滤波天线技术在微波能量传输中的应用研究

微波无线能量传输摆脱了传统能量传输的电缆限制，可以满足多个领域的应用需求，整流天线是完成微波-直流能量转换的重要装置。目前常规整流天线中存在的滤波器、阻抗匹配网络等损耗及常规微带天线的窄带特性，使得其效率及带宽等特性存在可提升的空间。文章在回顾滤波天线及整流天线的发展现状的基础上，提出将滤波天线的概念与整流电路相结合，开展滤波整流天线技术研究。将天线单元作为滤波器电路理论中的谐振单元开展滤波整流天线建模和分析理论研究，设计具有辐射、滤波、复数阻抗匹配等功能的天线及阵列结构，有望突破整流天线高效集成的技术难点，为微波无线能量传输效率提升提供技术基础。     

一种微波输能的高效二极管阵列整流电路设计与分析

微波无线能量传输是实现远距离无线传能的主要方式之一，也是空间太阳能电站系统的核心技术之一。微波整流电路是实现微波到直流转换的关键环节，为实现大功率、远距离微波无线能量传输，文章设计了一种频率为2.45GHz的二极管阵列整流电路，能在大功率下完成高效整流，且对负载变化的敏感度低。测试表明：在27dBm输入功率、150Ω负载下，MW DC转换效率最大达71.83%；输入功率为23~32dBm时的转换率高于65%；即使输入功率低至17dBm的转换率仍高于50%。因此，论文所提整流电路的输入功率动态范围大，最高可达32dbm，且转换效率高，可用于微波无线能量传输中。     

微波无线功率传输中高效率双线极化整流天线设计

本文提出一种适用于微波无线功率传输中高效率双线极化整流天线设计。通过双线极化天线、微带正交耦合器以及整流器集成一体化，线极化入射电磁波将按照极化偏转角分解为水平极化以及垂直极化分量，经由微带正交耦合器完成非均衡至均衡功率再分配机制，满足高效率微波至直流整流器输入功率需求。理论分析与实验结果均验证所提出的双线极化整流天线在任意极化偏转角下仍能保持高效率稳定直流电压输出，满足高性能微波无线功率传输应用需求。     

高功率中距离2.45GHz微波输能系统

微波输能技术是空间太阳能电站、空间飞行器供能和无线传感网络领域的关键技术。本文设计了一套工作于2.45 GHz的高功率中距离微波输能系统，主要包括微波功率发生器、整流天线和收发天线。其中，微波功率发生器最大输出功率为53.272 dBm（212 W）时，末级放大器的漏极效率可达57.612%；当输入功率为30 dBm，负载为260 Ω时，整流电路整流效率达到75%；采用简单的抛物面天线，传输距离为8m的情况下，波束捕获效率能够保持在45%以上。实测200W时微波发生器效率为49.3%，整流电路效率为63%，在波束捕获效率为45%时，理论计算的该系统直流到直流传输效率可以达到14%。     

基于可重构寄生阵列的封闭空间微波能量传输

针对航天器内部空间等封闭环境下电磁波的多径传播特性和阵列天线单元间的耦合效应,本文研究采用寄生阵列,通过控制寄生阵列单元负载的电抗实现高效率微波无线能量传输的方法。通过多端口微波网络建模,分析了寄生阵列天线方案相较于传统相控阵天线方案的能量传输性能和效率最大化机理。设计实现了基于射频开关切换的可调反射负载,并在此基础上形成了寄生阵列反射负载自动控制系统和传输效率优化程序。基于该系统和程序,在1m 边长立方体的金属边界封闭空间实验环境下,测试了不同单元数可重构寄生阵列无线能量传输的性能和快速优化方法。测量结果表明增加寄生天线单元数目能够显著提高能量传输效率,从而提供了可重构寄生阵列传能技术实用化的一种有效途径。     

无线能量传输的核心功率器部件挑战与进展

微波无线能量传输系统中高功率微波发射、高效率微波整流是共性关键技术，其中高效率微波整流是区别于传统无线系统的专项技术。首先，从两类4种微波功率源国内外典型产品技术方案、成果水平开展论述；系统探讨了二极管、三极管及电真空器件整流技术发展现状及研究热点。其次，针对微波无线传能系统高效率、高动态、高集成、长寿命多功能公用传能建设等技术挑战，提出了应对策略和解决途径；最后，进一步凝练和规划了面向空间高功率微波无线能量传输系统的关键技术、核心产品，并对我国无线功率传输的核心器部件及系统构架做出展望。     

全极化微波无线能量接收表面研究

文章针对单一极化能量接收装置的微波吸收能力有限，无法适应多极化的需求提出了一种新型的微波能量接收方法，能够吸收任意方向极化入射电磁波，并转化为直流能量，方案由双线极化谐振单元组成周期阵列平面，并在背后引入射频功率合成网络，分别对接收下来的垂直与水平极化分量进行功率合成，创新性地引入了3dB定向耦合器，将等相位不等幅度的垂直与水平极化微波分量重新分配为不等相位等幅度的能量，分别输入到两独立的整流电路中，转换为直流。整流电路根据输入功率而优化的，该方案使得任意线极化入射条件下，两个整流电路的射频功率相等，可工作在恒定转换效率上；射频功率合成电路的使用增大了进入整流管的微波功率，提升了能量转换效率。实验结果表明，工作频率为2.325 GHz时在0.15 mW/cm2的入射功率密度下，整流天线实物针对各角度线极化微波的RF to DC能量转换效率在57.23%到58.13%的范围内小幅波动变化，验证了设计方案的有效性。     

面向空间太阳能电站应用的超大规模天线阵列模块尺寸与姿态偏差效应分析

空间太阳能电站微波能量传输需要具备超大规模的相控阵列波束形成和超高精度的波束指向控制能力。采用大尺寸的基本相控电单元能够缩减天线阵列规模和微波发射通道数目,从而显著降低微波能量发射系统的构造和组装成本。然而,相控单元的尺寸越大,对天线模块的结构刚性和姿态控制精度要求越高。基于天线阵列的结构化构型设计,提出超大规模回复反射阵列的结构模块和相控电单元的尺寸分析模型,推导得到结构模块姿态偏差、电单元尺寸要求和能量传输效率的近似关系及其解析表达式,可供作为空间太阳能电站微波传能天线阵列及其波束控制方案设计的参考依据。     

一种小型化的大功率微波整流电路

为了满足微波输能系统的大功率整流要求，本文基于多支路共用匹配阻抗的方法设计了一种微带线结构的大功率微波整流电路。首先采用微带线结构的功分器将输入的大功率微波能量分为较小功率的微波能量，然后在功分器的每一条支路上利用肖特基二极管阵列将微波能量转换为直流能量，且所有的支路共用阻抗匹配电路。最后将所有支路的直流能量合并输出，实现大功率微波整流。实验结果表明，当输入功率大于34 dBm时，实测直流输出功率大于1w；在输入功率为39.28 dBm时，整流电路的最高实测效率为44.27%；在输入功率为41.42 dBm时，整流电路的最高实测直流输出功率达到了5.84w。该微波整流电路工作于2.45GHz，尺寸为40mm×80mm，具有尺寸小、整流后直流输出功率大，易于集成的特点，可为易于集成的大功率微波整流电路提供设计指导。     

X波段圆极化大功率整流天线研究

随着新时代能源互联网演进发展，传感器作为物联网中的最基础核心器件，对持续电源供给的需求与日俱增。采用无线能量传输可以实时便捷的为此传感器进行能量供给。现有成熟的整流天线设计多集中在5.8GHz以下，更高频段且大功率的整流设计鲜有涉及。本文重点研究一款工作在X波段的圆极化大功率整流天线，主要包括天线和整流电路优化设计2部分。天线采用圆极化设计，工作在9.6GHz频段，在0到45。的宽角度范围内都具有良好的圆极化轴比，可以灵敏的接收能量信号。整流电路基于双管并联结构和短路匹配支节进行设计，实测在1W的输入功率下可获得50%的整流效率。最后进行天线和电路的整合，并进行实测，300mW的发射功率下，在负载为40欧姆的情况下可获得1.25V的输出电压。实验结果表明，该结构可以有效的实现远距离能量传输。     

基于升压原理的整流电路设计

为了提高微波无线输能系统接收装置中整流电路的RF-DC转换效率，本文提出了一种新的基于升压原理的整流电路设计方法。首先，通过对整流电路的工作原理进行分析，得到整流电路的等效电路模型。然后，通过推导整流电路转换效率的公式，分析了影响整流效率的关键因素。在分析了影响整流二极管能量损耗因素的基础上，提出了用提高整流电路中整流二极管输入端的电压幅值来提升整流效率的方法。在相同的输入功率下，通过升高二极管的输入电压幅值，可以降低流过整流二极管的电流，从而减小整流二极管的能量损耗。仿真结果表明，在整流电路与功率源匹配良好的情况下，通过提高二极管的输入电压幅值明显提升了整流电路的效率，在输入功率为20 dBm时得到了最高81.25%的整流效率。该设计方法能为快速提升整流电路的效率提供指导。     

天线整流器协同设计的高灵敏度射频能量采集单元研究

面向物联网自供电传感节点的能量灵敏度受限于能量采集单元的灵敏度，本文基于天线 整流器协同设计方法，实现了一种面向无线传感及通信节点的高灵敏度，射频能量采集天线-能量采集芯片构成的单元，并进行了系统验证。整流电路采用TSMC 180nm CMOS RF工艺流片，定制弯折偶极子天线，两者适当的Q值下实现阻抗匹配，通过芯片整流电路和Q值的协同提升能量采集灵敏度。联合测试结果表明，在50MΩ等效电阻负载和电压为0.8V的情况下，量采集单元的最高灵敏度可达到-27.9dBm，结合和能量管理电路和储能器件，在36dBm发射功率下，自由空间下的无源通信距离可达40.55m。     

用于物联网中无线能量传输的电小尺寸惠更斯整流天线

随着下一代无线通信系统（5G）的快速发展，无线物联网（Internet of Things, IoT）技术将得以广泛应用，万物互联在不久的将来成为可能。由于无线物联网设备数量的飞速增长，无线能量传输将会成为未来物联网设备的主要供电形式，取代基于传统电池的现有物联网设备供电技术。然而，如何设计结构紧凑且高效率的无线能量传输整流天线具有很大挑战。基于该背景，本文将介绍三款用于无线物联网中的电小尺寸的惠更斯整流天线。其基本设计思路是将电小惠更斯天线与高效率整流电路有机结合。首先，介绍一款线极化的电小惠更斯整流天线。该惠更斯天线将两个由超材料启发的埃及斧天线与电容耦合环天线组合，产生定向的心形辐射方向图，并与一个高效率的整流电路无缝结合。其次，介绍一款圆极化的电小尺寸惠更斯整流天线。该整流天线可以有效消除在特定应用场景中的极化失配的问题。最后，介绍一种双功能的同时具有通信与无线能量传输的电小尺寸惠更斯系统。本文所设计天线具有结构紧凑，高效率，易加工的特点，十分适合广泛用在未来无线物联网系统中。     

整流天线组阵等效模型与实验

文章将整流天线单元等效为一个直流源和负载的串联,以此提出整流天线串/并联组阵等效模型,得到整流天线的组阵形式及最佳负载与阵元个数之间的关系。利用所设计的低功率密度应用整流天线单元,用ADS软件仿真了二元并联阵,实验测试了二元串联阵与二元并联阵,其仿真与实验结果均与组阵模型基本吻合,从而验证了整流天线组阵模型的有效性。并且提出了多元组阵的可行性方案,为大规模阵列设计提供指导。     

非均匀序微波能量整流超表面

电磁超表面在完美吸收层中得到广泛应用，其物理特性可以借鉴到微波能量收集中。将非均匀序电磁超表面与整流电路结合形成非均匀序微波整流超表面，在微波能量收集中既保证了高的波束收集效率，又有利于整流效率。本文讨论了微波能量整流超表面的概念、理论及其应用。     

空间太阳能电站反向波束控制仿真分析

分析几项重要的空间太阳能电站反向波束控制技术研究工作,提出空间太阳能电站微波无线能量传输(MPT)分系统的初步方案和主要参数,在此基础上建立空间太阳能电站微波波束发射和反向波束控制仿真模型,重点分析发射天线子阵列的微波馈电相位误差、频率误差和姿态误差等因素对于系统传输效率的影响,相关结论将为微波无线能量系统的设计和微波无线能量传输技术的研究提供参考。     

航天器间微波无线能量传输技术研究

微波无线能量传输技术在宇航领域具有广阔的应用前景,利用该技术可以将能量传递到各模块航天器,解决能源问题对卫星功能和性能的限制。在理论分析微波无线能量传输技术的基础上,提出系统设计方案,突破能量传输总体设计技术,探索影响能量传输效率的关键因素,寻求提高能量传输效率的有效方法,为航天器间无线能量传输技术逐步从理论研究转变为实际应用奠定基础。     

基于人工PML表面的高效微波能量接收

文章基于人工完美匹配层(PML)的电磁特性提出了一种新型的可用来实现能量完美匹配接收的高效整流天线板,并从仿真上给予了验证。该整流天线板同时拥有与空气完美匹配的阻抗以及超高效的能量吸收特性,仿真结果显示1/80空间工作波长厚度的整流天线板即可吸收转化垂直入射电磁波99%以上的能量,该技术可广泛用于当今各种频段的微波能量传输与接收装备研发应用领域。     

用于微波无线能量传输的无衍射电磁超表面设计

微波无线能量传输作为一种远距离能量传输技术受到广泛关注,但是电场随着距离增加会快速衰减。为了减缓电场衰减趋势,提高接收端功率,文章推导出了用于产生无衍射波束的相位计算表达式。另外,设计了一款相位覆盖360°,传输系数优于-3dB的相位控制单元,并利用该单元设计了一个口径为500mm的超表面。仿真和实测数据显示,在加载电磁超表面后,电场明显增强,能量更加集中。微波无线传输实验结果表明,在发射总功率为36dBm时,相较于无电磁超表面情况下,接收端接收的能量最大可以提升9倍之多,证明了设计出的电磁超表面助于提高微波传能系统的传输效率。     

毫米波高频段无线能量传输技术发展及其空间应用研究初步设想

随着我国航天事业的发展,空间任务也越来越复杂,能源供给是航天器面临的首要共性问题,航天器间的无线能量传输也显得愈发重要。由于航天器在体积重量和功耗上的限制,为了保证有效的无线能量传输,需要采用毫米波高频段,同时还要解决如何在有限的发射功率和发射天线口径情况下提高接收功率等技术难题。在回顾毫米波高频段无线能量传输技术发展的基础上,提出探索基于慢衰减电磁波产生和准无衍射波束形成的远距离时空聚焦微波能量传输理论与方法,并开展毫米波高频段整流器件建模研究和高效整流天线集成设计工作,建立航天器间毫米波无线能量传输缩比简化原理验证系统的研究设想,有望为航天器间无线能量传输效率提升提供技术基础和技术途径,也将推动无线能量传输在无人机无线输能、地面特殊场合供电等远距离无线输能应用系统的发展。