研究毫米波维瓦尔第微波与高转换效率和数组

文摘

小说维瓦尔第微波在35 GHz毫米波高直流电(MMW-to-DC)提出了转换效率和数组。测量转换效率是51.6%的35个GHz和效率高于30%时从33.2 GHz 36.6 GHz输入毫米波功率为79.4兆瓦。接收维瓦尔第与超材料单元的高增益天线加载10.4 dBi 35 GHz。SIW——(基片集成波导)to-microstrip过渡设计不仅直接与整流电路集成天线还提供整流电路的直流分流。当功率密度是8.7 mW /厘米²,收到了毫米波天线5.6 mW的力量,和微波元件的最大转换效率为31.5%。元素的输出直流电压几乎是一样的并行数组和数组是大约一半的系列。的直流电源获得1×2微波数组是大约两倍的元素。阵列的转换效率非常接近的元素。大规模阵列可以收集更多的直流电源消耗。

1。介绍

WPT无线电力传输技术是用来提供电力。它可以追溯到1960年代当布朗第一WPT进行实验(1]。解决能源危机,天基SSP(空间太阳能发电)的概念是1968年彼得·格拉泽(博士2),促进WPT技术的发展(3,4]。微波WPT系统相比,毫米波系统的优点更小的尺寸和长途WPT系统传输效率更高,可以应用于空间没有大气损失(5]。微波、接收天线组成的整流电路,WPT系统起着重要的作用。

已研制出许多在微波波段微波(6- - - - - -11),RF-to-DC转换效率可以达到80%左右时获得大约100兆瓦的电力输入整流电路。到目前为止,只有少数毫米波微波已报告(12- - - - - -16),如表所示1。CPS报告(共面带线)微波和补丁微波在35 GHz获得测量转换效率为38%和29%,分别输入毫米波功率120兆瓦时(12,13]。获得足够的输入功率整流电路、毫米波传输功率高的上述两个微波因为低增益的接收天线。为了减少传输电力需求和供应所需的输入功率整流电路,1×2天线阵设计整流电路(14]。2×2系列微波元素和阵列功率密度时获得35%的效率30 mW /厘米²。然而,整流电路的长度长于。文献[15报告一个双频微波在35和94 GHz的转换效率为53%和37%,分别为30兆瓦的功率密度下/厘米²。电路是基于CMOS 0.13 -μ米技术,是更加昂贵和复杂的设计比较标准的PCB技术。在[16],倍压整流电路获得测量转换效率34%的35个GHz当输入功率20 mW。

摘要小说维瓦尔第微波在35 GHz MMW-to-DC高转换效率提出了和阵列设计研究。采用series-mounted二极管整流电路拓扑结构和小,结构简单。接收天线是一种宽带end-fire维瓦尔第天线增益高、谐波抑制功能,可以直接集成到整流电路形成了微波。整流电路的性能,验证微波元素,数组的测量。依元素具有较高的转换效率和结构紧凑,可以扩展到大型数组。表1总结了演出的报道整流电路或微波和这项工作。

2。微波设计

2.1。整流电路设计

设计整流电路,有必要确定二极管的输入阻抗。在微波波段,二极管的输入阻抗可以获得封闭方程(6,7)或广告的商业软件(先进的设计系统)和心田;微波办公室(8- - - - - -11),二极管的参数模型提供的数据表是准确的。然而,在毫米波波段,二极管的等效电路参数模型是不准确和仿真结果不够精确,所以设计了整流电路的转换效率很低(12- - - - - -14,16]。在这项研究中,提出了整流电路是由实验设计方法。

2.1.1。整流电路配置

的几何结构提出了整流电路操作在35 GHz如图1,它包含一个二极管串联配置,一个开路匹配分支,四分之一波长微带线阻抗变压器,microstrip-SIW-microstrip过渡,两个径向存根,和一个电阻负载。电阻性负载用于收集直流电源。整流电路的设计在5880年罗杰斯基质的相对介电常数2.2,损耗角正切的0.0009,0.254毫米的厚度。

的商业肖特基二极管MA4E1317用于整流。二极管有向前和击穿电压为0.7 V和7,分别。在零偏压结电容0.02 pF和串联电阻是4Ω。二极管的输入阻抗是一个复杂的结电容。开路匹配分支的长度插入二极管和DC-pass滤波器消除二极管的输入阻抗的虚部吗。四分之一波长微带线阻抗变压器的宽度用于转换的实部吗成,这是设计为50Ω。

整流电路集成以下SIW接受维瓦尔第,天线,microstrip-SIW-microstrip过渡设计与零相位转变。随着这一过渡,输入阻抗和转换效率提出了整流电路可以测量的实验。SIW还提供的通过直流分流收集系列的直流电源,因为二极管的配置。模拟的参数如图microstrip-SIW-microstrip过渡2。它可以观察到,反射系数小于−15分贝和插入损失呢低于0.6 dB 30兆赫带宽内40 GHz,保证了良好的通频带性能的过渡。同时,设计的模拟移相过渡35 GHz 0°,这表明输入阻抗整流电路如图1等于。

两个径向长度的存根和设计作为一个DC-pass过滤器以防止不必要的基波和二次谐波通过电阻负载。模拟DC-pass滤波器参数如图所示3。它可以发现过滤器显示良好的DC-pass性能的衰减35 dB和38 dB 35 GHz和70 GHz,分别。

2.1.2。整流电路的实验

的确切大小高效整流电路如图1是由实验方法决定的。两个参数的长度开路的分支和宽度相匹配四分之一波长变换器的优化取消二极管的输入阻抗的虚部和匹配的实部50Ω。几个电路相同的长度和不同的宽度是捏造的。最初的长度是,在微带线波导波长。消除输入阻抗的虚部整流电路的长度在每一个电路调整。当输入阻抗50Ω相匹配,这是衡量安捷伦VNA (N5227A矢量网络分析仪),的大小和决心,高效整流电路。整流电路的最终尺寸表2。测量反射系数与频率如图4。可以看出,当输入功率550ΩdBm和负载,测量−19.6 dB 35 GHz和相应的是可以发现在VNA的史密斯圆图。二极管的输入阻抗计算从是。这是观察到的虚部小和开路匹配分支工作良好。

MMW-DC转换效率整流电路可以计算的 在哪里阻负载,是输出直流电压的负载由电压表可以读取,然后呢是输入毫米波电路。当输入功率是10 dBm,测量输出直流电压和转换效率与负载35 GHz如图5。可以看出,转换效率随负载,550Ω得到的峰值38.6%。当荷载继续增加时,输出直流电压继续增加而降低效率。所以最佳负载电阻是Ω550元。

当负载电阻为550Ω,输出直流电压测量和转换效率与输入功率是绘制在图6。结果表明,输出直流电压与输入功率转换效率增加。当输入功率19 dBm (79.4 mW),输出电压和转换效率4.75 V和51.6%,分别。最大输入功率继续增加时,电压会超过击穿电压和转换效率降低。转换效率高于30%时,输入功率大于7 dBm (5 mW)。图7显示测量的输出直流电压和频率转换效率与输入功率的负载电阻时19 dBm 550Ω。效率都高于30% 33.2 GHz 36.6 GHz,展现出一个相对宽带性能。

2.2。接收天线设计

一种新颖的维瓦尔第槽作为接收天线,如图所示8。它具有高增益的特点,广泛的带宽,和谐波抑制。维瓦尔第槽由SIW兴奋,这是由两个额外的成排的金属通过绑定中的能量SIW紧密,提高传输性能。材料center-symmetric单位零有效介电常数在装载35 GHz维瓦尔第槽提高天线增益。microstrip-to-SIW变压器设计满足天线,微带线的特性阻抗是50Ω。为了防止产生的二次谐波非线性二极管再辐射天线,SRR(开口环谐振器)单位是蚀刻在地面上的微带馈电线路作为一个低通滤波器。底物用于接收天线对整流电路是一样的。

模拟和测量反射系数和收益提出了维瓦尔第的天线是绘制在图9。天线具有大带宽的38.5%,从26.5 GHz与反射系数小于40 GHz−10 dB。增益变化从9.3到10.4 (dBi dBi Ka波段和获得最高的是10.4 dBi 35 GHz。

3所示。测量微波和数组

整流电路和接收天线直接集成在一起,因为他们都是美联储通过微带线的输入阻抗50Ω。图10显示的结构提出了微波。使用SIW在接收天线不仅给维瓦尔第槽还提供整流电路的直流绕过微波结构简化。总长度整流电路是7毫米,这是只有约。伪造的照片依图11。

微波的转换效率也计算了(1),而是毫米波功率由天线接收。输出直流电压也是读的电压表。根据Friis传输方程,通过计算 在哪里是自由空间波长,是传播距离,是传输毫米波功率。安捷伦E8257D毫米波信号源。毫米波功率放大器的饱和功率放大的36 dBm 35 GHz。一个角作为发射天线的增益dBi 35岁20.7 GHz。接收天线的测量获得10.4 dBi。微波是固定的距离厘米,微波在远场区域。

为了收集更多的直流电源,依阵列设计。的配置如图1×2微波数组12(一个)和伪造的照片在图给出12 (b)。的空间两个微波元素之间(≈8.5毫米λ₀)。串联和并联直流组合器电路如图所示13。负载电阻的串联和并联阵列和计算了Ω和分别Ω。微波测量元素和数组在35 GHz。

测量的输出直流电压、直流电源和MMW-to-DC依元素的转换效率,并串联和并联阵列和功率密度如数据所示13- - - - - -14。由于有限的毫米波输出功率放大器和测量系统错误,最大功率密度只有8.7 mW /厘米²远场的58厘米。从图14,观察输出直流电压与功率密度增加。当功率密度8.7 mW /厘米吗²,输出直流电压的微波元件并联和串联微波数组是0.99 V, 0.93 V和1.87 V,分别。微波元件的输出直流电压并联微波数组很近,大约一半的串联微波数组。

如图15,依阵列获得直流电源比较近两倍的元素,和转换效率的数组和元素几乎是一样的。当功率密度8.7 mW /厘米吗²,接收到的毫米波天线元素是5.6 mW的力量和元素的最大转换效率是31.5%,而数组的大约便宜4%。转换效率的差异主要是由加工和测量误差引起的。可以可断定的,微波和数组元素的转换效率与功率密度将继续增加。从测量结果,可以得出结论,依阵列显示好的数组表演和大型数组可以扩大获得更多的直流电源。

4所示。结论

在本文中,一种新型高效提出了微波在35 GHz。整流电路展品测量MMW-to-DC转换效率高于30%时33.2 GHz 36.6 GHz输入毫米波功率为79.4兆瓦,并在35 GHz最高效率达到51.6%。广泛的接收天线带宽、谐波抑制、高增益直接集成到整流电路形成了微波。微波元件串联和并联依阵列测量,获得的最大转换效率31.5%的低功率密度8.7 mW /厘米²。效率会增加更高的功率密度条件下。依元素相比,1×2阵列获得直流电源的近两倍。开发微波低调的优点,体积小,成本低。很容易形成大型微波阵列收集更多的毫米波功率适用于毫米波能量采集和无线电力传输的应用程序。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由自然科学基金支持下批准号61271062。

引用

1. w·c·布朗,“无线传输”,IEEE频谱,1卷,不。10日,86 - 91年,1964页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. p·e·格拉泽“来自太阳的力量:它的未来,”科学,卷162,不。3856年,第861 - 857页,1968年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. w·c·布朗,“卫星发电站:新能源?”IEEE频谱,10卷,不。3,38-47,1973页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. w·c·布朗”的技术和应用无线电力传输的微波束,“IEEE学报》,卷62,不。1,11-25,1974页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. b . Strassner k . Chang,“微波功率传输:历史的里程碑和系统组件,”IEEE学报》,卷101,不。6,1379 - 1396年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. j·a·g·Akkermans m . c . Van Beurden g . j . n . Doodeman h·j·维瑟,“低功率微波设计分析模型,IEEE天线和无线传播的信,4卷,不。1,第190 - 187页,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. W.-H。你,工程学系。许,k . Chang“紧凑的5.8 - ghz微波使用stepped-impedance偶极子天线,”IEEE天线和无线传播的信》第六卷,第284 - 282页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. x x。江,c, a . z . Elsherbeni f·杨,Y.-Q。王”,小说紧凑印刷微波为数据通信系统中,“IEEE天线和传播,卷61,不。5,2532 - 2539年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. f .张x Liu F.-Y。孟et al .,“设计一个紧凑的平面微波为无线电力传输的ISM乐队”国际期刊的天线和传播ID 298127条,卷。2014年,9页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. S.-T。Khang, j . w . Yu, W.-S。李,“紧凑型折叠偶极子与RF-based微波能量收获物联网智能传感器,”电子信件,51卷,不。12日,第928 - 926页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 诉库恩,c . Lahuec f·赛甘·c .人,“一个多波段堆叠射频能量收割机RF-to-DC效率高达84%,“IEEE微波理论和技术,卷63,不。5,1768 - 1778年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. t.w。Yoo和k . Chang”理论和实验的发展10到35 GHz依,“IEEE微波理论和技术,40卷,不。6,1259 - 1266年,1992页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. j . McSpadden、t . Yoo和k . Chang”二极管特性的微带测量系统对高功率微波功率传输”IEEE国际研讨会微波消化MTT-S学报》第2部分(3)IEEE,页1015 - 1018年,1992年6月。视图:谷歌学术搜索
14. Y.-J。任,M.-Y。李,k . Chang“35 GHz整流天线无线电力传输,”电子信件,43卷,不。11日,第603 - 602页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. H.-K。邱和I.-S。陈,“高效双频芯片上的微波为35 - 94 - 0.13 - ghz无线电力传输μm CMOS技术。”IEEE微波理论和技术,卷。58岁的没有。12日,第3606 - 3598页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 美国拉但和k·吴”,非线性建模和毫米波整流电路的谐波回收,”IEEE微波理论和技术,卷63,不。3、937 - 944年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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