微波输能的宽带天线与整流电路设计研究

发布时间：2020-11-12 21:27

　　 随着无线通信技术和物联网技术的飞速发展,传感器等终端节点进行无线充电的需求越来越大。微波输能技术是利用微波辐射进行能量传输的一种方式,具有转换效率高、环境影响小、传输距离长等特点,拥有广泛的应用前景。整流接收系统是微波输能技术的核心部分,由接收天线和微带整流电路组成,决定着整个微波输能系统的效率。本文在总结微波输能系统的研究历史和现状的基础上,通过分析微波输能技术的相关原理,设计出适用于微波输能的宽带方向性天线和整流电路,并通过实物测试来验证其性能。通过分析贴片辐射边切口数量和馈电点位置对天线带宽的影响,以E型槽和U型槽相结合和改变馈电点位置的方式,实现了宽带方向性的微带辐射天线。该天线具有9dB的增益,可实现50.8%的相对带宽,具有较高的方向性,能用作无线充电系统的收发天线。通过分析多辐射单元对提高天线增益以及加载寄生贴片对扩展天线带宽的影响,对多元辐射贴片天线的馈电网络进行改进,设计出具有差分馈电网络的二元辐射天线。并在辐射贴片上方加载寄生单元,在提高天线增益的同时,扩展天线带宽,并且能有效减小天线的体积尺寸。实测结果表明,该天线能实现41.3%的相对带宽,并且具有9.1dB的增益,体积相比于普通的多元辐射天线大大减小。通过分析肖特基整流二极管的性能,设计出基于肖特基二极管的倍压整流电路,同时还设计了相应的微带输入滤波器、匹配电路和输出直流滤波器。实测结果表明,在输入功率为20dBm的情况下,该整流电路输出电压达到3.674V,能够驱动阻抗为150Q的直流负载。整流电路的实物测试表明,整体电路性能达到预期目标,可用于微波输能系统。论文所设计的宽带方向性天线和整流电路,对微波输能系统的设计具有参考意义,同时也具有实际应用价值。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【部分图文】：

２０世纪９０年代之后，随着二极管等微波器件制作工艺的成熟，整流天线得??以快速发展。２０１５年，Ｒａｍｏｓ等人设计了一款工作在２．４５ＧＨｚ频段的折叠偶极??子整流天线旧１，如图１－１所示。该整流天线以微带线作为馈电网络，以折叠偶极??子作为接收天线，以四分之一波长微带线及其并联电容作为输出滤波器。为了提??高接收天线的增益，增大系统的转化效率，在底部増加反射板，以实现能量的再??次利用。该整流天线在ｌｕＷ／ｃｍ２功率密度的环境下，输出端的功率在１５ｕＷ左??右。这种整流天线设计简单，结构紧凑，具有较高的接收整流效率，但缺点是采??用的线极化天线，可能会降低天线的接收能力。??？?，膽?，Ｌ＇ｍ：．１１：４?１?——???｜｜?１６．９８?Ａｎｔｅｎｎａ???ｆｕ?Ｌｏｗ?ｂａｎｄ?ｒ？ｃｔ＞ｆｌ？ｒ??＾?—１—?ｉｌＫ－??图１－１折叠偶极子整流天线?图１－２双频圆极化缝隙整流天线??偶极子是单极化天线

２０世纪９０年代之后，随着二极管等微波器件制作工艺的成熟，整流天线得??以快速发展。２０１５年，Ｒａｍｏｓ等人设计了一款工作在２．４５ＧＨｚ频段的折叠偶极??子整流天线旧１，如图１－１所示。该整流天线以微带线作为馈电网络，以折叠偶极??子作为接收天线，以四分之一波长微带线及其并联电容作为输出滤波器。为了提??高接收天线的增益，增大系统的转化效率，在底部増加反射板，以实现能量的再??次利用。该整流天线在ｌｕＷ／ｃｍ２功率密度的环境下，输出端的功率在１５ｕＷ左??右。这种整流天线设计简单，结构紧凑，具有较高的接收整流效率，但缺点是采??用的线极化天线，可能会降低天线的接收能力。??？?，膽?，Ｌ＇ｍ：．１１：４?１?——???｜｜?１６．９８?Ａｎｔｅｎｎａ???ｆｕ?Ｌｏｗ?ｂａｎｄ?ｒ？ｃｔ＞ｆｌ？ｒ??＾?—１—?ｉｌＫ－??图１－１折叠偶极子整流天线?图１－２双频圆极化缝隙整流天线??偶极子是单极化天线

器进行滤波，但低通滤波器的加入势必会增大系统的尺寸，还会因插入损耗而降??低系统的整流效率。２０１０年Ｔａｋｈｅｄｍｉｔ?Ｈ等人设计了一款具有谐波抑制功能的整??流天线［１５］，如图１－３所示，通过在接收天线的馈线下部加载正交谐振支节，实现??对高阶谐波的抑制。该天线结构采用二倍压整流方式，转换效率达到８３％。???＾１???■今??ＳｃｈｏｔｔＫｙ?ｄｉｏｄｅ??＿」ＨＳＭＳ?２８６０??ｆ?）＾１?＾??＂６?Ｌ１??“＝３２．３８，?Ｌｊ＝４１．２８，?Ｌ３＝１８．０，?Ｌ４?＝?１５．９，?６．６７，?Ｌ６＝３．４７??Ｌ７－１４．６，?Ｌａ－?７．２，?Ｌｇ－１４．６??图１－３倍压谐波抑制整流天线??台湾大学的Ｊｕｉ－Ｈｕｎｇ?Ｃｈｏｕ等人也设计了一款谐波抑制微带整流天线［１６］，如??图１－４所示，该天线分上下两层，上层辐射贴片是倒Ｆ型接收天线，天线表面加??载Ｕ型缝隙来进行谐波抑制，下层是微带整流电路，该整流天线实现了最大??８３．１％的转换
【参考文献】

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本文编号：2881264