微波无线电力传输转化率的提高
经过近 100 年的发展，无线电力传输 （WPT） 似乎直到最近几年才开始用于商业应用。WPT 的常见形式主要有三种：基于无线通信技术和系统设计的无线电波或微波，通过电感耦合或称为感应电力传输，以及通过电、磁或电磁谐振耦合 。但无论哪种方式，都面临一个关键问题：接收端输出的电压和功率会随负载变化而波动，导致直接给设备供电时效率低下。
阻抗匹配 空间匹配 参考资料
As shown below👇
*阻抗匹配
阻抗匹配的目标是让电源（发射端）和负载（接收端设备）“匹配”，就像水管两端口径一致时水流最顺畅一样，这样能最大限度减少能量损耗，提升传输效率。
现有阻抗匹配方法对比
主动控制法：改进整流器中的电子元件（如二极管、MOSFET），降低其导通电压，适合极低功率场景（如射频能量收集），但适用范围有限。
波形设计法：不用单一正弦波，改用多载波、混沌信号等特殊波形，但技术复杂，实际应用较少。
电阻压缩网络（RCNs）：通过电路设计压缩负载变化的影响，但匹配效果依赖工作频率，高频下效果可能变差。
dc-dc 转换器法：在整流器输出端加一个 dc-dc 转换器，将不稳定的直流电压转换为适合负载的稳定电压。这种方法不依赖频率，适用范围广，但转换器本身会消耗能量，可能降低整体效率。
*空间匹配
衡量系统性能的关键是总能量传输效率，它包括两部分：
空间传输效率：电磁波从发射天线到接收天线的传输效率。
能量转换效率：接收端将微波能转为直流电的效率（通过 “整流天线” 实现）。
现有问题：
传统设计只单独优化其中一部分（比如只优化发射天线的传输效率，或只优化接收端的转换效率），没有从整个系统的角度考虑各部分的匹配，导致整体效率不高。
空间匹配概念（三大匹配）意思是通过以下三个层面的匹配，让系统整体效率最大化：
1. 孔径场匹配（天线的 “形状” 匹配）
原理：发射天线和接收天线的电磁场分布（幅度和相位）需要相互匹配，就像 “钥匙和锁” 的关系，这样才能在空间中高效传输能量。
方法：
远场（距离较远）：用传统的 “弗里斯公式” 计算传输效率，依赖天线增益和波束对准。
近场（距离较近）：需要精确设计天线表面的电磁场分布，通过数学推导（如傅里叶变换）找到最佳分布，使传输效率最大化。
2. 功率匹配（能量大小匹配）
原理：接收端的整流电路（含非线性二极管）有一个 “最佳工作功率” 范围，输入功率太大会烧坏元件，太小则效率低。
方法：
根据接收天线不同位置的功率密度，设计非均匀的整流天线阵列：
中心功率密度高的区域，用小尺寸子阵列，避免过载；
边缘功率密度低的区域，用大尺寸子阵列，收集更多能量。
选择合适的二极管（如肖特基二极管），使其在最佳功率下工作，转换效率最高（可达 85%）。
3. 阻抗匹配（电路的 “接口” 匹配）
原理：发射天线和整流电路之间的阻抗需要 “共轭匹配”，就像水管接口严丝合缝，避免能量反射损失。
方法：
在天线和整流电路之间设计 “匹配短截线”（微带线结构），调整阻抗使其匹配，反射系数降低到 0.2 以下，能量传输效率超 96%。
[1] P. Lu, K. Huang, Y. Yang, B. Zhang, F. Cheng, and C. Song, “Space Matching for Highly Efficient Microwave Wireless Power Transmission Systems: Theory, Prototype, and Experiments,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 69, no. 3, pp. 1985–1998, Mar. 2021, doi: 10.1109/TMTT.2021.3053969.
[2] Y. Huang, N. Shinohara, and T. Mitani, “Impedance Matching in Wireless Power Transfer,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 65, no. 2, pp. 582–590, Feb. 2017, doi: 10.1109/TMTT.2016.2618921.
