無線能量傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)是一種將電能通過電磁波直接由源端傳遞至受電端的電能供給模式。它一改傳統(tǒng)只能依靠電導(dǎo)體傳輸電能的供電方式,旨在消除連接到電子設(shè)備的所有電力電纜。采用微波作為載體的無線能量傳輸又稱為微波能量傳輸。微波能量傳輸系統(tǒng)主要包括由微波源和發(fā)射天線組成的發(fā)射端,以及由接收天線和整流電路組成的接收端。其中接收端的能量轉(zhuǎn)換效率是微波能量傳輸技術(shù)研究的關(guān)鍵。一方面,整流天線的效率受限于整流二極管的內(nèi)部損耗;另一方面,由于整流二極管的非線性特性,整流電路和接收天線之間的匹配通常因受到輸入功率、頻率和負(fù)載變化的影響而難以保持高整流效率。針對上述問題,本文首先在發(fā)射端設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生脈沖信號的高功率集成天線微波源,以高峰均比的載波減小接收端整流天線中二極管的閾值屏障引起的能量損耗,從而實(shí)現(xiàn)更高的整流效率;然后在接收端設(shè)計(jì)多種具有寬輸入功率、工作頻率和負(fù)載范圍的高效率整流電路和天線。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)提出了一款基于自諧振天線陣列的集成微波源,用以產(chǎn)生具有高峰均比的脈沖信號。首先,提出了兩種同時(shí)充當(dāng)儲能系統(tǒng)、脈沖發(fā)生器和輻射體的集成天線微波源的單元結(jié)構(gòu),并在上述單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一階、二階和四階的集成天線微波源。與傳統(tǒng)的微波能量傳輸系統(tǒng)中微波源和發(fā)射天線級聯(lián)的方式相比,提出的集成天線微波源的結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡單。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多個(gè)單元的脈沖可以實(shí)現(xiàn)同相疊加。因此通過放置多個(gè)單元設(shè)計(jì)多階集成天線微波源即可實(shí)現(xiàn)輸出高功率脈沖。與現(xiàn)有的高功率微波源相比,提出的微波源具備更強(qiáng)的可拓展性。(2)提出了一種反射功率回收網(wǎng)絡(luò)的概念,用以拓寬整流電路的輸入功率、工作頻率和輸出負(fù)載范圍。將反射功率回收網(wǎng)絡(luò)置于整流電路和接收天線之間,當(dāng)輸入功率、工作頻率和輸出負(fù)載變化導(dǎo)致整流電路阻抗失配時(shí),反射功率回收網(wǎng)絡(luò)便能回收阻抗失配時(shí)電路產(chǎn)生的反射能量,進(jìn)而提高整流效率�；谏鲜龈拍�,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了兩個(gè)反射功率回收網(wǎng)絡(luò),其中第一個(gè)功率回收網(wǎng)絡(luò)具有寬頻化特性,而第二個(gè)功率回收網(wǎng)絡(luò)則具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)。經(jīng)仿真驗(yàn)證,基于第一個(gè)反射功率回收網(wǎng)絡(luò)的整流電路能在寬動態(tài)輸入功率、工作頻率和輸出負(fù)載范圍內(nèi)保持高整流效率;基于第二個(gè)反射功率回收網(wǎng)絡(luò)的整流電路能降低整流效率對輸入功率變化的敏感性,且工作在更高功率級。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。(3)提出了包括單頻和雙頻設(shè)計(jì)在內(nèi)的兩種復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò),用以提高整流電路設(shè)計(jì)中的整流效率。提出的復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)連接在整流電路輸入端,通過減小整流電路輸入阻抗隨輸入功率變化的阻抗范圍,提高整流電路的匹配性能,進(jìn)而提升輸入功率范圍內(nèi)的整流效率。與電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)相比,復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)能直接壓縮復(fù)數(shù)阻抗的變化范圍,因此具有更大的設(shè)計(jì)自由度。在詳細(xì)分析復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的工作原理和設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和加工了一個(gè)工作在2.45 GHz的基于復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的單頻整流電路和一個(gè)工作在2.45 GHz和5.8 GHz的基于復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的雙頻整流電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與普通整流電路相比,所提出的基于復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的整流電路可在不損耗最大整流效率的同時(shí),提高低輸入功率水平下的整流效率,拓寬其工作功率范圍。此外,基于復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的整流電路比基于電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)的整流電路具有更簡單和緊湊的電路結(jié)構(gòu)。(4)提出了一款具有寬動態(tài)工作功率范圍的寬頻整流天線。首先,設(shè)計(jì)了一款工作頻率為1.68 GHz-2.72 GHz具有47.3%相對頻率帶寬的寬頻圓極化天線。隨后,提出了一個(gè)由阻抗調(diào)制網(wǎng)絡(luò)和寬頻電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的寬頻寬功率匹配網(wǎng)絡(luò),用于改善整流電路中寬輸入功率和頻帶內(nèi)的阻抗匹配性能,并對其工作原理和設(shè)計(jì)公式進(jìn)行了詳細(xì)地分析和推導(dǎo)。基于上述工作,設(shè)計(jì)了一種基于寬頻寬功率匹配網(wǎng)絡(luò)的整流電路。仿真和測試結(jié)果顯示,相比傳統(tǒng)的電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)整流電路和普通寬頻整流電路,提出的整流電路能在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗壓縮,提高阻抗匹配性能,進(jìn)而在更大的頻帶內(nèi)降低整流效率對輸入功率變化的敏感度。最后,結(jié)合上述寬頻圓極化天線和整流電路,設(shè)計(jì)了一款具有寬動態(tài)工作功率范圍的寬頻整流天線,并搭建了一個(gè)完整的無線能量傳輸系統(tǒng),測試了其在寬輸入功率和頻率范圍內(nèi)的整體效率。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM724;TN820;TN015
【部分圖文】：

圖 1.1 電磁諧振耦合式的無線能量傳輸系統(tǒng)[1]技術(shù)主要通過電磁波輻射的方式進(jìn)行無線波傳輸兩種。遠(yuǎn)場無線能量傳輸?shù)膫髂芫? MW），傳能位置靈活度高，但同時(shí)也會由兩種形式實(shí)現(xiàn)，如圖 1.2 所示。一種是備為一定范圍內(nèi)的傳感器或移動終端供電為傳感器供電。目前，遠(yuǎn)場無線能量傳輸效率能量轉(zhuǎn)換、捕獲與利用、設(shè)備輕量為載體的無線能量傳輸技術(shù)具有傳輸功率在環(huán)境復(fù)雜的情況下，為遠(yuǎn)距離、廣覆蓋成信息的交互。故而微波式無線能量傳輸利用和微傳感器攜能通信等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用用電設(shè)備提供新的電能傳輸方式。

圖 1.1 電磁諧振耦合式的無線能量傳輸系統(tǒng)[1]輸技術(shù)主要通過電磁波輻射的方式進(jìn)行無線傳微波傳輸兩種。遠(yuǎn)場無線能量傳輸?shù)膫髂芫嚯x - 1 MW），傳能位置靈活度高，但同時(shí)也會帶以由兩種形式實(shí)現(xiàn)，如圖 1.2 所示。一種是采設(shè)備為一定范圍內(nèi)的傳感器或移動終端供電；備為傳感器供電。目前，遠(yuǎn)場無線能量傳輸?shù)母咝誓芰哭D(zhuǎn)換、捕獲與利用、設(shè)備輕量化與作為載體的無線能量傳輸技術(shù)具有傳輸功率大合在環(huán)境復(fù)雜的情況下，為遠(yuǎn)距離、廣覆蓋的完成信息的交互。故而微波式無線能量傳輸可利用和微傳感器攜能通信等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，為動用電設(shè)備提供新的電能傳輸方式。

統(tǒng)的效率具有重大意義。除了直接改進(jìn)整流電路的結(jié)構(gòu)以提高整流效波的調(diào)制，如以高峰均比（High Peak-to-Average Power Ratio, PAPR），同樣能提高整流效率[8]。因此，還可以從微波源展開研究，通過對高微波能量傳輸接收端，甚至整個(gè)系統(tǒng)的效率。內(nèi)外研究現(xiàn)狀外研究現(xiàn)狀 1899 年，Nikola Tesla 便提出了無線能量傳輸?shù)母拍睿⑦M(jìn)行了第一驗(yàn)。圖 1.4 所示為特斯拉的微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)以及他后來領(lǐng)導(dǎo)建造的該實(shí)驗(yàn)類似于近期在美國伊利諾伊州芝加哥市舉行的“世界哥倫比亞博量傳輸用于“點(diǎn)亮”白熾燈的演示[10]。第二次世界大站之后，隨著磁控，高功率微波源的發(fā)展取得很大進(jìn)步，這也在很大程度上促進(jìn)了無線展。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 林權(quán)緯;無線輸能中的高效寬功率范圍整流電路研究[D];華南理工大學(xué);2016年

2 國家品;用于微波能量傳輸?shù)母咝⒉ㄕ髌髟O(shè)計(jì)[D];上海交通大學(xué);2013年

本文編號：2838322