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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

环境电磁能量回收的新颖策略与方法

由于无线通信的高速发展，自由空间环境中存在丰富的电磁能量，可作为低功耗器件的有效能源补充。但环境中分布的电磁能量存在位置未知、频率未知以及功率不均等特点，而现有的采用定向接收天线的电磁能量回收系统在此环境下通常存在回收效率低下、尺寸大的缺点。针对上述局限性，本文分析其关键因素，从能量接收和能量转换两个关键环节提出新的策略，通过提升天线对分布在不同方向上的电磁能量的回收能力以及增强整流电路对不同输入功率电磁能量的转换能力来有效提升能量回收效率，实现了三种解决方案。实验结果表明，基于准各向同性天线的回收系统能够对全方位空间上的电磁能量进行有效的回收利用；基于全向天线的回收系统可更集中地回收水平方位所有角度上的电磁能量；基于宽输入功率整流电路的回收系统能够对天线收集到的不同功率的电磁能量进行高效转换。因此，本文提出的环境电磁能量回收的方案可以为能量回收提供新的思路，有助于推动电磁技术在能量回收领域的发展和实践绿色环保的可持续发展理念。     

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。     

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。     

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。     

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。     

电磁波的极化控制

电磁波变极化的三条件是功率分配器、移相元件和功率合成器。等幅的空间正交的两路电磁波同时输入功率合成器中,控制两支路中的移相元件,即可得到任意极化的电磁波。简介应解决的问题,给出有关电路和结果。     

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。     

激光无线能量传输接收装置研究

通过对激光无线能量传输过程中影响接收装置效率的因素进行分析,结合光电池最优布局和最大功率跟踪技术,提出一种高转换效率的激光无线能量传输接收装置,实现接收装置转换效率不受负载阻抗的影响,研制出转换效率高达29.6%的激光无线能量接收装置。     

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。     

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％。     

MW级SPS微波能量传输系统微波源相位误差的影响分析

以多旋转关节空间太阳能电站（SPS）为应用系统,介绍了MW级SPS微波能量传输系统顶层设计参数。针对微波功率源相位误差对微波能量传输的影响问题,建立了分析模型,提出分析方法,并从波束收集效率下降容限的角度,用一维模型对百米量级能量发射阵列进行了分析,据此给出了对大规模微波源相位误差的要求,为MW级SPS的微波能量传输系统设计提供指导。