毫米波整流天线及阵列研究

发布时间：2018-01-14 17:32

  本文关键词：毫米波整流天线及阵列研究　出处：《上海大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：微波输能(MPT,Microwave power transmission)技术以微波为载体,在两点之间进行能量的无线传输,是太阳能卫星计划、分布式可重构卫星系统、近空间飞行器和无线传感网络的关键技术。毫米波输能系统具有体积小、传输效率高等优点,已成为国内外研究的重点。整流天线将微波能量捕获并转换为直流,是MPT系统的关键部件。本论文主要研究Ka波段整流天线及其阵列的基本设计理论与实现方法,主要包含以下三个方面内容:第一,研究设计了毫米波整流电路。由于理论公式和软件仿真在毫米波整流电路设计上的局限性,采用实验方法来获取二极管输入特性。根据测试电路得到二极管在Ka波段上的输入阻抗,设计了二极管并联和串联毫米波整流电路。在35GHz上,当输入功率为19dBm时,测得整流电路的最大转换效率达到51%以上。在10dBm低输入功率下,效率大于30%的带宽分别达到11.4%和6.3%,具有宽带整流的特性。第二,提出了三种中心频率为35GHz的高增益宽带毫米波天线。提出在贴片周围加载SIW(基片集成波导,Substrate Integrated Waveguide)腔的方法,使SIW缝隙耦合贴片天线单元增益提高了1.5dB,实测其4元阵增益达到14.7dBi,阻抗带宽为18.5%;提出圆形互补PRS(Partially Refletive Surfaces,部分反射面)结构,结合SIW腔加载实现了高增益宽带、双极化Fabry-Perot毫米波天线,实测其公共工作带宽为7.1%,在两个极化方向上增益分别为15.1dBi和16.1dBi;利用所设计的零介电常数超材料加载,提出了等波束、高增益以及具有谐波抑制功能的Vivaldi缝隙天线,实测增益提高到11.1dBi,相对阻抗带宽为38.6%。第三,基于设计的Ka波段整流电路和天线,提出了两种工作在35GHz的二极管串联型整流天线单元及阵列。在10mW/cm~2的低输入功率密度下,SIW缝隙耦合贴片整流天线和超材料加载Vivaldi缝隙整流天线的单元转换效率分别为35%、47%,输出直流功率分别大于3.5mW、7.5mW,效率性能已达到国际领先水平。此外,提出的4×4贴片整流天线阵列在距离发射天线5cm处,获得14%的系统转换效率。
[Abstract]:Microwave energy transmission (MPT / microwave power transmission) technology takes microwave as the carrier and carries out wireless transmission of energy between two points. It is the key technology of solar satellite program, distributed reconfigurable satellite system, near space vehicle and wireless sensor network. Millimeter wave energy transmission system has the advantages of small size and high transmission efficiency. The rectifier antenna captures microwave energy and converts it to DC. Ka-band rectifier antenna and its array are studied in this thesis, which includes the following three aspects: first, this thesis mainly studies the basic design theory and implementation method of Ka-band rectifier antenna and its array. The millimeter-wave rectifier circuit is studied and designed, because of the limitation of theoretical formula and software simulation in the design of millimeter-wave rectifier circuit. The input characteristics of the diode are obtained by experimental method. According to the input impedance of the diode at Ka band, the diode parallel and series millimeter-wave rectifier circuits are designed at 35GHz. When the input power is 19dBm, the maximum conversion efficiency of the rectifier is more than 51%. At the low input power of 10dBm, the maximum conversion efficiency is over 51%. The bandwidth with efficiency greater than 30% is 11.4% and 6.3, respectively, which has the characteristics of broadband rectifier. Three high gain wideband millimeter-wave antennas with a central frequency of 35 GHz are proposed, and SIW (substrate integrated waveguide) is proposed to be loaded around the patch. By the method of Substrate Integrated waveguide cavity, the gain of SIW slot coupled patch antenna is increased by 1.5 dB. The measured four-element array gain is 14.7 dBi.The impedance bandwidth is 18.5dBi. A circular complementary PRS(Partially Refletive surfaces (partial reflector) structure is proposed. High gain wideband is realized with the loading of SIW cavity. The dual-polarization Fabry-Perot millimeter-wave antenna is measured with a common bandwidth of 7.1 and gains of 15.1dBi and 16.1 dBiin the two polarization directions respectively. An Vivaldi slot antenna with equal beam, high gain and harmonic suppression is proposed using the designed zero dielectric constant supermaterial. The measured gain is increased to 11.1dBi. The relative impedance bandwidth is 38.6. Thirdly, the Ka-band rectifier circuit and antenna are designed. Two diode series rectifier antenna units and arrays operating at 35GHz are proposed under the low input power density of 10 MW / cm ~ (2). The unit conversion efficiency of SIW slot coupled patch rectifier antenna and supermaterial loaded Vivaldi slot rectifier antenna is 35 ~ 47 and the output DC power is more than 3.5 MW respectively. The efficiency of 7.5mW has reached the international leading level. In addition, the proposed 4 脳 4 patch rectifier antenna array has achieved a system conversion efficiency of 14% at a distance of 5 cm from the transmitting antenna.
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN820

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本文编号：1424605