微波无线传能系统中直流阻抗匹配器设计

微波无线传能系统存在整流电路输出直流功率随直流负载变化而急剧下降，以及多路不同功率直流合成效率低的问题。为解决上述问题，本文探索在整流电路和直流负载之间设计直流阻抗匹配器。通过场效应管控制阻抗匹配器的开断实现输入电压与平均输入电流之比不变，从而保证匹配器的等效输入阻抗恒定不变，达到与整流电路匹配的目的。设计和制作了一款输入阻抗为400欧姆的直流阻抗匹配器。测试表明，即使直流负载从400~6000欧姆大动态变化，该直流阻抗匹配器能够稳定地实现约60%整流效率。对两路直流功率合成，与直接合成相比，该直流阻抗匹配器将合成效率提升了5.75%~19.18%。     

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。     

基于S3MPR拓扑和电导增量法的空间电源系统研究

为满足高分辨率光学和雷达遥感卫星、深空探测器等航天器日益增长的电能需求,文章提出了一种基于顺序开关分流最大功率调节器(S3MPR)拓扑电路的电导增量峰值功率跟踪方法,克服了传统最大功率点跟踪(MPPT)变换器拓扑质量比功率低、效率不高的缺点,可减少最大功率点附近的振荡现象。搭建了Matlab-Saber的联合仿真平台和半物理试验平台,对所提出的电路和跟踪方法进行了验证。结果表明:基于S3MPR电路的电导增量峰值功率跟踪方法,可以实现对太阳电池阵最大功率点的有效跟踪,并具有较好的跟踪效率,证明仿真和试验平台合理有效。     

抽头电感滤波器辅助PWM DC-DC功率变换器实现软开关功能

推荐了一种使用新型高频变压器连接的全桥软开关移相脉宽调制（PWM）控制的DC-DC功率变换器。可以把此种功率变换器用作小型光伏电池与燃料电池发电系统的功率调节器以及汽车交流电源的隔离式升压DC-DC功率变换器。在低压大电流电源中，全桥电路是最具吸引力的拓扑，因为可以使用低压高性能金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET），并且能实现DC-DC功率变换器的高效率。为了能在大负载波动范围内实现软开关运行，新近在全桥移相PWMdc-dc变换器的输出级采用了包含续流二极管的抽头电感滤波器。在本文推荐的电路中，无需使用附加谐振电路和辅助功率变换器件就能有效降低循环电流。采用设置为1kW 100kHz的实验模板（使用功率MOSFET）对本文推荐的软开关dc-dc功率变换器的实际效率进行了实验室级别的试验。大工作比和负载变化范围内得到的实际效率为94～97％。     

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。     

面向功放-整流一体化设计的逆F类功率放大器

针对微波无线功率传输对于高功率处理能力的高效整流器需求,提出一种基于高效率功率放大器的功放-整流一体化设计思路。文章首先使用型号为CG2H40010F的氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT),通过谐波控制、负载牵引等方法,设计出一款工作在2.45GHz逆F类高效率功率放大器。在高效率功率放大器的基础上基于时间反转对偶理论,通过改变逆F类功率放大器电流方向,同时结合耦合器和移相器实现了高功率容量整流电路的设计。仿真结果表明,在245GHz工作频率下,功率放大器的输入功率为28dBm时,功率附加效率达到76%,输出功率40dBm;整流电路的输入功率为41dBm时,RF-DC转换效率可达到79%,整流最佳效率大于80%,显示了整流器的高功率处理能力。引入了两个单刀双掷开关实现功率放大器和整流器的功能切换,文章对核心电路功率放大器进行了实物测试,测试结果与仿真重合较好,验证了功放-整流一体化设计的可行性。     

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。     

宽带高集成多级射频互连技术

针对微波电路三维集成结构的迫切需求,开展宽带高集成多级射频互连技术研究。主要设计了两种电路结构,多级水平互连电路与多级垂直互连电路。多级水平互连电路中,通过优化同轴-微带线的水平过渡以及倒角过渡方式,得到在DC～30GHz内的仿真结果,回波损耗优于21dB,插入损耗优于0.16dB;多级垂直互连电路中,通过优化BGA板间互连结构,得到在DC～30GHz内的仿真结果,信号的回波损耗优于13dB,插入损耗优于0.57dB。在小型化、高集成的需求下,宽带高集成多级射频互连技术是解决宽带射频信号传输问题的关键技术路径,可以广泛应用在微波电路三维集成结构中,具有重大的应用前景。     

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。     

超宽带矩形微同轴滤波器制备及性能分析

在射频微系统对高性能超宽带滤波器的需求下,基于矩形微同轴制备技术研究了10GHz～50GHz的超宽带矩形微同轴滤波器的设计及制备。在矩形微同轴传输线的电路基础上进行电路实现,对超宽带矩形微同轴滤波器模型进行仿真试验,结果显示,在10GHz～50GHz工作带宽内插入损耗小于0.8dB,回波损耗优于17dB,带外抑制达到45dB。基于矩形同轴结构的制备流程经过九次光刻-电铸-平坦化过程及一次介质支撑结构光刻后完成十层滤波器样件的制备,测得制备的滤波器样件性能与仿真曲线基本吻合,在40GHz时插入损耗为0.6dB,回波损耗为21.6dB,在5GHz和55GHz时带外抑制分别为41.8dB和43.9dB。矩形同轴结构的低损耗、高频段等优点在该超宽带矩形微同轴滤波器中有良好的体现。     

用于无线能量传输的高效GaN HEMTF类放大器设计

微波功率传输是实现空间太阳能电站的关键技术之一,本文给出了2.45GHz高效Ga N F类功率放大器的设计。仿真得到该功放功率附加效率为78.8%,输出功率40.3d Bm,该结果预示了其在相关领域的应用。最终对放大器电路进行了测试,实测得到放大器在2.45GHz工作频点上漏极效率为67.3%,饱和输出功率38.2d Bm,增益8d B。     

基于交错带状线3 dB电桥的大功率功放技术

在现今的军用电子系统中,功率放大器起着举足轻重的作用。功率合成器件作为功率放大器的重要组成部分,需要满足高合成效率、高功率耐受能力和小型化的特性要求。基于交错耦合带状线定向耦合器,通过宽带匹配级联设计了一款8 GHz～12 GHz的四路功率合路器。测试结果显示：四路功率合路器的隔离度<-15 dB,回波损耗<-19 dB,合成效率>78.7%。基于该四路功率合成模块研制了一款X频段功率放大器,样机尺寸为52 mm×38 mm×5.5 mm,放大器在8 GHz～12 GHz的最大输出功率为52.2 dBm (40%占空比),插入损耗<1.4 dB。与传统的平面结构相比,基于这种功率合成器的结构更紧凑,合成效率更高,隔离度更好,功率耐受能力更强,适用于卫星通信、雷达和电子对抗等领域。     

航天用高效率半导体激光器驱动电源

随着航天用半导体激光器功率的增加,对其驱动电源的效率提出了更高的需求,采用传统硬开关变换方式的反激已经无法满足效率要求。针对此问题,基于高可靠性器件和反激拓扑,研究一种高效率的恒流源实现方法。反激主电路采用准谐振的工作模式,谷底开通方式使其开关损耗大幅下降。利用一个电流互感器配合简单外围电路实现电流过零检测、输出电流平均值检测以及同步整流驱动三个功能,进一步降低了辅助电路的损耗。搭建了实验样机进行效率测试。结果表明:采用此设计方案的样机在额定负载下效率可以达到92%以上。     

一种Ka频段波导微带鳍线转换结构

为使波导微带转换的尺寸和性能更优,采用HFSS高频仿真软件里的样条曲线做波导微带转换的鳍线渐变曲线,使波导微带转换的过渡长度与采用其他渐变曲线在相同指标情况下相比更短一些。转换模型中的介质基片向标准矩形波导宽边两侧延伸四分之一波长并在其上各打一行孔径和间距合适的金属填充通孔,这样既便于固定基片,又能提高鳍线电路的隔离度。使用HFSS软件对该模型进行仿真优化分析后的结果为：在28．5～39GHz频带内得到大于25dB的回波损耗和小于0．1dB的插入损耗,基本达到预期目的。     

一种新型的毫米波段三功率分配器的设计

提出一种新型毫米波段平面三分支功率分配器的电路结构和设计方法。这种功率分配器电路具有结构简单，体积小，易于集成，以及无需安装隔离电阻，各支路之间仍具有较高隔离度的特点。对于毫米波段电路实现功率分配，简化电路有积极的意义。     

用作窄脉冲变换器的渐变传输线瞬态分析

采用一种先进的特征值方法，分析了渐变传输线的阶跃响应，由此详细讨论了渐变传输线的瞬态特性。我们着重于最先到达负载端的波及随后的下降过程，它们在决定窄脉冲激励时的响应波形及功率耦合效率上起着重要作用。数值结果表明，对任意端口匹配很好的渐变线，在负载、信号源阻抗及传输延迟一定时，初始波的幅度是不变的，当特性阻抗分布满足一定的条件时，可得到最慢的下降过程。在进一步的原理分析中采用了瞬时下降速度的概念，并     

高倍频程火山烟雾超宽带平板天线

在3m×1.5m×0.2m的尺寸限制下,基于电阻加载技术设计了一种新颖的高倍频程火山烟雾超宽带平板天线。该天线采用同轴馈电,通过扫参仿真优化低频匹配电路,实现了从标准的传输线阻抗(50Ω)到自由空间波阻抗(377Ω)的完美渐变,获得了最佳的低频拓展辐射性能。仿真结果表明天线在300kHz～300MHz的频带范围内驻波比(VSWR)小于2.5(S₁₁<-7.2dB),首次实现了1000倍频程超宽带辐射,远场辐射方向图表明天线在前向实现了近似均匀场辐射。研制了实物天线,并开展了实验测量,实验结果表明天线在前向实现了近似均匀场辐射,天线的波形保真特性良好,天线背向辐射小于5%。     

一种紧凑型高效率毫米波整流天线

为了提高毫米波无线输能系统的接收端效率,设计了一款基于缝隙耦合馈电的紧凑型高效率毫米波整流天线,该整流天线通过划分子阵,每个子阵单独进行能量转换,采用直流合成的方式进行整合输出,具有尺寸小、剖面低、易共形等特点。天线采用缝隙耦合馈电,馈线和辐射贴片分别在地板的两侧,有效的减少天线电路之间的影响,同时增大了天线的有效辐射面积。后端整流电路采用单二极管并联整流拓扑,利用扇形枝节作为直通滤波器进行直流滤波。该整流天线工作频率为35GHz,天线阵列增益为23.4dBi,实测在17dBm接收功率下具有最高58.65%的整流效率,可广泛应用于毫米波无线输能系统中。     

微波异频功率混合器合成效率探讨

简述了不同频率信号功率混合器的基本形式和端口关系,导出了合成效率表达式。分析了影响合成效率的主要因素。列举了实例。