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微波无线能量传输系统中的平面透射阵列天线研究

微波无线能量传输系统中的平面透射阵列天线研究

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作者：范雷莉重庆大学

学位级别：硕士

微波无线能量传输（Microwave Wireless Power Transmission,MWPT）技术可将电能以微波的形式从发射端传输到接收端,在向线缆不易架设、电池不易更换的地区供应电能时,具有无可比拟的优势。平面透射阵列天线能够将入射电场（馈源天线入... 详细信息

微波无线能量传输（Microwave Wireless Power Transmission,MWPT）技术可将电能以微波的形式从发射端传输到接收端,在向线缆不易架设、电池不易更换的地区供应电能时,具有无可比拟的优势。平面透射阵列天线能够将入射电场（馈源天线入射到平面透射阵列上的电场）分布调控成期望的辐射电场（接收天线处的电场）分布,可以满足不同MWPT应用场景的需求。本论文的研究旨在设计一种低剖面平面透射单元结构,降低平面透射阵列的重量和体积;进而,以满足MWPT不同应用场景的需求为目标,提出实现单点聚焦、近场赋形的平面透射阵列天线设计方法。本论文主要工作总结如下:（1）低剖面平面透射单元设计。基于广义散射理论,研究平面透射单元的透射系数（透射相位调控范围和透射幅度）与单元结构（金属贴片层数和介质基板层数）之间的关系;分析单元透射系数的变化规律,使用全波仿真结果验证理论研究结果的正确性;设计了一种由两层介质基板、四层金属贴片和一层空气间隙构成的低剖面平面透射单元。（2）单点聚焦平面透射阵列天线设计与实验。基于微波聚焦原理,计算单点聚焦平面透射阵列上各单元的透射相位,确定其与阵列中心单元透射相位之间的关系;研究阵列中心单元透射相位值φ0对聚焦性能的影响,提出了φ0的选取方法;设计单点聚焦平面透射阵列天线,进行全波仿真和实物实验验证。（3）平面透射阵列天线电场分布数学建模。为快速获得平面透射阵列天线电场分布,建立入射电场分布的NFPC（Near Field Principal Cut）数学模型,更加准确地获取了平面透射阵列上的入射电场分布,之后,考虑平面透射阵列上各单元的透射相位以及透射幅度,建立辐射电场分布的数学模型;使用单点聚焦平面透射阵列天线的全波仿真结果验证数学模型的有效性,奠定了近场赋形平面透射阵列优化设计中的参数寻优基础。（4）近场赋形平面透射阵列天线设计与实验。为实现特定形状的辐射电场分布,提出基于生物地理学优化算法的平面透射阵列天线优化方法,对平面透射阵列的透射相位分布进行优化,并根据优化结果获得相应的单元尺寸分布;设计两点聚焦平面透射阵列天线,验证了所提优化方法的有效性;进一步地,设计矩形聚焦平面透射阵列天线,对优化结果进行全波仿真和实物实验验证。

关键词：微波无线能量传输平面透射阵列天线低剖面单点聚焦近场赋形

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