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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

5.8GHz回旋波整流器整管设计

回旋波整流器把微波能转变为直流电,是微波输电的关键器件之一，文章对5.8GHz回旋波整流器进行了整管设计；运用CST电磁仿真软件结合理论分析开展了高频结构、磁体设计、电子枪、过渡区、能量耦合结构的研究，设计了工作在5.8GHz,带宽60MHz,输出电压26kV，输出功率7kW，整管整流效率达到60%的回旋波整流器。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

100W微波等离子推力器的调试与地面实验

微波等离子推力器(MPT)谐振腔只有在谐振状态下，微波能量才能被高效地用于加热工质产生推力。采用微波无源器件回波损耗的测试方法对100W MPT谐振进行精确地调谐，分析微波能量的吸收效率及谐振频率带宽，研究腔体尺寸、微波耦合探针位置在同一谐振频率条件下的匹配性。在地面条件下，对100W MPT系统进行了实验，利用推力器腔体内的高电场强度可直接使系统推力器腔体中工质电离，其最高能量吸收效率可达98．3％。     

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％。     

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。     

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。     

高功率微波能量传输特性及电波环境效应研究

高功率微波能量传输是空间太阳能电站能源系统的关键技术。在能量传播过程中受降雨等因素影响发生衰减。计算结果表明,传输仰角越低,降雨强度越大,能量传输效率越低。非相干散射雷达观测的分析证实了高功率电波的注入使得电离层环境特性发生一定变化,导致电离层电子温度、电子密度增加和不稳定性的发生,并通过计算机模拟,初步探索电子温度、电子密度增加机理,这对研究高功率微波传输特性,建立传播效应模型具有重要的意义。     

空间太阳能电站发展历程回顾与前景展望

为了准确把握空间太阳能电站领域的未来走向和发展要点，回顾了国际和国内空间太阳能电站的发展历程，介绍了当前最具代表性的几个系统方案。围绕空间太阳能电站的核心 微波能量传输技术，阐述了系统设计、空间巨型天线阵列、高效微波功率源、高效微波整流表面等关键技术的发展现状。空间太阳能电站将成为世界航天的新里程碑，而国际合作将成为空间太阳能电站发展的途径，三明治结构将在空间太阳能电站发展中发挥重要作用。     

大功率微波吸收箱的设计与应用

介绍了用于天线馈源系统大功率微放电测试的S波大功率微波吸收箱的设计原理与应用。根据电磁波在有耗色散媒质中的反射和透射特性，优化平板吸收材料的本构参数及厚度，使其反射系统达到最小，从而使天线馈源辐射场能量几乎完全被吸收材料吸收，产生的热量经由箱体外表面释放，箱体外表面喷涂高散射率温控漆以增加热辐射效率。根据上述设计规范，设计出了用于天线馈源大功率微放电测试的耐大功率耐高温的S波段微波吸收箱，其反射损耗优于22dB，工作平均功率不小于150W，工作脉冲功率不小于700W，工作温度－60℃－150℃，大功率微波吸收箱的研制成功，不仅解决了天线馈源大功率微放电测试问题，提高了天线分系统的可靠性，为某型号两颗卫星的研制成功作出了重要贡献，而且国家节约了上万美元的外汇，产生了良好的社会效益和经济效益。     

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。