D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.06.025 第25卷第6期 北京科技大学学报 VoL.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 使用微带天线进行近距离能量传递 张雪松朱超甫顾颐 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要针对传统供能装置的缺点，提出了一种传递能量方式一一使用微带天线传递能量， 设计了用于监测系统传递能量的微带天线，并对微带天线对进行了实验研究，对其传输衰减 和天线的效率及匹配条件进行了分析.实验结果和分析表明：在近距离、小功率的情况下，使 用微带天线传递能量的方法是可行的 关键词徽带天线：无线传能：监测系统：扭矩 分类号TN822*.4 在现代冶金工业生产中，轧辊及一些重要的 作：天线介质基片的介电常数范围较宽，具有吸 传动轴的运行状况直接关系到产品质量和设备 热特性、机械特性及低损耗角正切特性等，微带 安全，对大直径的轴类零件来说扭矩的监测是十 天线已广泛运用于通讯、雷达等电子领域，近年 分必要的.实际的生产过程中，要在轴类零件处 来随着对微带天线研究的深入，其应用领域也在 于旋转状态下有效地检测出扭矩信号就会遇到 不断地扩大，本文利用了微带天线结构上的一些 一系列的问题，主要有：如何在旋转状态下将电 独特的特点将其用于小功率能量的传输上. 源输送到轴上的监测系统上：监测系统的输出信 号如何传输出来；如何对监测信号进行有效的处 1微带天线的设计 理以获取相关的信息. 小功率能量传输系统应用的微带天线采用 本文提出一种新的方案一采用微带天线 矩形天线一同轴馈线，其结构示意如图1， 来传输能量以解决传统的电源输入方法如集流 环传输、旋转变压器传输和光电池传输等的能量 微带贴片 传输不稳定问题.微带天线传输能量法在频率选 择上使用了微波波段，充分利用了微波的穿透能 同轴探针（馈电点） 介质基片 力强、抗干扰能力强和对恶劣环境的适应能力强 等特性，在维护上也很方便， 微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953 年提出"，最早的微带天线是在20世纪70年代初 期由Howell和Munson在敷铜或敷金的介质基片 图1微带天线结构示意图 光刻技术发展的基础上提出较理想的理论模型 Fig.1 Sketch map of the structure of a microstrip antenna 后研制成功的.与通常的微波天线相比，微带天 线的优点是：具有质量轻、体积小、剖面薄的平面 介质基板选取材质为聚四氟乙烯类基片相 结构，可以做成共形天线：制造成本低，易于大量 对界电系数e=2.65,基板厚度h=1.5mm.微带单 生产；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制 元宽度W影响着微带天线的方向性函数、辐射电 阻及输入阻抗，从而也就影响着辐射效率.W的 收稿日期2003-02-10 张雪松男，32岁，博士研究生 选取原则为：第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 使用微带天线进行近距离能量传递 张 雪 松 朱超 甫 顾 颐 北 京科技大 学机械 工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 针 对 传 统 供 能装 置 的缺 点 ， 提 出 了 一 种 传 递 能量 方式— 使用 微 带 天 线传递 能量 设 计 了用 于 监 测 系统传 递 能量 的微 带 天 线 ， 并对 微 带天 线对 进 行 了实验 研 究 ， 对 其 传 输衰减 和 天线 的效率及 匹 配 条件 进 行 了分 析 实验 结果 和 分 析 表 明 在 近 距 离 、 小 功率 的情况 下 ， 使 用 微 带天 线 传 递 能量 的方 法 是 可 行 的 关键 词 微 带天 线 无 线传 能 监 测 系统 扭 矩 分 类号 在 现代 冶 金 工 业 生 产 中 ， 轧 辊 及 一 些 重 要 的 传 动 轴 的运 行 状 况 直 接 关 系 到 产 品质 量 和 设 备 安全 ， 对 大直径 的轴类 零件来说扭 矩 的监 测 是十 分 必 要 的 实 际 的 生产 过 程 中 ， 要 在 轴类 零件 处 于 旋 转状 态 下 有 效 地 检 测 出扭 矩 信 号就 会 遇 到 一 系 列 的 问题 ， 主 要 有 如 何 在 旋转 状 态 下 将 电 源 输送 到轴 上 的监 测 系统 上 监 测 系 统 的输 出信 号如 何传输 出来 如 何对 监测 信 号进行 有 效 的处 理 以获取 相 关 的信 息 本 文 提 出一 种 新 的 方 案 — 采 用 微 带 天 线 来传 输 能量 以解 决 传 统 的 电源 输 入 方 法 如 集 流 环传 输 、 旋 转 变压器 传 输和 光 电池 传输等 的能量 传输 不稳 定 问题 微带 天线传 输 能量 法 在 频 率选 择 上 使用 了微 波波段 ， 充 分利 用 了微 波 的穿透 能 力 强 、 抗干 扰 能 力 强和 对 恶 劣 环 境 的适应 能力强 等特 性 ， 在 维 护 上 也很 方 便 微 带辐 射 器 的概 念 首先 由 于 年提 出 ‘ ， 最 早 的微 带天线 是在 世 纪 年代初 期 由 和 在 敷 铜 或 敷 金 的介 质 基 片 光 刻 技 术 发 展 的 基 础 上 提 出较 理 想 的理 论 模 型 后研 制 成 功 的 口， 与通 常 的微 波 天线 相 比 ， 微 带天 线 的优 点是 具有质量 轻 、 体积 小 、 剖 面薄 的平 面 结构 ， 可 以做 成共 形天 线 制造 成 本低 ， 易于 大量 生 产 馈 线和 匹 配 网络 可 以和 天 线 结 构 同 时制 作 天 线 介 质 基 片 的介 电常 数 范 围较 宽 ， 具有 吸 热 特 性 、 机 械 特 性及 低 损 耗 角 正 切 特 性 等 微 带 天 线 已 广 泛 运 用 于通 讯 、 雷 达 等 电子领 域 ， 近 年 来 随着 对 微 带 天 线研 究 的深 入 ， 其 应 用 领 域 也在 不 断地扩 大 本 文 利用 了微 带天 线 结构 上 的一 些 独特 的特 点将其 用 于 小 功 率 能量 的传 输上 微 带 天 线 的 设 计 小 功 率 能 量 传 输 系 统 应 用 的微 带 天 线 采用 矩 形 天 线 一 同轴馈 线 ， 其 结 构 示 意 如 图 微带贴片 同轴探针 馈电点 介质基片 图 微 带 天 线 结 构 示 意 图 ， ， 收稿 日期 一 一 张 雪松 男 ， 岁 ， 博 士 研 究 生 介 质 基 板 选 取 材 质 为 聚 四 氟 乙 烯 类 基 片 相 对 界 电系数尽 ， 基 板 厚度 微 带单 元 宽度 不影 响着微 带 天 线 的方 向性 函数 、 辐 射 电 阻及 输 入 阻抗 ， 从而 也 就 影 响着辐 射 效 率 砰的 选 取 原 则 为 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2003．06．025