无线输能系统中的宽动态范围整流器的分析与设计

发布时间：2020-04-06 01:28

【摘要】：无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术是指无需借助传统的导线而将能量从源传输至接收端的技术方法。微波输能(Microwave Power Transmission,MPT)是一种采用微波作为能量传输载体的无线能量传输。它具有传输距离范围广、应用场景多,传输能量大等诸多优势,得到了广泛的研究与应用。整流电路是MPT系统中的重要组成部分,其功能是将系统接收端接收到的微波信号转换为直流能量为终端设备供能。由于整流电路中的整流二极管具有非线性特性,其工作功率、频率和负载发生变化时均会引起整流效率衰减。针对该问题,本文将主要研究如何扩展整流器的动态工作范围,具体来说,主要研究内容如下:(1)一种基于新型能量回收技术的宽功率范围整流器设计。该设计提出了一种基于分支线耦合器的能量回收网络,用以回收低输入功率下的反射能量,从而扩展整流电路的适用功率范围。电路中,分支线耦合器的两个输出端口分别与两个设计用于对较高输入功率进行整流的支整流电路(主整流枝节)相连,同时分支线耦合器的隔离端口与一个设计用于对较低输入功率进行整流的支整流电路(能量回收枝节)相连。利用分支线耦合器的特性,在低功率输入下,主整流枝节上的反射能量会被收集到能量回收枝节上进一步整流利用。因此,反射的能量可以被有效的回收利用,从而提升电路的总体整流效率,扩展电路的适用功率范围。文章中给出了详细的理论推导,并且与不带能量回收网络的整流电路进行性能比较。结果表明,本设计具有能量回收的功能,扩展了电路的适用功率范围。为了实际验证,设计了一个工作在2.45GHz的整流电路并做版测试。经测试,整流电路在输入功率为8.5到32.5 dBm的范围内保持整流效率50%以上,证明该设计在保持高效率的同时扩展了电路的适用功率范围。(2)一种基于嵌入型阻抗压缩复阻抗压缩网络的小型化宽功率范围整流电路。该电路为单路结构,由一个阻抗匹配网络、一个融合了嵌入型复阻抗压缩网络(Integrated Impedance Compression Network)的整流部分和一个直通滤波器组成。与之间已提出的双路阻抗压缩的研究不同,本文提出的IICN连接了两个并联的整流二极管组成了单路结构。应用所提出的IICN能够有效地压缩整流二极管随输入功率变化的阻抗,从而使得电路的阻抗匹配在不牺牲其他性能的情况下得以改善。IICN的另一个优势是相较于已有的一些研究来说,减小了电路的体积和设计的复杂度。文章中给出了IICN的理论分析和推导,并设计了一个工作在2.45GHz上的整流电路来验证该理论分析,仿真和测试结果高度吻合。(3)基于电压调制技术的宽功率范围整流电路的研究与设计。该研究首先讨论了整流二极管接地线对整流二极管上的加载电压的调制作用,发现通过电压调制可以控制整流电路的最大效率功率点以及输出直流电压。利用该特性,设计了一个电压调制组合网络。该网络由一对具有不同长度接地线的并联整流二极管组成,不但可以使得整流电路在不同的功率点上取得高效率,并且可以扩展电路整体的适用功率范围。文章中给出了相关的理论推导和分析,并设计了一个工作在2.45GHz的整流电路来验证该理论分析,仿真和测试结果验证了该理论的准确性。最后还对该技术与其他技术的兼容性设计的可行性做了分析(4)设计了一种超宽带小型化宽频率范围整流器。该设计结构简单,电路由两个倍压整流电路组合而成。文章中分析了倍压整流电路在一定频率范围内的阻抗变化,首次提出并分析了倍压整流电路的谐波抑制功能,并根据倍压整流电路的频率阻抗特性,设计了相应的小型化匹配电路,实现了电路在超宽带上的高效率整流。电路做版测试结果能够证明理论分析的正确性和有效性,在0.1到4GHz的范围内保持50以上的整流效率。
【图文】：

示意图,太阳能卫星,示意图

与意义前世界上最受关注的核心问题之一，在经历了大量能源的发展阶段之后，人类开始意识到包括可持续系列问题。为了解决大量使用化石能源所带来的危发上。太阳能是一种可再生的清洁能源，，目前已经相较于太阳实际辐射出的巨大能量来说，人类有效用率实际上非常的低。问题，美国 Peter Glaser 博士于 1968 年提出了太阳，其示意图如图 1-1 所示[1-2]。该系统的核心思想是上布置太阳能卫星来收集空间太阳能，然后通r Transmission, MPT)传输到地球供人类使用。SPS 计洲都纷纷开展相关技术研究，大大促进了微波输能的无线输能技术正式进入了大众的视野。

示意图,输入电压,二极管,波形

将二极管的结电压表示为：,0 ,1cos( t), if diode is off, if diode is ond ddbiV VVV 表总的结电压， ,0、 ,1分别代表结电压的直流分管正向导通时，结电压总是等于二极管的正向导通进行分析，当二极管关断时，二极管上的寄生电阻二极管上，因此容易得到,0 ,0,1 ,1i di dV VV V 输入电压是相等的，但由于结电容的存在，结电压了证明的方便，同时考虑到结电容足够小，这个相
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724;TM461

【参考文献】