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。     

无线能量传输整流天线技术研究进展

近年来,无线电技术不断发展,其中无线能量传输技术可以实现无线供电,引起了广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。无线能量传输系统中的整流天线用来将接收到的电磁波转换为直流电,其转换效率是衡量系统能量传输能力的一个重要指标。文中首先介绍了无线能量传输技术的基本原理,接下来阐述了无线能量传输整流天线的研究进展,总结了近年来整流天线设计的主流技术方案,包括多频段和宽带整流天线、谐波抑制整流天线、高增益整流天线、双极化整流天线、大功率及负载范围整流天线、基于电磁超材料的整流天线等,并讨论了不同方案的关键技术及优势,展望了未来的发展趋势。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

全金属Fabry-Perot谐振腔天线

为实现远距离微波无线能量传输,发射天线应具有耐受大功率、高增益、低损耗和结构简单等优点。针对以上需求,文章设计了一款全金属结构的Fabry-Perot谐振腔天线。整个天线包含全金属腔体,波导馈口和双层金属栅格覆盖层。覆盖层的尺寸为3λ0 × 3λ0,λ0为对应的工作波长。每一层金属栅格都包含9 × 9个单元。所设计的双层覆盖层可以看作是一种电磁带隙结构,通过优化双层金属栅格单元的厚度和间距,实现了工作频段的宽带化,仿真结果表明其在9.72GHz~10.3GHz之间实现了插入损耗小于3dB的宽频带传输特性。通过电磁带隙结构对馈源辐射出来的微波进行幅度和相位的修正实现增益的提高,仿真结果表明：不加载双层覆盖层时该天线的增益为9.7dBi, 加上覆盖层之后增益提高到了17.76dBi。为了验证上述设计和仿真,加工制作了一款全金属结构Fabry-Perot谐振腔天线,实测结果表明：该谐振腔天线在10GHz实现了17.31dBi的高增益,同时在9.51GHz~11.42GHz之间获得了回波损耗大于10dB的阻抗带宽。     

微波整流腔的仿真设计与实验

文章设计了一种用于微波电真空二极管6D3D整流的圆柱凹型谐振腔结构;利用微波工作室软件,通过计算机仿真设计,找到了最佳的谐振腔尺寸;制作加工了腔体和耦合装置;实验测量了谐振腔的谐振频率、驻波比和品质因素,测得的谐振频率为2.46GHz,驻波比为1.6,品质因素为1640,测得的频率与计算机模拟结果相当吻合。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

天线近场特性的研究方法及其应用

本文对感应近场、Fresnel近场和远场的特点进行了比对;给出了研究天线近场特性所采用的方法,包括理论方法、数值和仿真方法及实验方法。最后,结合航天工程背景探讨了天线近场特性的空间应用。     

微波无线传能发射天线馈电相位鲁棒性优化设计

为保证微波无线传能系统具有可靠且高的传输效率,针对系统中发射天线存在的馈电相位误差,提出了一种基于最差情况分析的多准则优化设计方法。首先,推导了发射天线电性能参数与随机馈电相位误差的数学关系。其次,基于最差情况分析方法,建立了馈电相位随机误差的缩减区间描述模型。然后,提出了一种具有鲁棒性的波束收集效率优化设计方法。最后,通过蒙特卡洛方法验证了所提方法的有效性。