一种2.45GHz的微波整流电路

论文总字数：18339字

目 录

一、 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1无线能量传输的研究背景及意义 1

1.1.2无线能量传输在国内外的研究情况 2

1.2本文研究内容 3

1.2.1微波整流电路简介 3

1.2.2各章节主要内容 4

二、整流电路原理 5

2.1整流电路原理 5

2.2 三种常见的整流电路 5

2.3肖特基整流二极管分析 7

2.4阻抗匹配分析 7

2.5本章小结 8

三、整流电路设计及仿真 9

3.1输入低通滤波器设计 9

3.2整流二极管仿真分析 11

3.3整体电路仿真 14

3.4本章小结 16

四、 结论与展望 17

4.1研究结论及工作总结 17

4.2未来研究展望 17

参考文献 19

致谢 20

一种2.45GHz的微波整流电路

陈志辉

, China

Abstract: First of all, the filter, rectifier diode and matching circuit in the rectifier circuit are analyzed in detail then designed and optimized. In this paper, a single HSMS282P Schottky diode parallel circuit structure are used, in the case of the use of smaller cost as far as possible to improve the efficiency of microwave rectifier circuit. We used a microstrip line to design a microwave rectifier circuit with a higher efficiency in the 2.45GHz wifi band, and the input power of the circuit can be increased to 11dBm. Tested at different input power, the rectification efficiency is above 70% when the input power is in the range of 9.5dBm to 11.5 dBm. When the input power is 11dBm, the design of the microwave rectifier circuit up to 74.2% efficiency.

Key words: microwave rectification ; microwave power transmission；rectifier diode

2. 绪论

1.1引言

1.1.1无线能量传输的研究背景及意义

无线能量传输（wireless power transmission，即WPT）是研究电磁能量在空间中发送、传输并接收的技术。根据无线能量传输的距离远近，可将无线能量传输划分成近程、中程和远程传输方式三种。

1)短程能量传输

短程的无线能量传输中使用了电磁感应耦合技术。电磁感应耦合技术运用了变压器耦合原理，以此来实现电能量无线传输。它的最大传输功率可以达到上百千瓦。但是它的缺点也十分明显，即传输距离很短，最多不超过一公分，所以被称作短程传输。

　电磁感应耦合的能量传输系统有这样三个主要部分。首先是一个发射能量的装置，它将低频脉宽调制用于输入低频信号转换为高频信号，改变电磁能运输的形式；其次是一个可拆卸式变压器，它可以作为发射线圈与接收线圈间的电磁感应耦合的介质；最后是接收能量的装置^[21]，它可以把接收到的高频能量有效地转换成直流电力，然后提供给负载使用。

半桥拓扑结构和全桥拓扑结构是电磁感应耦合系统中两种常用的构造。全桥拓扑结构使用反馈来控制系统的操作，该系统通过传感器来监测系统最终的输出电压和负载上的电流。然后将所测得的的电压和电流用作反馈并送回到变送器端控制，以实现闭环控制。 在半桥拓扑结构中，用于发射和接收的线圈都各有一个独立的调节器，因此控制系统可以独立地对发射器和接收器进行控制。

　这种短距离无线能量传输的最大的优点是所需的成本很低、系统结构简明且可靠性高。但缺点很明显，即传输功率低且距离太短，所以应用范围狭小，很难应用到大中型电力电子设备的供电中。

2)中程能量传输

中程的无线能量传输是应用了电磁谐振耦合技术。

　基于电磁谐振耦合原理，中程无线能量传输技术通过产生一个非辐射磁场来完成有效的电磁能量传输。中程传输的距离较远，可以实现感应线圈大约四倍直径的传输距离，但一旦超过这一距离，就会导致感应磁场的强度不够，同样频率的接收线圈在接收能量时的效率将大打折扣甚至无法接收能量。

　通常，完整的谐振耦合装置由两个各自构成自振系统^[21]的单独的线圈组成。第一线圈的功能是发射能量，但不向外辐射电磁波。线圈连接到电源，该电源使用振荡器将输入能量转换成高频振荡电流，然后通过另一个发射极线圈向外部空间发射电磁波，在器件周围空间形成了不向外辐射的磁场，就是由电场能量转变为磁场能量。当接收机的固有频率和发射的电磁波频率重合时，接收机电路将会产生最大的振荡电流，该过程（即谐振）已经实现从磁场能量到电场能量的转换，以达到能量的中距离的无线传输。电磁波的频率越高，能量越高、穿透性越强，大气中电磁波强度就越高，相对来说传输的效率就越高。

　3)远程能量传输

远程能量传输应用了微波无线输能技术。这项技术是一种十分重要且前景很好的无线能量传输技术。

由于微波信号的频率高，所以可携带信息量很大，且传输距离远，可以低损耗地通过电离层。微波无线传输技术无与伦比的优势将使其能够应用于诸多领域。首先针对各种大型飞行器，如飞机等新能源供应方式，也可以解决传统的电线无法到达一些地区的问题，以及偏远地区的供电问题。该技术不仅局限于上述技术，还可以提供高空通信平台、无线传感器、管道机器人等无线设备的能源，所以应用方向非常广泛。

　微波能量无线传输技术的应用不限于上述方面，除能源和通信技术外，微波传输同样有着较高的科学性价值和实用价值，它在工业、国防军事以及生物医药等许多领域发展前景看好。微波无线能量传输系统是利用直流电源转换为微波能量通过发射器定向发射到接收机，接收机将接收微波信号整流成直流电力进行传输，是一个电力转换为电磁能再转换为电力的过程。微波无线传输距离长、能量高、可以转换传输方向、在空间介质中传播衰减小且抗外界环境干扰等优势使得其应用愈加广泛。

　在人们对新能源的需求增加、无线技术的飞速发展的背景下，无线能量传输应用也越来越广泛。 这些年来，由于能源危机等问题越来越显现出来，以美国为首的一批国家，提出了一项太阳能卫星方案，他们计划在地球轨道上利用太阳能卫星，将太阳能转换为电能再转换为微波能量发射到地球表面再接收利用。拟议的计划进一步推动了微波能量无线传输技术的进步。

　在这项技术中，整流电路起着至关重要的作用。整流电路作为整流天线^[2]必不可少的一部分，在很大程度上决定了整流效率，是微波能量传输技术的核心技术和重点研究方向之一。 随着技术水平的提高，微带线电路越来越多地用于整流系统的研究设计中。 微带传输线的体积小、结构简单、成本低，且微带电路容易实现、适用于批量生产、易于系统设计集成电路， 这些特点使得微带电路实现了大规模生产和工业化。所以微带电路具有传统电路不可比拟的优点。

1.1.2无线能量传输在国内外的研究情况

　中外对无线能量传输都做过大量的研究，美国和日本在前沿发展。

1899年，Nikola Tesla首次进行无线电传输测试。后来他有个大胆的设想就是将整个地球作为内部导体，将地球的电离层作为外部导体，使用地表周围的电磁波传递能量，但最后他的大胆想法未能实现。

　1964年，美国雷声公司(Raytheon)的William.C.Brown博士进行了许多无线能量传输有关的科研试验，他成功地将变送器的直流能量转换为400W的微波能量，传输了7.4m之后，接收后转换为104W的直流电。

他的这些实验结果为无线电力发展奠定了基础，使无线能量传输的概念真正成为了现实。他设计了一种可以将频率为2.45GHz的微波能量整流成直流电的比较有效且比较简单的半波电偶极子二极管整流天线结构。

　在1964年和1968年，他首先使用直升机进行微波驱动的飞机实验，飞机在60英尺的高度持续飞了10小时。 此后他在1970年到1975年间进行了大量的演示测试。

　伴随着国家社会发展对能源危机的长期了解，为了开发新能源，美国、日本等国家开始准备实施太阳能卫星计划(Solar Power Satellite，简称SPS)。

在无线技术高速发展的背景下，上世纪80年代提出了开发长期高空作业的接力式通信平台，这就是现今的临近空间飞行器的雏形，而MPT技术是这个平台的重要能量来源。

　随后，日本的科学家也在1983年和1993年进行了MINIX(Microwave lonosphere Nonlinear Interaction Experiment，微波电离层非线性相互作用)实验和ISY-METS(International Space　Year-Microwave　Energy　TransmissioninSpace，太空国际空间站间的微波能量传输)实验。

20世纪90年代，许多关于无线能量传输的实验在全世界展开。例如，加拿大在1987年成功地进行了名为SHARP(Stationary High Altitude Relay Platform，固定高海拔继电器平台)(2.45GHz)的飞行器演示实验。

之后，美国的科学家还提出过利用微波帆使得航天器进行加速，即将在太空中的卫星发电站的电能转化为定向微波束，发射向飞船上的接收网帆，通过聚焦使飞船进行加速。

另外，微波能量传输技术也已经应用于无线传感器网络，实现了环境不接近人体区域的传感器无法接入无线。

在国内，林为干院士1994年首先对无线能量传输技术进行了具体的描述^[2]，各大院校及研究机构也纷纷关注。1998年以来，在国家自然科学基金等多个项目的大力支持下，上海大学的研究团队对无线输能的关键技术进行了系统深入的探索。在国内，关于管道机器人的微波输能实验已经进行。2009 年，四川大学的科研团队完成了国内第一次微波能量传输试验，传输的功率达到了千瓦级，传输距离为公里级，这是一次不小的突破。2010 年，海尔公司发行了一款“无尾电视”，该产品基于电磁耦合技术可向屏幕提供直流电，无线输能技术正逐步走向民用和商用领域。虽然我国在这个领域的研究起步较晚，但是在我国科研人员的努力和政府的大力支持下，我国正逐步向世界先进水平看齐。

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