微波无线能量传输接收整流段的直流合成技术研究

作     者：薛俊伟 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋立伟

授予年度：2021年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：微波无线能量传输 整流天线 整流电路 负载阻抗匹配 最大功率点跟踪 电隔离 反激电路 

摘      要：微波无线能量传输系统由微波发射分系统和接收整流分系统组成。接收整流分系统中整流电路的转换效率尤为重要,然而其极易受到输入功率（接收天线收集到的微波功率）和负载阻抗变化的影响,因此,难以保证整流电路的高效率工作。同时,接收天线和整流电路需要组成阵列才能获得更高的功率,但通常采用接收天线和整流电路共地的方式,这导致直流合成方案单一,仅能采用并联形式的问题。为解决上述问题,本文在现有整流电路的基础上,开展了整流电路负载阻抗匹配、最大功率点跟踪以及整流天线阵列电隔离的研究,为保证整流天线阵列高效稳定工作提供技术支撑。主要研究工作如下:（1）整流电路的负载阻抗匹配设计研究针对整流电路转换效率对负载阻抗极为敏感的问题,提出在整流电路和负载之间增加一个DC-DC变换电路的方案,设计该电路的输入阻抗与整流电路最佳负载阻抗相等,保证整流电路最高效率工作。首先,通过对DC-DC变换电路在电流连续和电流断续模式下输入阻抗与负载关系的分析,确定了 DC-DC变换电路的拓扑为升降压（Buck-Boost）变换电路,进而设计了单波和双波Buck-Boost变换电路方案。仿真表明,负载阻抗在250-5000Ω范围变化时,设计的单波和双波Buck-Boost变换电路可与最佳负载阻抗为100Ω、200Ω、300Ω和400Ω的整流电路相匹配,该电路的传输效率均在85%以上。最后,搭建了最佳输入功率为16dBm和20dBm整流电路的负载阻抗匹配实验平台,结果显示负载阻抗在230-2000Ω范围变化时,设计的单波Buck-Boost 变换电路效率为 85.13%和 87.15%,设计 的双波 Buck-Boost 变换电路效率为83.21%和86.64%,同时16dBm整流电路的转换效率为70.8%,20dBm整流电路的转换效率为64.3%,均接近整流电路的最高转换效率。（2）整流电路的最大功率点跟踪设计研究针对整流电路的转换效率极易受到输入功率影响的问题,提出采用扰动观察法设计Buck-Boost控制信号电路的方案,使Buck-Boost变换电路的输入阻抗可随输入功率变化实时调整到整流电路的最佳负载阻抗。首先,通过对最大功率点跟踪原理方法的研究,确定扰动观察法作为最大功率点跟踪方式的理论方案。其次,通过分析整流电路伏安特性曲线和测量数据,确定整流电路输入功率与最佳负载阻抗的参数关系,建立了整流电路输入功率与最佳负载阻抗关系的等效模型。然后,采用扰动观察法对Buck-Boost控制信号电路进行了设计。最后,建立整流电路最大功率点跟踪的仿真模型,进行了输入功率和负载阻抗变化下的最大功率点跟踪仿真,仿真结果表明:16dBm和20dBm整流电路在输入功率与负载变化时,该方案跟踪的整流电路转换效率与最大转换效率的偏差小于2%,同时Buck-Boost变换电路的传输效率在80%以上。（3）整流天线阵列的电隔离设计研究针对共地整流天线阵列的直流合成方式仅能采用并联方案,若在已研究的Buck-Boost 变换电路后续添加 DC-AC-DC 变换电路又会使整个变换电路传输效率降低的问题,提出采用反激电路作为DC-DC变换电路新拓扑形式的方案,该方案在保证整流电路负载阻抗匹配的同时可实现整流天线阵列的电隔离。首先,通过对反激电路在电流连续和电流断续模式下输入阻抗与负载阻抗关系的分析以及与Buck-Boost变换电路的对比,得出反激电路和Buck-Boost变换电路具有相似电路特性的结论。然后,通过分析反激电路各参数间的关系,设计了改进电隔离的理论方案。最后,通过仿真验证了方案的可行性。仿真结果表明:反激电路可以与最佳负载为100Ω、200Ω、300 Ω和400Ω的整流电路阻抗匹配,且电隔离的损耗比添加DC-AC-DC变换电路的方案降低了 6%。