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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于连续模FV类的VHF频段放大器设计

文章利用CREE公司的CGH40006P，完成了VHF频段高效放大器设计，该设计不同于此频段的通常设计方法。设计中，基于连续模放大器FV模式的设计理论，在F类放大器偏置条件和基波阻抗的基础上，通过改变时域电压的波形，得到了连续模FV类模式下的阻抗条件。利用微波波形工程的方法，通过仿真，完成了放大器输出电压电流波形、动态负载线的设计控制以及对应的微波大信号特性。通过空气绕制电感、高Q射频电容及微带线，完成基波、二次谐波和三次谐波的匹配。在165MHz连续波输出情况下，放大器输出功率为39dBm，增益为26dB，功率附加效率为81%。 在150MHz～200MHz、 28%的相对带宽内，最大功率为39.1dBm；在全频带内，功率附加效率大于65%，最大功率附加效率为87.9%。在-40℃～+70℃温度范围内，放大器的输出功率及功率增益差别小于0.15dB。     

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。     

一种大功率电源模块的低功耗供电线路设计

为了提高大功率DC/DC电源模块的传输效率，降低电路的功耗，文章设计了一种合理的低功耗供电线路，为电源模块中的芯片提供稳定的低压直流输出电压。文中采用电压控制型MOSFET作为调整元件并结合输出电压反馈电路，避免了输入电压过高时因三极管工作电流限制造成的供电线路功率损耗过大问题，有效提高了大功率开关电源模块的传输效率和供电线路输出电压的稳定性。最后通过试验验证文中设计的供电路静态功耗小、传输效率高，且线路简单易于实现。     

6GHz-18GHz大功率高效率功率合成模块设计

超宽带功率合成是实现微波毫米波固态大功率发射机的关键技术。针对传统二进制功率合成方式合成效率低、体积大等缺点,提出一种新型同轴波导空间功率合成电路,采用Hecken形式渐变同轴过渡电路、渐变槽线微带过渡电路实现16路功率合成。实测结果表明,在6-18GHz频带内,功率合成器输出功率典型值为150W,电源效率典型值为20%,具有重要的工程应用价值。     

基于谐波调谐的F类30W高效率放大器设计

文章基于CREE公司的CGH40025氮化镓HEMT器件，利用谐波调谐的方法，设计了一种L波段F类30W高效率放大器。该放大器由偏置电路、输入匹配电路及输出匹配电路构成。偏置电路由四分之一波长线和射频电容构成，完成电源供电与射频厄流作用。在输入匹配网络中，利用共轭匹配，完成增益最大化设计，同时，利用RC网络构成稳定电路。在输出匹配网络中，利用微带开路和短路阻抗线，完成了基波阻抗匹配、二次谐波阻抗短路和三次谐波阻抗无穷大的设计。在1.5GHz处进行连续波测试，放大器输出功率为45.02dBm（31.7W），增益为15.7dB，功率附加效率（PAE）为71%，漏极效率（DE）为73%。 在频率1.25GHz～1.52GHz的带宽内，功率变化范围为44dBm～45dBm，附加效率变化范围为50%～72%。 测试结果表明，通过谐波阻抗的设计与调整，完成了对放大器输出电压和电流波形的控制，从而达到高效率放大器设计的目的。     

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。     

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％。     

L波段高效小尺寸功率放大器载片设计

为了应对当前市场对功率器件更低成本、更小尺寸和更优性能的要求，设计了一款工作频率为1.2～1.4GHz的高效率小尺寸氮化镓（gallium nitride,GaN）基功率放大器载片。使用有源时域负载牵引系统对GaN管芯进行在片测试并提取管芯的非线性行为模型，在先进设计系统（advanced design system,ADS）软件中利用模型进行阻抗匹配电路设计和仿真，将功率放大器端口匹配到了目标阻抗50Ω。该载片采用谐波控制技术使功率放大器附加效率提高了6%～8%，采用高介电常数的陶瓷材料将载片电路集成在8mm×8mm。实测结果显示，放大器在漏源电压28V、100us脉宽和10%占空比脉冲输入的工作条件下，在小尺寸的载体上实现了输出功率大于56W，功率附加效率大于78%的高效率指标。     

毫米波功率合成技术及三维堆叠封装

为了在毫米波段内实现更大的功率输出,提出了一种毫米波功率合成技术及三维堆叠封装。基于MEMS工艺平台,设计了硅基基片集成波导功分器,在33～37 GHz实现了20 W的功率合成;利用晶圆级键合技术,将功分器和功率放大器进行三维堆叠封装,实现小型化和高密度集成,并通过实验验证了毫米波大功率合成以及三维堆叠封装的可行性。     

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。     

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。     

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。