类电子产品、小型家电、电动汽车等等。虽然目前大功率微波输电在安全和技术方面还存在很多问题，但相信在不远的将来，越来越多无线充电设备会出现在我们的生活中。
参考文献：
[1]王秩雄，胡劲蕾，梁俊，王长华.无线输电技术的应用前景[J].空军工程大学学报（自然科学版），2003，4（1）：82-85.
[2]胡大璋，周兆先.微波输送电能的新技术[J].电子科技导报，1996，12：1-4.
[3]侯清江.无线供电技术方案及应用[J].光盘技术，2009，2：32-33.
[4]戴卫力，费峻涛，肖建康，范新南.无线电能传输技术综述及应用前景[J].电气技术，2010.
[5]邓红雷，孔力.一种实用线极化矩形微带贴片接收整流天线的仿真设计[J].微波学报，2004，20（4）：68-71，89.
[6]池玉友，许建军，秦占豪.整流天线技术及应用[J].电子信息对抗技术，2007，22（4）：29-31.
[7]（美）Reinhold Ludwing，Pavel Bretchko 著，王子宇，徐承和等译.射频电路设计—理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2002，25-61.
[8]三宅和司.电子元器件的选择与应用 [M].科学出版社2006（1）.
[9]朱清慧.Proteus教程：电子线路设计、制版与仿真[M].清华大学出版社，2011（2）.
作者简介：
张晨曦 硕士研究生 研究方向 电力电子装备与系统
通讯作者：张晨曦 E-mail：87376462@qq.com
论文作者:张晨曦,李泽滔
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
标签：电压论文; 微波论文; 电路论文; 天线论文; 芯片论文; 电能论文; 触发器论文; 《电力设备》2017年第4期论文;