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基于回复式反射和近场聚焦的无线能量传输系统设计

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基于回复式反射和近场聚焦的无线能量传输系统设计

作者：何金梅南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,随着各种便携式、植入式电子设备的不断涌现以及新兴的物联网、人体局域网等技术领域的快速发展,移动电子设备无线供电的需求不断增长。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。然而,由于电磁波传播过程中存在... 详细信息

近年来,随着各种便携式、植入式电子设备的不断涌现以及新兴的物联网、人体局域网等技术领域的快速发展,移动电子设备无线供电的需求不断增长。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。然而,由于电磁波传播过程中存在空间辐射损耗,微波无线供能存在传输效率低和安全性差的问题。针对上述两个问题,本文提出并研究基于回复式反射和近场聚焦的微波无线能量传输技术方案。该方案采用回复式反射天线阵列技术,形成能够跟踪和聚焦于目标设备的功率窄波束,以提供对移动电子设备的高效率跟踪供电;引入分布式天线近场聚焦的概念和方法,在提高能量传输效率的同时,减小远场辐射增益,以避免对人体安全的危害和对周边其它电子系统的干扰。论文工作的具体内容包括:(1)综合研究了回复式反射结构的实现技术,并在此基础上采用共轭相位反向波束控制技术,设计了基于回复式反射的微波无线能量传输系统架构。在该系统架构中,能量发射端接收到移动电子设备发送的导航信号后,经下变频、模数转换和数字信号处理分析,获取发射天线阵列各单元所需的共轭相位信息,然后采用数字控制电路控制发射天线单元的馈电相位,实现微波波束对移动电子设备的跟踪供电。(2)在上述系统架构的基础上,设计实现了发射端天线阵列、导航信号分析模块、反向波束控制软件以及接收端整流天线,搭建了一套回复式反射无线能量传输实验演示系统,成功的实现了对1.5m距离外的移动目标进行跟踪供电。(3)研究并设计实现了基于分布式天线阵列的近场聚焦实验验证系统,该系统的能量发射端由两个四单元的天线阵列组成,两个天线阵列相隔一定的距离,呈分布式摆放。天线阵列各单元根据回复式反射原理协同产生聚焦于目标设备的功率波束。仿真和实测结果表明,该分布式天线阵列近场聚焦系统能够在一定范围内形成聚焦于目标设备的电磁场分布,减小目标位置以外区域的电磁场功率密度分布。

关键词：微波无线能量传输回复式反射导航信号射频整流近场聚焦

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空间太阳能电站反向波束控制仿真分析

宇航学报 2016年第7期37卷 887-894页

作者：侯欣宾王薪王立贾海鹏中国空间技术研究院钱学森空间技术试验室北京100094 南京航空航天大学电子信息工程学院南京211106

分析几项重要的空间太阳能电站反向波束控制技术研究工作,提出空间太阳能电站微波无线能量传输(MPT)分系统的初步方案和主要参数,在此基础上建立空间太阳能电站微波波束发射和反向波束控制仿真模型,重点分析发射天线子阵列的微波馈电相... 详细信息

分析几项重要的空间太阳能电站反向波束控制技术研究工作,提出空间太阳能电站微波无线能量传输(MPT)分系统的初步方案和主要参数,在此基础上建立空间太阳能电站微波波束发射和反向波束控制仿真模型,重点分析发射天线子阵列的微波馈电相位误差、频率误差和姿态误差等因素对于系统传输效率的影响,相关结论将为微波无线能量系统的设计和微波无线能量传输技术的研究提供参考。

关键词：空间太阳能电站微波无线能量传输反向波束波束控制

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基于频率控制的封闭腔体微波无线输能技术

电子学报 2024年第7期52卷 2257-2261页

作者：敬小炜景建伟闫丽萍刘长军四川大学电子信息学院四川成都610064

随着航空航天技术的快速发展,封闭腔体内的无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)技术开始受到广泛关注.基于频率控制的WPT技术,可实现对电大封闭腔体(103×λ3)内的多方位传感器进行可控和高效的无线充电.电大腔体内的电场分... 详细信息

随着航空航天技术的快速发展,封闭腔体内的无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)技术开始受到广泛关注.基于频率控制的WPT技术,可实现对电大封闭腔体(103×λ3)内的多方位传感器进行可控和高效的无线充电.电大腔体内的电场分布对频率的变化敏感,利用频率变化实现对封闭腔体场分布控制.实验结果表明,在S波段的1 m3腔体最高WPT传输效率为96.6%.设计的宽带整流电路实测整流效率最高为80%,整流效率高于50%的带宽为1.65 GHz.在2.401~2.495 GHz频段实现控制双接收机的不同工作状态,展现其在航空航天器等封闭空间中为传感器无线供电的应用前景.

关键词：电大封闭腔体频率控制高效率 S波段微波无线能量传输整流电路

非均匀功率分布的微波整流天线阵列功率合成优化方法

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电工技术学报 2024年

作者：肖冬萍陈建楠陈宇立舒梽卿输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学电气工程学院)

对于大型微波无线能量传输系统，其接收天线阵列上微波功率非均匀分布，由于整流电路的特性，采用现有的天线阵列布局和功率合成方式所得的能量转换效率较低。为此，该文提出了一种基于遗传算法优化的混合功率合成方法：提出天线单元连... 详细信息

对于大型微波无线能量传输系统，其接收天线阵列上微波功率非均匀分布，由于整流电路的特性，采用现有的天线阵列布局和功率合成方式所得的能量转换效率较低。为此，该文提出了一种基于遗传算法优化的混合功率合成方法：提出天线单元连接编码规则，采用遗传算法将接收天线单元按目标功率进行分组和射频合成，使得各组射频合成后的微波功率均匀化，再输入整流电路；提出整流电路连接编码规则，基于遗传算法，以负载匹配为目标对整流电路进行动态串并联优化，使直流合成后获得最优转换效率。在进行功率合成前，需基于实验系统分析获得整流电路输入功率与转换效率、输出伏安关系的特性，从而确定射频功率合成的优化目标。该文以10*10接收阵列天线为例进行分析，将100个单元分为四组进行均匀化射频合成，均匀度评价指标低至1.804；再对整流输出进行串并联优化，在接近负载匹配的情况下使得整流转换效率达到91.37%。结果表明采用该文提出的方法可快速有效地对接收天线阵列进行混合功率合成优化。

关键词：微波无线能量传输混合功率合成编码规则动态串并联优化整流电路特性

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一种紧凑型宽带高效微波整流电路

太赫兹科学与电子信息学报 2019年第1期17卷 79-84页

作者：张磊武鹏德赵应盛刘长军四川大学电子信息学院四川成都610065

运用λ_g/8终端短路微带线实现无输入低通滤波器的微波整流电路。该结构串联于整流二极管与地之间,抵消了整流二极管在基频时的容性阻抗,并抑制了谐波电流,因此该整流电路移除了输入低通滤波器和匹配电路,结构和尺寸更加紧凑。理论分析... 详细信息

运用λ_g/8终端短路微带线实现无输入低通滤波器的微波整流电路。该结构串联于整流二极管与地之间,抵消了整流二极管在基频时的容性阻抗,并抑制了谐波电流,因此该整流电路移除了输入低通滤波器和匹配电路,结构和尺寸更加紧凑。理论分析和实验测试表明,本设计在较大输入功率、频率范围内实现了高效整流。实验结果表明,在输入功率12～24 dBm和频率1.48～2.02 GHz范围内,整流效率超过70%。当输入功率为21.8 dBm,频率为1.8 GHz时,最高整流效率为83.3%。电路尺寸优于15 mm×20 mm。

关键词：微波无线能量传输宽带整流电路谐波抑制源牵引高效率

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空间太阳能电站的发展及关键技术综述

电源技术 2019年第6期43卷 1063-1066页

作者：仲元昌魏莹莹姚博文陈泽宇重庆大学微电子与通信工程学院

寻找新型清洁的可再生能源已经成为当今人类发展亟待解决的问题,地面太阳能技术是发展最快的可再生能源技术之一。与现有地面太阳能技术相比,空间太阳能电站具有全天时/全天候发电、效率高、零排放等优点。多年来,许多国家和组织的科学... 详细信息

寻找新型清洁的可再生能源已经成为当今人类发展亟待解决的问题,地面太阳能技术是发展最快的可再生能源技术之一。与现有地面太阳能技术相比,空间太阳能电站具有全天时/全天候发电、效率高、零排放等优点。多年来,许多国家和组织的科学家们一直致力于通过不同的途径证明太阳能发电卫星这一方案的可行性,已经取得一些成就,但仍然面临成本、技术等多方面的严峻挑战。从太阳能发电卫星技术的研发背景、研究现状以及关键技术等方面阐述相关内容,分析建立空间太阳能电站的可行性,为未来空间太阳能电站发展战略提供参考。

关键词：空间太阳能电站太阳能发电卫星微波无线能量传输

微波发射端功率放大器和自动增益控制电路的研究

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微波发射端功率放大器和自动增益控制电路的研究

作者：冒冬琴南京航空航天大学

学位级别：硕士

微波无线能量传输(Microwave Power Transmission,MPT)具有传输功率大、距离远且空间传输损耗小等优点,因此得到了越来越多的关注与应用。微波发射端是MPT系统的重要组成部分,发射端的输出功率能力、工作效率及发射功率的稳定性对于整... 详细信息

微波无线能量传输(Microwave Power Transmission,MPT)具有传输功率大、距离远且空间传输损耗小等优点,因此得到了越来越多的关注与应用。微波发射端是MPT系统的重要组成部分,发射端的输出功率能力、工作效率及发射功率的稳定性对于整个系统的高效稳定工作具有重要意义。因此,本文对MPT系统中的发射端展开研究,主要包括功率放大器(Power Amplifier,PA)和自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)电路两个方面的研究。针对发射端E类功率放大器的设计,本文提出了一种基于等电阻面的设计方法,该方法可在保证负载网络基波阻抗条件不变以及实现谐波抑制功能的同时,完成集总参数E类功放和传输线E类功放的精确等效。对于采用不同匹配电路的负载网络而言,该方法通过确定或构造等电阻面来实现传输线E类功放的设计。本文基于该方法实现了2.5GHz微带线E类功放的设计,结合ADS(Advanced Design System)软件仿真,完成了包括偏置网络、输入输出匹配电路的设计,所设计的E类功放经验证具备40d Bm的输出功率能力,且负载网络实现了对谐波的良好抑制。发射端E类功放的输出功率常会受到输入功率或链路温度变化的影响,因此本文也对发射端AGC电路进行了设计,来实现发射端的输出功率稳定。为同时考虑到输入端和输出端的信号波动,本文提出了基于静态工作点的增益分配方法,该方法基于静态工作点对电路可能存在的信号波动进行讨论。对于采用受控衰减器的AGC电路而言,常用的电路控制方式无法实现增益的双向调节,在不改变电路拓扑的情况下,本文提出了增益双向可调AGC电路控制方式,该控制方式在不牺牲电路动态范围的同时,可为输入端或输出端提供放大控制或衰减控制。为验证所设计的发射端微带线E类功放和增益双向可调AGC电路的正确性,本文分别搭建了相关的原理验证平台。首先介绍了基于PHA-202+设计的前级驱动功放,并对其输出功率能力及输出功率纯度进行了测试。接着测量了微带线E类功放在不同工作条件下,电路输出功率、增益和效率的变化情况。随后对增益双向可调AGC电路进行相关实验,采用三种测量设备对电路的输出功率进行测试,并给出电路的输入输出特性以及带宽测试结果。最后,将所设计的E类功放和AGC电路级联,进一步构建了大功率的发射端AGC电路,输出功率可稳定在33d Bm附近,符合发射端的设计要求,验证了理论设计的合理性与正确性。

关键词：微波无线能量传输 E类功率放大器基于等电阻面的设计方法增益双向可调AGC电路基于静态工作点的增益分配方法大功率发射端AGC电路

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微波输能系统整流效率提升关键技术研究

微波输能系统整流效率提升关键技术研究

作者：陈航宇西安电子科技大学

学位级别：硕士

微波无线能量传输系统一般分为接收端与发射端,其接收端由接收天线,匹配电路以及整流电路组成,是一种突破传输线限制的电能传输装置,有助于处理复杂场景的设备供电问题,具有非常大的应用前景。能量转换效率是评价微波无线能量传输系统... 详细信息

微波无线能量传输系统一般分为接收端与发射端,其接收端由接收天线,匹配电路以及整流电路组成,是一种突破传输线限制的电能传输装置,有助于处理复杂场景的设备供电问题,具有非常大的应用前景。能量转换效率是评价微波无线能量传输系统的重要技术指标,可以通过提高系统不同组成部分的转换效率,降低消耗角度来提高整体的能量转换效率。有鉴于此,本文重点对接收部分的核心器件进行研究设计,对器件材料物理参数以及几何结构参数进行优化,旨在提高能量转换效率。论文以提高能量转换效率为目标,通过优化设计能量转换关键器件肖特基二极管,完成高能量转换效率微波无线能量传输系统的搭建,论文取得的研究成果如下:(1)、采用ADS仿真工具,通过调整肖特基二极管SPICE参数,得到肖特基二极管电学参数与能量转换效率之间的关系,即随着肖特基二极管串联电阻的增大,零偏电容的增大,能量转换效率随之降低;随着其反向击穿电压的增大,其整流范围随之增大。据此,本文提出了肖特基二极管的优化设计原理,为后续高能量转换效率整流器件的优化设计奠定了理论基础;(2)、基于仿真所获得的提高能量转换效率的相关理论基础,可以得知降低零偏电容是提高能量转换效率的关键点。基于半导体器件物理以及二极管设计原理,本文提出一种绝缘层上GeSn折叠空间电荷区肖特基二极管结构的理论模型,以降低其肖特基二极管的零偏电容。利用器件仿真工具Silvaco调整器件材料物理参数以及几何结构参数,研究部分耗尽GeSnOI以及全耗尽GeSnOI折叠空间电荷区肖特基二极管其电容变化规律,得到本文全耗尽GeSnOI折叠空间电荷区肖特基二极管的器件结构:外延层掺杂3×10-7×1077 cm,缓冲层掺杂浓度2×1000 cm,折叠区域厚度0.1μm,与传统结构Ge肖特基二级管相比,本文所优化的折叠空间电荷区肖特基二极管具有明显降低其结电容的优势;(3)、采用HFSS仿真工具,设计工作在2.45GHz频率下的微带整流天线,得到其在2.45GHz频率下S为-23.9dB;采用ADS仿真工具设计频率为2.45GHz的巴特沃斯输入低通滤波器,结果表明在截止频段其反射系数趋于0;利用ADS仿真工具设计整流器件为(2)中所提出的全耗尽GeSnOI SBD的整流电路完成微波无线能量系统的搭建。结果表明:利用本文所设计的关键整流器件,能量转换效率为73.8%,与常用的Ge肖特基二级管相比,能量转换效率可以提升4.7%。本文中肖特基二极管SPICE参数与能量转换效率的研究工作以及GeSnOI折叠空间电荷区肖特基二极管的设计工作,可为提高微波无线能量传输系统的能量转换效率提供重要的技术参考。

关键词：微波无线能量传输 GeSnOI 肖特基二极管能量转换效率折叠空间电荷区

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空间太阳能电站微波发射天线的小型化设计

空间太阳能电站微波发射天线的小型化设计

作者：丁俊博西安电子科技大学

学位级别：硕士

空间太阳能电站（SSPS）是一个巨大的绿色能源系统,其在太空中收集太阳能,然后将太阳能转换为电能,最后将电能以微波形式通过发射天线传输到地球。在现有的GW级SSPS方案中,相控阵微波发射天线存在尺寸巨大、质量上万吨、馈电网络复杂等... 详细信息

空间太阳能电站（SSPS）是一个巨大的绿色能源系统,其在太空中收集太阳能,然后将太阳能转换为电能,最后将电能以微波形式通过发射天线传输到地球。在现有的GW级SSPS方案中,相控阵微波发射天线存在尺寸巨大、质量上万吨、馈电网络复杂等问题,导致发射、建造成本极高,工程实现难度极大,严重地制约SSPS的工程化实现进程。为此,本文提出一种SSPS微波发射天线的小型化设计方案,在保证波束收集效率的前提下利用较小口径的天线得到窄波束,减轻天线质量。首先,提出一种基于平面反射阵天线和平面聚焦透镜的SSPS微波发射天线方案,发射天线系统由模块化设计拼装的平面反射阵-平面透镜一体化结构、喇叭阵列馈源、连接桁架三部分组成,馈源发出的微波经过透镜汇聚-反射阵反射-透镜聚焦最终形成极窄的波束,将能量汇聚在接收平面。本方案具有制造组装方便、无需复杂的馈电网络、质量轻、口径小的优点。其次,以天线质量轻、馈电网络简单、辐射效率高为出发点,按照SSPS小型化微波发射天线800:1的缩比尺寸,设计了可全相响应的反射相移单元,并按照抛物面相位分布组成阵列。随后设计了满足方向图要求的喇叭馈源,建立平面反射阵天线的仿真模型。仿真结果显示平面反射阵对馈源发射的微波汇聚效果明显,天线总效率达75.2%,达到了减轻质量,简化馈电网络的目的。然后,在不增加天线口径尺寸的前提下,以压缩波束宽度并保证较高的波束收集效率为出发点,设计了低插损、质量轻的平面聚焦透镜,并与平面反射阵天线共同组成SSPS小型化微波发射天线的缩比仿真模型,仿真结果显示经透镜聚焦后半功率波束宽度压缩比例达46%。对于相同的波束宽度,缩比模型的口径面积仅是平面阵列天线面积的51%,在保证90%以上的波束收集效率的前提下接收天线的面积可大幅缩减。缩比模型质量密度仅为4.89kg/m~2,实现了小型化和轻量化。并分析了支撑梁分布对一体化平面结构模态的影响。最后,基于电磁标量绕射理论计算了本方案提出的GW级SSPS小型化微波发射天线的聚焦场,并进一步计算了发射天线的方向图和波束收集效率,结果表明相同的天线口径经过透镜聚焦后波束宽度得到了大幅压缩,依据压窄后的波束宽度相应地减小地面接收面积,波束收集效率仍高于90%,验证了方案的有效性。并与国际上典型的SSPS微波发射天线方案进行了对比,本方案在轻量化和小型化方面具有明显优势。

关键词：空间太阳能电站微波无线能量传输小型化波束压缩波束收集效率平面反射阵聚焦透镜