不降落也能充电

东京大学研发了一套微波无线能量传输系统，用于为正在盘旋飞行的微型无人机充电（图1）。这种能量传输方式应用前景广阔，例如灾区地面坎坷不平，起降非常不方便，当无人机电池电量太低时，可以返回地面站上空，围绕着地面微波发射器盘旋飞行，接收微波的能量为电池充电（图2）。

这套系统由3套分系统组成：微波发射系统、追踪系统和微波接收整流系统。微型无人机在微波发射器上空1m处盘旋飞行，并发送2.45GHz的位置信号。追踪系统实时接收位置信号，计算出微型无人机的位置，控制微波始终指向飞行器。发射器发射3.5W、5.8GHz的微波，微型无人机上的天线接收微波，并用整流器将其转换成直流电，为电池充电并驱动电机运转。

1.微波发射系统

微波束的发射由一个主动相控阵雷达实现（表1）。该设备的上部是喇叭天线阵列，下部是微波放大器（图3）。图4是微波发射系统的结构示意图。阵列天线由5个喇叭天线组成，每个喇叭天线的功率是0.7W。微波的振幅由场效应晶体管放大。微波的相位由连接PC的6位数字相位转换器控制。微波束的角度约为9°。

2.追踪系统

追踪系统使用2.45GHz微波作为引航信号，多天线同时接收信号并计算相位差，从而算出微波的入射角。图5是追踪系统示意图。在发射机天线旁边安装了3个贴片天线（图6）。天线间距约17cm，能在-10.4°～10.4°的范围内测得入射角。这套追踪系统可在x和y方向确定微型无人机的位置。无人机高度不能超过100cm（图7）。

在实验室试验时，用电机驱动微型无人机围绕一根支杆在1m高处旋转。旋转半径是10cm，入射角是5.7°，转动周期是1.57s，转动速度为48.8r/min。图8是根据图7估算的入射角。在这种情况下，通过旋转角度θ就能唯一地确定微型飞行器的位置。图9是根据图8推算出的θ表。

3.微波接收整流系统

东京大学以前曾经研发了硅基圆极化贴片天线。其放大电路比贴片天线的有效区域更大。放大电路与贴片电阻垂直连接，整体非常厚重，不适合用在微型无人机上。为此，研发团队专门研制了轻质、柔性的贴片天线（图10）：在聚酰亚胺薄片的两面覆以铜箔制作的天线和放大电路。电源输入端和放大电路之间，有一对偶极子天线。

经过理论分析和试验比较，发现偶极天线的能量接收效率只有贴片天线的一半。于是放弃了偶极天线，改用毛毡为基片，制造了柔性的贴片天线（图11），导电性物质用铜箔制作。

表2列出了3种天线的能量接收效率、总重量、厚度和单位面积的重量。能量接收效率的定义是：有效接收的功率除以到达有效接收区域的微波功率。虽然毛毡贴片天线的能量接收效率低于传统硅基贴片天线，但是毛毡贴片天线和薄膜偶极天线一样轻薄，对于微型无人机来说是很好的选择。