5.8GHz高效率整流天线阵列布局及电路设计方法研究

发布时间：2020-07-10 00:33

【摘要】：微波能量传输是一种利用微波进行远距离能量传输的方法,适用于不易获取直流电能的场合,在空间、军事、民用、医学等领域都具有广泛应用前景。微波能量传输系统由微波发射天线子系统与接收整流天线子系统组成。其中接收整流天线分系统由接收天线,整流电路与直流合成电路构成,是微波无线能量传输系统的关键部件之一。目前,接收整流天线多以阵列形式出现,然而国际上对于整流天线的阵列设计仍然没有完善的理论支持。针对于这一点,本文以实现接收整流天线阵列的高效率为目标,从子阵布局方法研究、高效微波整流与直流合成电路设计三方面开展研究,主要工作如下:(1)接收天线的阵列布局方法研究针对接收整流天线阵列现有两种阵列布局方法低效率与高复杂度的问题,提出了子阵布局方法。以Friis方程为基础,建立了子阵接收功率计算模型,基于此计算模型,建立了以子阵接收功率均匀化为优化目标的子阵布局优化模型,并利用局部搜索算法对该优化模型进行求解。通过数值仿真与现有两种布局方法进行对比,验证了子阵布局方法的有效性。(2)高转换效率整流电路设计以高转换效率为目标,设计得到了两种具有不同输入功率的高效整流电路。首先,借助ADS以HSMS2860与HSMS2820二极管为核心,进行了输入功率分别为16dBm与26dBm两种整流电路的设计与仿真。随后,基于提出的效率与大信号反射系数的测试方法,对两种整流电路进行了测试,仿真与测试结果表明,两种整流电路的仿真整流效率分别为80%与78.5%,测试整流效率分别为75%与62%,反射系数均低于-20dB,验证了本文所设计整流电路的高效性。(3)直流合成的串并联方法研究针对传统直流合成方法损耗大,带负载能力差的问题,进行了动态串并联方法的研究。利用整流电路测试数据,建立单整流电路的等效电路模型。基于单整流电路等效电路模型,推导得到整流电路阵列串并联系统输出端的伏安特性曲线,并通过搭建串并联测试平台,验证了推导关系的正确性。基于此推导关系,以增强整流电路阵列的带负载能力为目的,建立了动态串并联优化模型,并利用遗传算法对模型进行求解。最后给出易于实现的动态串并联电路形式。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN820;TN702
【图文】：

日本,飞行试验,加拿大,直流功率

图 1.4 日本 MINIX 实验，加拿大在 SHARP 项目的飞行试验[8]，利用 2.45GHz 器在 150m 高空持续飞行 20 分钟（如图 1.5 所示）。其接 400W/m2，接收直流功率达到 150W。图 1.5 加拿大 SHARP 飞行试验，法国国家科学研究中心在留尼汪岛搭建能量传输系统并通过微波成功为附近村庄提供电能[9]。

整流天线

图 1.6 日本兵库 JAXA 在 2015 年的 MPT 实验而我国微波传能实验起步较晚。虽然很多技术都不成熟，但是同样出现了一些较为优秀的成果。如 2009 年，四川大学完成的微波能量传输实验，利用平面天线作为发射端，整流天线阵列作为接收端，其传输距离为 200m。这是国内较早进行的远距离微波输能的外场实验。1.2.2 整流天线的研究现状作为射频整流的先驱者，1970 年 W.C.Brown 采用肖特基二极管和桥式整流方法，在频率 2.45GHz 下，得到 76%的整流效率[11]。之后的 1977 年，他采用特定的 GaAs 势垒二极管，以及半波振子天线结构，通过对滤波器拓扑结构进行改良，在接收功率为 8W 的情况下，得到了迄今为止最高的转换效率为 90%[12]。

整流电路,双频

图 1.8 2.45GHz 与 5.8GHz 双频整流电路在功率方面，追求超低功率、大功率以及宽输入功率范围。，2013 年，四川大学张彪等人为了满足微波能量传输的大功了一种结合功率合成器和肖特基二极管阵列的大功率整流电 40dBm，均取得 60%以上的整流效率（如图 1.9 所示）。图 1.9 四川大学张彪等人设计的大功率整流电路京都大学 Shinohara 团队研制的高灵敏度微波整流电路[16]，如

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