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微波无线能量传输回复式反射跟踪聚焦技术

微波无线能量传输回复式反射跟踪聚焦技术

作者：阮柏栋南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,随着各种移动/便携式电子设备的大量涌现,如何更方便高效地为这些设备供能逐渐成了当下热门的研究课题。作为传统有线和电池供能的代替方式,无线供电技术受到了研究者和工业领域的广泛关注。微波无线能量传输是解决中远距离无线... 详细信息

近年来,随着各种移动/便携式电子设备的大量涌现,如何更方便高效地为这些设备供能逐渐成了当下热门的研究课题。作为传统有线和电池供能的代替方式,无线供电技术受到了研究者和工业领域的广泛关注。微波无线能量传输是解决中远距离无线供电的一种可行方案,其主要通过辐射电磁波来传输能量。然而将微波无线能量传输应用于移动/便携式电子设备无线供电时,仍在传输效率、电磁干扰和跟踪传能等方面存在着技术难点。针对上述问题,本文研究了基于回复式反射聚焦的微波无线能量传输技术,深入分析探讨了近场和远场条件下不同阵列聚焦电磁波的性能,设计实现了基于导航信号分析处理的跟踪聚焦能量传输技术方案和实验系统,并实测验证了利用回复式反射聚焦技术跟踪传输微波能量的可行性和性能。本文的主要研究内容包括:(1)通过数值仿真分析计算了方向回溯阵列与回复式反射聚焦阵列远场辐射特性的区别,得出回复式反射聚焦阵列相对于方向回溯阵列具有近场聚焦、远场发散的特点;针对回复式反聚焦阵列提出采用非规则阵列排布(V形和随机微扰形)的方法来进一步抑制远场增益,同时保持其近场聚焦的性能。以具体实验验证了数值仿真的结论。(2)研究设计了基于回复式反射聚焦技术的微波无线能量传输系统方案。该方案依据回复式反射聚焦阵列原理将发射天线孔径划分为多个子阵列天线,通过导航信号分析和处理,软件控制移相器提供各个子阵列馈电所需共轭相位,确保能量准确的传输至接收端。方案中,功率传输和导航信号采用不同频率以实现功率和信息的收发双工;利用频率与相位的固定比例关系实现共轭相位馈电;采用外差式接收电路,实现低成本的导航信号接收和相位分析电路。(3)根据上述系统方案,设计实现了5.8GHz微波能量传输实验系统。实验系统由两路收发通道构成,每路收发通道均包括双通道高增益平面阵列天线,2.9GHz导航信号分析电路和5.8GHz功放和移相控制电路。其中,阵列天线包含8×8个天线单元,中心单元为2.9GHz导航信号接收天线,其余为5.8GHz能量发射天线。(4)基于实验系统,通过三组实验的比较验证了基于导航信号分析对目标进行跟踪聚焦传能的可行性,并在3.5m外的距离上实现了对移动设备的精准跟踪传能。

关键词：微波无线能量传输跟踪回复式反射聚焦导航信号相位共轭

微波无线能量传输系统中反射面阵列接收天线设计

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微波无线能量传输系统中反射面阵列接收天线设计

作者：李倩西安电子科技大学

学位级别：硕士

高功率连续微波无线能量传输技术,正日益受到学术界与工业界的重视,其理论与关键技术已成为一个研究热点。接收天线在能量传输链路中,具有具足轻重的作用。本文基于空间太阳能电站构想,探究微波无线能量传输中接收天线设计方法,反射面... 详细信息

高功率连续微波无线能量传输技术,正日益受到学术界与工业界的重视,其理论与关键技术已成为一个研究热点。接收天线在能量传输链路中,具有具足轻重的作用。本文基于空间太阳能电站构想,探究微波无线能量传输中接收天线设计方法,反射面阵列天线因其大口径、高功率以及馈电方便的优势,非常适合作为微波无线能量传输的接收天线。故本文以反射面阵列接收天线技术作为主攻方向,具有重要的理论意义与工程应用价值。主要工作如下:1、建立了基于功率匹配的反射面阵列接收天线的布局模型。首先设计六边形圆口径反射面阵列天线的接收方案,基于微波无线能量传输收发天线口径场需要满足条件,推导了此方案传输效率公式。然后提出关于六边形反射面阵列天线作为接收天线条件下的传输效率的非线性优化模型,通过对接收天线阵元口径场的优化设计,在经典的高斯锥削分布前提下,验证了此阵列作为接收天线方案的可行性。最后针对圆口径反射面天线拼接处的漏能问题,提出切割反射面阵列天线的方案并进行验证。2、建立了基于阶梯型口径场的新型接收阵列天线形式。首先验证了阶梯型口径场分布用于反射面阵列天线的可行性,采用非均匀快速傅里叶变换算法进行调整,测试六边形反射面阵列天线方向图与目标方向图的吻合程度。然后针对圆口径反射面天线存在的拼接处能量漏射问题,提出了一种抛物柱面类环焦阵列接收天线的新思路,初步探究了基于机电耦合理论的天线设计方案,提出对应高功率整流电路设计思路并通过模型验证了新方案的可行性。3、建立了一种针对非均匀阵列天线结构误差补偿方法。首先在任意平面阵列的机电耦合模型的基础上,提出一种适用于结构变形的非均匀阵列天线补偿算法,基本思路是通过泰勒级数展开和虚拟内插的思想,将变形阵列插值为虚拟均匀阵列,并将误差变换到虚拟阵列激励中,再采用基于傅里叶变换的迭代优化方法得到补偿激励。最后通过对线阵案例补偿,并FEKO仿真和经典的粒子群算法进行对比,证明了所提补偿方法的正确性和有效性。

关键词：微波无线能量传输反射面天线口径场分布传输效率机电耦合补偿天线设计

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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微波无线能量传输系统中的平面透射阵列天线研究

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

微波无线能量传输系统用高整流效率直接带隙Ge1-xSnx肖特基二极管

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微波无线能量传输系统用高整流效率直接带隙Ge1-xSnx肖特基二极管

作者：翟笑西安电子科技大学

学位级别：硕士

微波无线能量传输系统(MWPT)由发射端和接收端两部分组成,其接收端包括:接收天线、整流电路和阻抗匹配电路。因为能够进行远距离传输,微波无线能量传输系统具有很大的应用潜力。能量转换效率作为评价微波无线能量传输系统性能的重要指标... 详细信息

微波无线能量传输系统(MWPT)由发射端和接收端两部分组成,其接收端包括:接收天线、整流电路和阻抗匹配电路。因为能够进行远距离传输,微波无线能量传输系统具有很大的应用潜力。能量转换效率作为评价微波无线能量传输系统性能的重要指标,通过改善系统不同组成部分的转换效率可以达到提高整体效率的效果。为此本文通过对接收端整流电路的核心器件--肖特基二极管进行设计,优化器件的材料物理参数,旨在提高MWPT系统的能量转换效率。目前系统常用的肖特基二极管是Ge基肖特基二级管,Ge合金化>8%比例的Sn组份可使Ge由间接带隙半导体变成直接带隙半导体。直接带隙GeSn合金的电子迁移率约是Ge的2～3倍,这一特性可用于Ge肖特基二极管的优化设计,进而提高MWPT系统的整流效率。论文的主要内容如下:1、研究表明,降低肖特基二极管的串联电阻可有效提升整流电路的整流效率。串联电阻与器件内载流子的迁移率密切相关,同时DR-GeSn合金的器件仿真也需要迁移率值。因此本文首先基于k·p微扰理论,在研究DR-GeSn能带E-k关系基础之上,根据能带结构模型计算各晶向族电子有效质量,建立DR-GeSn载流子迁移率的量化解析模型,通过PL谱与蒙托卡诺模拟分别验证其能带结构与迁移率模型结果。2、DR-GeSn肖特基二级管的器件仿真需要功函数值,目前尚未有学者报道DR-GeSn合金的功函数。为此基于Material Studio软件的CASTEP模块对沿不同晶面不同Sn组分DR-GeSn合金(x=0,0.09,0.10,0.125)的功函数进行仿真分析。最终选定(100)晶面10%Sn组分的DR-GeSn合金的功函数值4.132ev作为后续Silvaco器件仿真的数据。同时通过对比不同金属形成肖特基接触的功函数值,选定W作为与DR-GeSn合金制备肖特基结的金属材料。3、基于前面的结论,利用Silvaco仿真工具,对垂直结构的DR-GeSn肖特基二极管的材料物理参数以及几何结构参数进行优化设计。利用Cadence的Model Editor软件提取仿真出来器件的Spice参数,结果表明:与传统Ge肖特基二极管相比,本文所设计的新型DR-GeSn肖特基二极管的串联电阻显著下降。为了进一步验证能量转换效率的变化情况,在ADS软件中搭建单管串联的整流电路,仿真结果表明:在频率2.45GHz、输入能量密度21.5d Bm条件下,DR-GeSn肖特基二极管的单管整流效率可达75.4%,相比常见的HSMS-2820 Ge肖特基二极管整流效率提高了6.5%。为了进一步优化电路同时考虑实际应用的需求,在原电路的基础上加入了串联电感并联电容的smith圆图阻抗匹配电路,仿真结果表明:在输入功率Pin=14.5d Bm可得到80.8%的最佳整流效率。综上所述,本文设计的垂直结构DR-GeSn肖特基二极管有望为微波无线能量传输系统整流输出效率的研究提供有价值的参考。

关键词：微波无线能量传输 DR-Ge1-xSnx 肖特基二极管能量转换效率

微波无线能量传输接收整流段的直流合成技术研究

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微波无线能量传输接收整流段的直流合成技术研究

作者：薛俊伟西安电子科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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%。

关键词：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

微波无线能量传输中基于旋转矢量法的发射天线阵相位快速优化

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应用科技 2018年第5期45卷 26-32页

作者：赵应盛刘长军四川大学电子信息学院四川成都610064

为了提升微波无线能量传输(MPT)的传输效率,提高接收功率,研究了一种基于旋转矢量法(REV)的天线阵相位快速优化法。结合相控阵和微波无线能量传输的基本理论,对该方法的优化效果进行了电磁仿真分析和实验验证。结果表明,在辐射近场区和... 详细信息

为了提升微波无线能量传输(MPT)的传输效率,提高接收功率,研究了一种基于旋转矢量法(REV)的天线阵相位快速优化法。结合相控阵和微波无线能量传输的基本理论,对该方法的优化效果进行了电磁仿真分析和实验验证。结果表明,在辐射近场区和远场区内,该方法能有效提高微波无线能量传输的接收功率,提升率最高达179%。同时,该方法可大幅度缩短相位优化时间,仅为传统方法耗时的3%,由此证明了该方法在MPT工程中的可行性。

关键词：微波无线能量传输旋转矢量法相移快速优化传输效率接收功率天线校准 LabWindows/CVI

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微波无线能量传输与收集应用系统的研究进展及发展趋势

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空间电子技术 2020年第2期17卷 57-63页

作者：曹垒林先其陈越腾电子科技大学电子科学与工程学院成都611731

随着无线技术的发展,包括感应式、磁耦合谐振式等传统形式的无线能量传输方式传输距离限制的缺点愈发凸显,制约了其在更多领域的应用推广。而微波无线能量传输技术的出现为解决这一问题提供新的思路,逐渐成为近年来研究的热点。微波无... 详细信息

随着无线技术的发展,包括感应式、磁耦合谐振式等传统形式的无线能量传输方式传输距离限制的缺点愈发凸显,制约了其在更多领域的应用推广。而微波无线能量传输技术的出现为解决这一问题提供新的思路,逐渐成为近年来研究的热点。微波无线能量传输应用系统根据接收端的状态不同分为静态应用系统与动态应用系统两种形式。静态点对点的输能系统包括艾利波束传输系统、点对点传输系统;动态传输系统的实现有多种多样的形式,主流的技术包括:基于相控阵技术的微波无线能量传输系统;基于方向回溯技术的微波无线能量传输系统;基于时间反演的微波无线能量传输系统。本文从微波无线输能系统的架构,不同工作方式的输能系统进行研究技术发展总结,最后在现有微波无线输能系统的研究进展基础上,分析概括了微波无线能量传输应用系统的未来发展趋势。

关键词：微波无线能量传输相控阵技术方向回溯时间反演

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微波无线能量传输中平顶波束设计方法

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 2021年第8期 365-367页

作者：郑焘金凡几中国电子科技集团第三十六研究所浙江嘉兴314001

微波无线能量传输是能量传输方式之一,其效率的提升可以使其得到更为广泛的推广与应用,本文提出用/相位加权波束赋形方法,并结合遗传优化算法实现了发射天线平顶波束的设计,为微波无线能量传输系统整体效率的提升与系统的简化增添了一... 详细信息

微波无线能量传输是能量传输方式之一,其效率的提升可以使其得到更为广泛的推广与应用,本文提出用/相位加权波束赋形方法,并结合遗传优化算法实现了发射天线平顶波束的设计,为微波无线能量传输系统整体效率的提升与系统的简化增添了一种方法。

关键词：微波无线能量传输相位加权平顶波束

微波无线能量传输功率放大器效率提升的设计方法研究

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空间电子技术 2023年第3期20卷 24-28页

作者：王颖董士伟董亚洲李小军中国空间技术研究院西安分院空间微波技术重点实验室西安710000

针对用于微波无线能量传输系统中的微波功率放大器高效率需求,文章提出了一种提高功率放大器功率附加效率及输出功率的设计方法。通过功率放大器内部的功率流向统计,分析了反馈电容通道对高频功率放大器效率损失的影响,进而提出在栅极-... 详细信息

针对用于微波无线能量传输系统中的微波功率放大器高效率需求,文章提出了一种提高功率放大器功率附加效率及输出功率的设计方法。通过功率放大器内部的功率流向统计,分析了反馈电容通道对高频功率放大器效率损失的影响,进而提出在栅极-漏极之间引入反馈谐振网络,提高晶体管内部漏极到栅极反馈支路的阻抗,减少产生的功率流向内部漏极到栅极支路,降低晶体管内部通道的功率损耗,从而保证在产生的总功率保持不变的前提下,增加了流向负载上功率,实现微波功率放大器输出功率的增加和功率附加效率的提高。验证电路仿真结果表明,功率放大器在5.78 GHz~5.82 GHz频率范围内功率附加效率均高于70%,漏极效率优于80.5%,输出功率高于10.5 W。证明了该方法在提升功率放大器效率方面切实可行,研究成果对提高应用于微波能量传输系统的功率放大器效率提供有力支撑。

关键词：微波无线能量传输功率放大器效率

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