微波无线能量传输中S波段整流电路研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)四川大学电子信息学院 作者:张 彪

  本文通过对肖特基二极管等效电路模型的建立,分析了二极管的阻抗和微波整流电路的电压,并依据此模型设计了小功率微波整流电路。在此电路基础上,为了扩展电路的功率容量,提出了二极管阵列的思路并设计完成了中小功率以及大功率的微波整流电路。其中,基于单只二极管的微波整流电路最高效率为83.3%,基于二极管阵列的中小功率和大功率微波整流电路最高效率分别为69.4%和68%。三种电路实现10~43dBm的功率覆盖范围,提升了电路的实用价值。

  微波无线能量传输自1964 年被W.C.Brown提出至今,已经发展了近50年。欧美和日本等国将微波能量传输作为空间太阳能电站的一项关键技术,开展了大量的理论与实验研究。我国的微波输能最早由林为干院士引入并进行了相关讨论,如今已有多家高校和科研院所进行研究和探索。微波整流电路是微波无线能量传输的关键部件,用于将微波能量转化为直流能量以供后端系统直接使用。目前,微波整流电路的研究主要集中在ISM 频段,包括915MHz,2.45以及5.8GHz,其中,2.45GHz微波整流电路能够提供更为实用的直流输出电压以及更大的功率容量。

  目前,微波整流电路的研究大多数是基于小功率容量和单支二极管形式的,但是,实际应用通常要求功率容量和电压具有较大的动态范围。因此,本文从基于单只二极管的微波整流电路出发,通过对单管理论模型的分析,首先设计出高效率的小功率微波整流电路,再以此为基础,提出二极管阵列的设计思路,并成功设计了中小功率以及大功率的微波整流电路,提升了整流电路的功率容量和直流电压的范围。

1、肖特基二极管模型及理论分析

  图1为单支肖特基二极管的等效电路模型。其中结电容Cj和结电阻Rj均为非线性器件,当二极管的直流偏置建立,在二极管上的结电压如式(1)所示。

微波无线能量传输中S波段整流电路研究

  式中,Vj1和Vj0分别为二极管结电压的基频和直流成分,Vbi为二极管自偏置导通电压。当二极管结电压大于Vbi,二极管正向导通,导通角为θon。二极管结电压与入射波的相位差为φ 。

3、结论

  本文从肖特基二极管的理论模型设计出发,设计并实现了小功率的微波整流电路,验证了理论模型和设计方法的正确性及准确性。并以此为基础,设计了基于二极管阵列的中小功率整流电路,提升功率容量的同时保持了较高的整流效率。

  为了适应实际应用中更大功率需求,采用多路功分器和整流电路级联的思路,进一步提升了电路的微波输入功率,同时,保持整流效率基本不变。因此,通过三款整流电路,覆盖了10~43dBm的功率范围,能够满足不同情况下的功率需求,为整流电路的实际应用奠定了良好的基础。

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