一种微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法与流程

本发明涉及在非稳定平台上稳定天线的装置，尤其涉及一种微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法。

背景技术：

1、微波无线传能系统是将电能在发射端通过微波发生器将直流转换为微波形式，然后利用天线传导微波能量并发射到自由空间中，接收端整流天线将自由空间的微波能量接收和整流，转化为直流能量供负载使用，从而实现非物理连接式能量传输。传输距离可达百米乃至公里以上的量级，具备全天时、全天候使用等优点，是一种实现能量远距离无线投送的技术手段。

2、考虑到能源保障问题是电驱动固定翼无人机进一步应用的短板，因此利用微波无线传能技术，将微波能量发射端安装于地面、车辆等平台，将接收天线和整流电路布置于电驱动固定翼无人机之上，在无人机飞行过程中对其进行持续能量传输，可大大延长无人机的滞空时间，提升无人机带载能力。

3、然而，现有的微波无线传能系统，大多数是将能量收发装置在地面进行一对一的固定无线传能，主要是面向功能性能演示，而且为了获得较高的传输效率，接收端天线面积较大。加果直接将微波无线传能系统接收天线固定于无人机外部，会造成无人机外形尺寸和形状的重大变化，将极大影响固定翼无人机的飞行性能，甚至使其无法正常飞行。因而现有微波无线传能系统无法直接应用于对固定翼无人机的能量补给。

4、考虑到微波无线传能系统的接收端天线面积与能量传输效率呈正相关，需要在不改变无人机外形的前提下尽可能增加接收天线面积；另一方面，固定翼无人机机的机翼占据了无人机的大部分面积，且内部通常为空腔结构，因此将微波无线传能系统的接收天线布置于无人机机翼内部，在保证微波无线传能的能量传输效率的同时，大大减少对无人机飞行功能的影响。

5、基于以上背景，本发明要解决的技术问题是：微波无线传能接收天线无法与受能固定翼无人机融合，使得微波无线传能与无人机正常飞行无法兼容的问题。本发明提出了一种微波无线传能接收天线与固定翼无人机共化设计方法，可实现接收天线与无人机机翼固定，接收电能的传导与合成，降低传输损耗等功能，对微波无线传能技术在固定翼无人机的应用具有很强的指导意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明提供一种微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤1、利用透波性材料构造无人机机翼，并在微波无线传能采用的微波频率下，对待测的机翼材料的插入损耗进行测试；

5、步骤2、查询机翼材料的介电常数、磁导率和厚度，将其作为均匀介质在电磁仿真软件中建模，参与接收天线阻抗匹配的计算；

6、步骤3、根据无人机机翼内部的翼肋和翼梁结构，将机翼内部空间分割成若干区域，将单片的接收天线布置在单个区域内部，进行按分隔区域的接收天线分片布置；

7、步骤4、在按分隔区域进行接收天线分片布置的基础上，根据机翼底面的弯曲要求，采用按曲率半径的接收天线分片布置方法，进行接收天线分片布置；

8、步骤5、布置完成后，将微波无线传能接收天线固定在机翼底部内表面预设位置，然后利用玻璃纤维布对微波无线传能的接收天线进行包裹，在一定温度下持续加热一段时间，使玻璃纤维布收缩定型；

9、步骤6、在接收天线后连接整流电路，空间微波能量经过接收天线和整流电路后变为直流电能，以直流导线的形式传输至机腹进行直流合成，最终形成一路供电信号驱动无人机负载。

10、进一步地，本发明的步骤1中，待测的机翼材料设置于发射天线和接收天线之间，发射天线和接收天线均与矢量网络分析仪相连。

11、进一步地，本发明的步骤1中，对待测的机翼材料的插入损耗进行测试的方法为：

12、a、将测试的发射天线gt通过射频线缆与矢量网络分析仪的发射通道连接，将测试的接收天线gr通过射频线缆与矢量网络分析仪的接收通道连接，保证测试收发天线的工作频段覆盖微波无线传能采用的微波频率，测试收发天线主波束方向对准，极化方向一致；

13、b、发射电平与接收电平之差为x1db；将机翼材料置于测试收发天线之间时，发射电平与接收电平之差为x2db；

14、c、则机翼的插入损耗为(x1-x2)db；

15、当机翼的插入损耗小于一定阈值时，机翼对微波无线传能的传输效率影响符合接收天线共形设计的要求。

16、进一步地，本发明的步骤3中，无人机机翼内部的翼肋和翼梁结构具体为：中部为机腹区域，机腹区域两侧对称设置机翼结构，机翼结构内横纵布置有翼肋和翼梁，翼肋和翼梁之间的空隙内布置接收天线。

17、进一步地，本发明的步骤4的方法包括：

18、a、针对微波无线传能的接收天线进行弯折测试，在不影响天线功能性能的前提下，测试得到接收天线的最小弯曲半径为r1；

19、b、计算每个区域内的机翼底部内表面的球面曲率半径r2；

20、若r1≥r2，则直接将一整块天线布置在该区域内；

21、若r1<r2，则对该区域内部进行进一步切分，直至二次分块后的每个区域球面曲率半径ri均满足ri≤r1，i＝3,4，…。

22、进一步地，本发明的步骤5中，利用玻璃纤维布对微波无线传能接收天线进行包裹，在707100℃下持续加热274个小时。

23、进一步地，本发明的步骤6中，各片接收天线输出的直流导线在向机腹传输汇聚过程中，将直流导线从翼肋中打孔穿出，打孔位置在设计桁条打孔位置时进行统筹设计。

24、本发明产生的有益效果是：

25、(1)将微波无线传能接收天线完全赋形于无人机外壳内部，不影响无人机气动特性；

26、(2)充分利用无人机面积，考虑机翼介质特性对微波传输过程的影响，可提升微波无线传能的传输效率；

27、(3)保证了微波无线传能接收天线位置的稳定性，以及各片接收天线收集能量在机腹内的汇聚。

技术特征：

1.一种微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，其特征在于，步骤1中，待测的机翼材料设置于发射天线和接收天线之间，发射天线和接收天线均与矢量网络分析仪相连。

3.根据权利要求2所述的微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，其特征在于，步骤1中，对待测的机翼材料的插入损耗进行测试的方法为：

4.根据权利要求1所述的微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，其特征在于，步骤3中，无人机机翼内部的翼肋和翼梁结构具体为：中部为机腹区域，机腹区域两侧对称设置机翼结构，机翼结构内横纵布置有翼肋和翼梁，翼肋和翼梁之间的空隙内布置接收天线。

5.根据权利要求1所述的微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，其特征在于，步骤4的方法包括：

6.根据权利要求1所述的微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，其特征在于，步骤5中，利用玻璃纤维布对微波无线传能接收天线进行包裹，在707100℃下持续加热274个小时。

7.根据权利要求1所述的微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，其特征在于，步骤6中，各片接收天线输出的直流导线在向机腹传输汇聚过程中，将直流导线从翼肋中打孔穿出，打孔位置在设计桁条打孔位置时进行统筹设计。

技术总结
本发明公开了一种微波无线传能接收天线与固定翼无人机共形方法，包括：利用透波性材料构造无人机机翼，将机翼内部空间分割成若干区域，将单片的接收天线布置在单个区域内部；根据机翼底面的弯曲要求，按曲率半径布置接收天线分片；将微波无线传能接收天线固定在机翼底部内表面预设位置，然后利用玻璃纤维布对微波无线传能的接收天线进行包裹，在一定温度下持续加热一段时间，使玻璃纤维布收缩定型；空间微波能量经过接收天线和整流电路后变为直流电能，以直流导线的形式传输至机腹进行直流合成，形成一路供电信号驱动无人机负载。本发明不影响无人机气动特性，可提升微波无线传能的传输效率，保证了微波无线传能接收天线位置的稳定性。

技术研发人员：杨萌,肖龙,杨婧娴,郭龙颖,杨升
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14