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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

大功率激光能量传输多光束协同捕获瞄准与跟踪技术研究

以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景,以提高系统能量传输效率为宗旨,针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同捕获、瞄准与跟踪(APT)方法进行研究。首先通过对大功率激光无线能量传输系统的分析,获知了单光束激光无线能量传输系统的局限性,然后针对大功率、多光束激光无线能量传输系统的协同APT系统组成,分析了单终端多光束系统和多终端多光束系统的实现方法及构成,最后针对单光束、7光束和9光束发射系统的目标重构光斑进行仿真,仿真结果表明,通过精确的多光束协同APT系统可以实现光束重构,重构后的能量光斑能量密度和分布都能得到改善。文章的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备和理论依据。     

微波无线能量传输与收集应用系统的研究进展及发展趋势

随着无线技术的发展，包括感应式、磁耦合谐振式等传统形式的无线能量传输方式传输距离限制的缺点愈发凸显，制约了其在更多领域的应用推广。而微波无线能量传输技术的出现为解决这一问题提供新的思路，逐渐成为近年来研究的热点。微波无线能量传输应用系统根据接收端的状态不同分为静态应用系统与动态应用系统两种形式。静态点对点的输能系统包括艾利波束传输系统、点对点传输系统；动态传输系统的实现有多种多样的形式，主流的技术包括：基于相控阵技术的微波无线能量传输系统；基于方向回溯技术的微波无线能量传输系统；基于时间反演的微波无线能量传输系统。本文从微波无线输能系统的架构，不同工作方式的输能系统进行研究技术发展总结，最后在现有微波无线输能系统的研究进展基础上，分析概括了微波无线能量传输应用系统的未来发展趋势。     

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。     

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。     

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。