微波输能中一款S波段整流天线阵列研究

微波无线能量传输是空间无线能量传输的一种途径,微波整流天线阵列作为微波无线能量传输系统的重要组成部分,得到了迅速发展和研究。文章在2.45GHz频段分别设计了微带偶极子接收天线和高效微带整流电路,并组成50cm×50cm的微波整流天线阵列。阵列由72个整流天线单元组成,每个整流天线单元包括一个偶极子天线和一个整流电路。实验测试得到37.1%的整体传输效率。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

快回旋电子束波微波整流器及其应用

文章描述了把微波能量转变为直流电的回旋波整流器的结构和工作原理；分析了它在卫星太阳能电站等大功率无线输电工程应用中的优点，并与一般用于无线输电技术原理性演示和小功率输电的肖特基势垒二极管整流方法进行了比较；回顾分析了它的发展历史和研究现状；指出了今后需要进一步深化创新的有关问题；讨论了在卫星太阳能电站地面接收整流天线阵和其它电力工程中的应用前景；最后表达了作者自己的一点想法和希望。回旋波整流器从最早的理论研究、计算机模拟和实验室试品到现在准实用型的产品，已经受了30余年的漫长历程，其外观、性能正在逐步得到改进。将来高可靠性整流器的优化参数为：输入微波频率范围1GHz～10GHz，带宽0．5％～5％，输出电压高至100kV，输出功率大到100kW，微波整流效率85％～90％。     

新型大尺度空间微波功率发射阵列的考虑

以空间太阳能电站为应用代表的微波功率传输系统中，微波功率发射阵列是其中的核心组成部分。为保证特定传输距离限制下的波束收集效率，目前国际上多种空间太阳能电站方案中收发天线口径都达到了km级以上。在空间构建大尺度的微波功率发射有源相控阵，面临的主要问题有：发射阵列电性能的高要求、发射阵列折叠状态的总体积限制、大功率发射阵列的热控问题。针对这些问题，文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列的一些研究及设计考虑，主要包括大尺度阵列同源分发倍频的频率分配方案；高效率高集成功率发射组件技术；大尺度阵列相位同步与误差自校正技术；低剖面天线结构及型面误差补偿技术；大型天线3D打印在轨建造方案设想以及空间微波功率发射阵列热控新思路等。文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列3个方面的6个主要问题，可为空间太阳能电站系统提供可优化、开放性的设计与发展思路。     

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。     

C频段双线极化高隔离度微带天线设计

研究一种工作在C频段(5.25GHz~5.75GHz)的双线极化高隔离度微带天线,天线由2×2微带缝隙耦合天线阵列及其馈电网络组成。使用HFSS仿真软件对该天线进行仿真和优化,得到了较好的结果,在整个频段内驻波比低于1.30,隔离度大于30dB,天线在5.5GHz的水平极化增益达到13.53dB,垂直极化增益达到13.8dB。与常规的双线极化微带天线相比,该天线具有高隔离度、高增益的特点。     

微波无线能量传输功率放大器效率提升的 设计方法研究

针对用于微波无线能量传输系统中的微波功率放大器高效率需求，文章提出了一种提高功率放大器功率附加效率及输出功率的设计方法。通过功率放大器内部的功率流向统计，分析了反馈电容通道对高频功率放大器效率损失的影响，进而提出在栅极-漏极之间引入反馈谐振网络，提高晶体管内部漏极到栅极反馈支路的阻抗，减少产生的功率流向内部漏极到栅极支路，降低晶体管内部通道的功率损耗，从而保证在产生的总功率保持不变的前提下，增加了流向负载上功率，实现微波功率放大器输出功率的增加和功率附加效率的提高。验证电路仿真结果表明，功率放大器在5.78GHz~5.82GHz频率范围内功率附加效率均高于70%，漏极效率优于80.5%，输出功率高于10.5W。证明了该方法在提升功率放大器效率方面切实可行，研究成果对提高应用于微波能量传输系统的功率放大器效率提供有力支撑。     

八单元圆形顺序旋转阵列的宽带双圆极化馈电网络

针对八单元圆形顺序旋转阵列天线馈电网络结构复杂的问题，文章设计了一种宽带双圆极化馈电网络。首先，根据八单元圆形顺序旋转阵列天线的空间结构特点，分析了阵列馈电网络的幅度和相位关系；其次，分别设计了3dB分支线耦合器、威尔金森功分器、微带平面巴伦和移相器；最后，通过不断优化设计，构建了宽带双圆极化馈电网络。该网络由2个3dB分支线耦合器、2个威尔金森功分器、4个微带平面巴伦、2个45°移相器、2个90°移相器和1个180°移相器组成。测试结果表明：该网络在8.78GHz~11.12GHz的频带内，端口电压驻波小于1.72。8个输出端口的幅度起伏在 2.1dB以内，相位起伏在±7.8°以内。该馈电网络具备左旋和右旋圆极化馈电端口，具有频带宽、幅相特性良好和制作成本低等优点，完全满足八单元顺序旋转阵列天线馈电网络的要求。     

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。     

新型双频双极化微带阵元的设计

提出了一种新型双频双线极化多层叠式微带天线阵元。阵元的馈电机构是一种极化用孔径耦合，与之正交的极化用直接耦合。与其他类型的阵元相比，对两种极化而言，该微带阵元具有较宽的工作频段、较大的端口隔离和较高的辐射效率。使用基于矩量法(MoM)的通用软件进行了参数研究，并给出了研究结果。根据模拟尺寸制作了样机，并对样机进行了测试。测量结果与数字结果吻合良好。     

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。     

微带偶极子天线特性的研究

在无线电通信系统中,对于信息的传输,天线的作用是不可或缺的。随着信息产业的快速发展,对各种通信电子产品提出了小型化、高效率的要求。文章基于等效电路模型对天线的几何结构参数进行了研究,利用ADS仿真软件设计了一款谐振频率2.4GHz的微带振子天线,并分析了参数对该天线特性的影响,进行了参数优化。仿真结果表明,该天线在VSWR小于2时相对带宽达到25%,反射损耗-54.21dB,输入阻抗50.5-j0.2Ω,具有良好的阻抗匹配特性。天线E面辐射不圆度小于3dB,具有良好的方向特性。适用于无线局域网络、短距离移动通信、雷达通讯等领域及作为天线阵元单元。     

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。     

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。