面向微波能量传输的高性能微波源和整流天线研究

发布时间：2020-10-12 21:49

　　 无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)是一种将电能通过电磁波直接由源端传递至受电端的电能供给模式。它一改传统只能依靠电导体传输电能的供电方式,旨在消除连接到电子设备的所有电力电缆。采用微波作为载体的无线能量传输又称为微波能量传输。微波能量传输系统主要包括由微波源和发射天线组成的发射端,以及由接收天线和整流电路组成的接收端。其中接收端的能量转换效率是微波能量传输技术研究的关键。一方面,整流天线的效率受限于整流二极管的内部损耗;另一方面,由于整流二极管的非线性特性,整流电路和接收天线之间的匹配通常因受到输入功率、频率和负载变化的影响而难以保持高整流效率。针对上述问题,本文首先在发射端设计一个能产生脉冲信号的高功率集成天线微波源,以高峰均比的载波减小接收端整流天线中二极管的阈值屏障引起的能量损耗,从而实现更高的整流效率;然后在接收端设计多种具有宽输入功率、工作频率和负载范围的高效率整流电路和天线。本文主要研究内容如下:(1)提出了一款基于自谐振天线阵列的集成微波源,用以产生具有高峰均比的脉冲信号。首先,提出了两种同时充当储能系统、脉冲发生器和辐射体的集成天线微波源的单元结构,并在上述单元结构的基础上构建了一阶、二阶和四阶的集成天线微波源。与传统的微波能量传输系统中微波源和发射天线级联的方式相比,提出的集成天线微波源的结构更加紧凑、简单。实验结果表明多个单元的脉冲可以实现同相叠加。因此通过放置多个单元设计多阶集成天线微波源即可实现输出高功率脉冲。与现有的高功率微波源相比,提出的微波源具备更强的可拓展性。(2)提出了一种反射功率回收网络的概念,用以拓宽整流电路的输入功率、工作频率和输出负载范围。将反射功率回收网络置于整流电路和接收天线之间,当输入功率、工作频率和输出负载变化导致整流电路阻抗失配时,反射功率回收网络便能回收阻抗失配时电路产生的反射能量,进而提高整流效率。基于上述概念,进一步设计了两个反射功率回收网络,其中第一个功率回收网络具有宽频化特性,而第二个功率回收网络则具有更加紧凑的结构。经仿真验证,基于第一个反射功率回收网络的整流电路能在宽动态输入功率、工作频率和输出负载范围内保持高整流效率;基于第二个反射功率回收网络的整流电路能降低整流效率对输入功率变化的敏感性,且工作在更高功率级。实验结果与仿真结果相吻合。(3)提出了包括单频和双频设计在内的两种复阻抗压缩网络,用以提高整流电路设计中的整流效率。提出的复阻抗压缩网络连接在整流电路输入端,通过减小整流电路输入阻抗随输入功率变化的阻抗范围,提高整流电路的匹配性能,进而提升输入功率范围内的整流效率。与电阻压缩网络相比,复阻抗压缩网络能直接压缩复数阻抗的变化范围,因此具有更大的设计自由度。在详细分析复阻抗压缩网络的工作原理和设计方法的基础上,设计和加工了一个工作在2.45 GHz的基于复阻抗压缩网络的单频整流电路和一个工作在2.45 GHz和5.8 GHz的基于复阻抗压缩网络的双频整流电路。实验结果表明,与普通整流电路相比,所提出的基于复阻抗压缩网络的整流电路可在不损耗最大整流效率的同时,提高低输入功率水平下的整流效率,拓宽其工作功率范围。此外,基于复阻抗压缩网络的整流电路比基于电阻压缩网络的整流电路具有更简单和紧凑的电路结构。(4)提出了一款具有宽动态工作功率范围的宽频整流天线。首先,设计了一款工作频率为1.68 GHz-2.72 GHz具有47.3%相对频率带宽的宽频圆极化天线。随后,提出了一个由阻抗调制网络和宽频电阻压缩网络构成的宽频宽功率匹配网络,用于改善整流电路中宽输入功率和频带内的阻抗匹配性能,并对其工作原理和设计公式进行了详细地分析和推导。基于上述工作,设计了一种基于宽频宽功率匹配网络的整流电路。仿真和测试结果显示,相比传统的电阻压缩网络整流电路和普通宽频整流电路,提出的整流电路能在更宽的频率范围内实现阻抗压缩,提高阻抗匹配性能,进而在更大的频带内降低整流效率对输入功率变化的敏感度。最后,结合上述宽频圆极化天线和整流电路,设计了一款具有宽动态工作功率范围的宽频整流天线,并搭建了一个完整的无线能量传输系统,测试了其在宽输入功率和频率范围内的整体效率。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM724;TN820;TN015
【部分图文】：

图 1.1 电磁谐振耦合式的无线能量传输系统[1]技术主要通过电磁波辐射的方式进行无线波传输两种。远场无线能量传输的传能距1 MW），传能位置灵活度高，但同时也会由两种形式实现，如图 1.2 所示。一种是备为一定范围内的传感器或移动终端供电为传感器供电。目前，远场无线能量传输效率能量转换、捕获与利用、设备轻量为载体的无线能量传输技术具有传输功率在环境复杂的情况下，为远距离、广覆盖成信息的交互。故而微波式无线能量传输利用和微传感器携能通信等领域进行应用用电设备提供新的电能传输方式。

图 1.1 电磁谐振耦合式的无线能量传输系统[1]输技术主要通过电磁波辐射的方式进行无线传微波传输两种。远场无线能量传输的传能距离 - 1 MW），传能位置灵活度高，但同时也会带以由两种形式实现，如图 1.2 所示。一种是采设备为一定范围内的传感器或移动终端供电；备为传感器供电。目前，远场无线能量传输的高效率能量转换、捕获与利用、设备轻量化与作为载体的无线能量传输技术具有传输功率大合在环境复杂的情况下，为远距离、广覆盖的完成信息的交互。故而微波式无线能量传输可利用和微传感器携能通信等领域进行应用，为动用电设备提供新的电能传输方式。

统的效率具有重大意义。除了直接改进整流电路的结构以提高整流效波的调制，如以高峰均比（High Peak-to-Average Power Ratio, PAPR），同样能提高整流效率[8]。因此，还可以从微波源展开研究，通过对高微波能量传输接收端，甚至整个系统的效率。内外研究现状外研究现状 1899 年，Nikola Tesla 便提出了无线能量传输的概念，并进行了第一验。图 1.4 所示为特斯拉的微波能量传输实验以及他后来领导建造的该实验类似于近期在美国伊利诺伊州芝加哥市举行的“世界哥伦比亚博量传输用于“点亮”白炽灯的演示[10]。第二次世界大站之后，随着磁控，高功率微波源的发展取得很大进步，这也在很大程度上促进了无线展。
【参考文献】

相关硕士学位论文 前2条

1 林权纬;无线输能中的高效宽功率范围整流电路研究[D];华南理工大学;2016年

2 国家品;用于微波能量传输的高效微波整流器设计[D];上海交通大学;2013年

本文编号：2838322