摘 要

作为一种方便安全且有广泛应用前景的技术，无线供能技术收到了国内外研究人员的广泛关注。在无线供能技术中，远场无线供能技术具有传输距离远和对位置不敏感的优势。在远场无线供能系统中，天线和整流电路是重要的组成部分。

本文的工作如下：

（1）总结了阵列理论的基础知识，分析了反向阵的工作原理，对“Van Atta”结构和“Pon”结构进行了分别分析。介绍了一种基于相位共轭的反向阵，它由两个天线阵列和一个相位共轭电路组成，通过混频器实现相位共轭，重发波可以自动调整到源的方向。

（2）分析了微带天线实现圆极化的方法，在此理论基础上，分别提出了一个2.4GHz和一个2.5GHz的单点馈电，通过切角实现的圆极化微带贴片天线。在HFSS软件进行了设计，并对天线模型进行了仿真和实物制作。仿真和实测结果表明，该天线在无线供能系统中展示出了良好的圆极化特性。

（3）提出了一个采用二极管整流的整流电路。采用ADS软件对该电路模型进行了仿真，整流效率达到60%以上。

（4）最后提出了一种用于远场无线电力传输（WPT）的圆极化反向阵无线供能系统。该系统可以根据来源的方向自动调整波束指向，提高了整体接收功率。实验证明，该系统具有良好的无线供能效果，是远场无线电力传输（WPT）的一个好的选择。

关键词：无线能量传输，反向阵列，圆极化，整流电路

Research on Rectifier Circuit and Antenna in Wireless Power Transfer System

04014633 Jiacheng Guo

Supervised by Yizhu Shen

Abstract

As a convenient and safe technology，Wireless power transfer technology has received extensive attention from researchers at home and abroad. This technology has broad application prospects. Far-field wireless power transfer technology has the advantages of long transmission distance and insensitivity to location. The antenna and rectifier circuit are important components in the far field wireless power transfer system.

The main work of this paper is as follows:

(1)The basic theories of the antenna array are summarized. the working principle of retrodirective array is analyzed. 'Van Atta' structure and 'Pon' structure are analyzed separately. A phase-conjugation-based retrodirective array was introduced. It consists of two antenna arrays and a phase conjugate circuit. It implements phase conjugation through a mixer. the retransmitted wave can adjust the direction to the source automatically.

(2) Method for achieving circular polarization of microstrip antenna is analyzed. Based on this theory, this paper presents a 2.4GHz and a 2.5GHz single-point feed, through the cut-off angle of the circular polarization microstrip patch antenna. The HFSS software was used to simulate and actualize the antenna model. Simulation and measured results show that the antenna has good circular polarization characteristics.

(3) A rectifier circuit using diode rectification was proposed. ADS software was used to simulate the circuit model. The circuit rectification efficiency reaches more than 60%

(4) In this paper, a circularly polarized retrodirective system for far field wireless power transfer (WPT) is presented. The system can automatically adjust the beam pointing according to the direction of the source. System improves overall received power. Experiments have shown that this system has a good wireless power transfer effect and is a good choice for far field wireless power transmission (WPT).

KEY WORDS: Wireless power transfer, Retrodirective array, Circular polarization, Rectifier circuit

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 本文的结构和安排 2

第二章 无线供能基本概念 3

2.1 无线供能设计要求 3

2.2 无线供能实现原理 4

2.2.1 电磁感应耦合式无线供能技术 4

2.2.2 电磁谐振式无线供能技术 4

2.2.3 远场无线供能技术 4

第三章 反向天线阵 6

3.1 阵列天线 6

3.2 反向天线阵的工作原理 7

3.3 反向天线阵的基本结构 8

3.3.1 “Van Atta”结构 8

3.3.2 “Pon”结构 9

3.4 用于无线供能系统的反向阵系统 10

第四章 圆极化天线设计 12

4.1 微带天线基本概念 12

4.2 圆极化天线基本概念 12

4.3 圆极化天线设计原理 13

4.4 天线设计仿真分析 13

4.4.1 2.4GHz圆极化天线设计仿真 14

4.4.2 2.5GHz圆极化天线设计仿真 16

第五章 整流电路 19

5.1 整流电路整流原理 19

5.2 2.5GHz二极管整流电路设计仿真 20

5.3 用于无线供能系统的整流电路 22

第六章 圆极化反向阵无线供能系统设计 24

第七章 总结 28

致 谢 29

参考文献 30

绪论

研究背景

当今社会，环境与能源问题变得越来越突出，如何有效利用能源成为摆在研究人员面前的一个重要课题。无线供能技术（WPT）是能源利用领域的一个重要方法。

无线供能技术（WPT）实现无线地从电源到耗能设备的电能传输。最常见的技术是近场中的基于电感的WPT，以及在两个线圈或共振电路之间发生的谐振电感耦合，这些谐振电路设计为在相同频率下谐振。第二个子类型是远场的WPT，它处理更远距离的电磁能量传输。

无线供能技术有着广阔的应用前景。在过去的十年中，已经有多种无线供电的传感器被报导或提出，检测温度，电导率，振动，湿度，光照水平等等。有许多应用可以从这项技术中受益。WPT可以用于土木工程和飞机结构监测。或者为在有毒制造环境等恶劣条件下的免维护无线传感器供能。在智能住宅和商业建筑传感器的设计中也可以发挥重要作用。智能建筑可以配备各种安全，舒适，高效的传感器，使生活更加绿色，更安全，更健康^[1]。在医疗设备设计方面，相比较传统供电方式，无线供能技术有着明显的优势，例如为体征监测传感器、体内植入医疗设备供能，这些设备通常功率较小且更换电池困难，可以有效减轻残疾人和认知障碍人士负担。其他的医疗方面的利用还包括用于药物输送的植入物等。