基于无线能量传输应用的小型化整流天线设计

论文总字数：20415字

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 1

1.3三种主要无线能量传输方式 2

1.3.1辐射式无线能量传输技术 2

1.3.2磁场共振式无线能量传输技术 2

1.3.3电感耦合式无线能量传输技术 2

第二章 相关基础理论 3

2.1微带天线理论 3

2.2微带天线小型化技术 6

2.2.1采用高介电常数基板或覆盖层 6

2.2.2曲流技术 6

2.2.3短路加载技术 7

2.3整流器理论 8

2.3.1三种整流电路工作原理 9

第三章 基于无线能量传输应用的小型化整流天线设计 9

3.1整流天线设计 10

3.1.1天线设计 10

3.1.2整流器设计 12

3.1.3效率计算 12

3.2微波测量 12

3.2.1 测量有电阻负载的微波 12

3.2.2测量在负载一个超级大的电容的情况下的微波 14

3.3使用的尺寸比较 15

第四章 结论 16

致谢 17

参考文献 18

基于无线能量传输应用的小型化整流天线设计

郭健

,China

Abstract: Wireless energy transmission technology is a new technology that comes with the growing demand for contactless power supplies.Radiant wireless power transmission is a big demand in the defense industry and daily activities, and miniaturized antenna technology has restricted its development.In this paper, based on the application of wireless energy transmission technology, a compact and compact antenna is proposed. In order to supply a specific wearable actuator,a special rectifier antenna is designed.The key point is that the size of the antenna must be within 1.5 × 1.5 × 1 cm³.The rectifier antenna is composed of an antenna and a rectifier circuit, each independently designed and then integrated together.In order to utilize the limited space as much as possible,the design utilizes a loop antenna and places the rectifier circuit in the antenna.In addition,in order to further improve the small rectifier antenna,so that the design more compact,rectifier circuit should match the antenna.After processing,the rectifier antenna first and a resistor in series to test its DC output capability.Then, the rectifier antenna and a super capacitor connected to the capacitor with electrical energy storage.In the measurement process,a standard horn antenna is used to transmit the incident wave of the microwave.The results show that the microwave and the appropriate input power are used to obtain the voltage and microwave to meet the design requirements.

Key words: Wireless power transmission, rectenna, miniaturization, loop antenna, rectifier

第一章 绪论

1.1研究背景

目前，无线能量传输技术由于其传输性能的大幅增强以及能够为我们的日常生活提供便利，故已经成为我们生活的一部分。1968年，美国的Glaser博士提出了空间太阳能发电的构想，其目标是在和地球同步的卫星轨道上建立一个平台，通过收集空间中的太阳能来转化成直流电能，然后转换成大功率微波能，通过定向天线辐射到设置在地球上的接收器，最后在终端将微波能量转化成可以进一步被人类利用的直流电能。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

虽然早在十九世纪末，特斯拉（Nikola Tesla）就已经提出了无线传输能量的可能性，但因为效率低下、成本昂贵以及体积庞大等原因，并没有取得很好的应用。后来，人们试图通过各种可能的无线或近无线方法，如激光，射频无线电波，微波和电磁场耦合。通俗来讲，无线能量传输技术泛指可以借助某一样物体实现不直接电气连接（如电线连接）的能量传输技术。最近几年，无线能量传输系统凭借稳定性高、安全性能好、维修费低还有环境亲和性强等优点得到了很快的发展，国外很多学者和科研机构开始留心和发展无线能量传输技术。目前，许多欧美国家包括日本都投入到了该领域的研究。在这个领域，这些国家如美国已经有了很多实质性的成果，无线能量传输技术的基础性工作已经趋于饱和。在这些基础上，已有科研机构就某些特定的应用而开发了一系列与之相关的产品。在国外，有很多研究无线能量传输技术的科学机构，比如美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）,日本东京大学（Tokyo University），新西兰奥克兰大学（The University of Auckland），崇城大学（Sojo University）等等。如图1.1所示，自上世纪九十年代起，新西兰奥克兰大学的BOY教授就开始了这方面的研究，他率领电子与电气工程中心的研究小组对无线能量传输技术进行了深入的研究，最终他们在轨道车辆和电动汽车领域获得了突破性的进展。一直以来，无线能量传输距离过短是这项技术最致命的缺陷，以往的传输距离就没有达到一米以上的。不过，2007年来自马萨诸塞理工学院的助理教授马林·索拉乔奇带领他的团队历史性的攻克了这一难题。他们通过使用磁场的谐振模式，构建了半径为30厘米的两个发射器，在1.9米外成功的点亮了60W的灯泡，打开了无线传输技术的新方向。因为辐射低，也大大降低了该技术对环境的破坏。如图1.2，MIT谐振式无线能量传输系统。

图1.1 电车模型 图1.2 MIT谐振式无线能量传输系统

1.2.2国内研究现状

进入21世纪以来，中国在无线能量传输这一领域的研究才刚刚开始，相比欧美国家，中国起步较晚。而且，中国科研机构的着力点主要在于感应式无线传输技术和谐振耦合式无线传输技术。在众多科研机构当中，中国科学院电气工程研究所率先取得了一些研究成果^[7]。2002年，重庆大学也开始非接触式输电技术，基础理论与工程应用研究^[8,9]，并成功研制出一套电动汽车非接触式供电系统。从2006年开始，东南大学在无线能量传输方面也开始了相关的研究工作，并有了不少可喜的研究成果，例如光电耦合的电机技术，磁耦合谐振无线能量传输系统的功率调频控制技术，电动车无线充放电与电网互动技术和许多可圈可点的技术^[10,11]。此外，哈尔滨工业大学，浙江大学，南京航空航天大学等^[12-14]。大学和研究机构在基础理论与应用研究方面做了大量的工作。因为国内研究机构对无线能量传输技术研究的热情不断高涨，所以2011年10月应运而生了中国第一个“无线电传输技术”研讨会^[15]，参加会议的学者们探讨了无线能量传输技术的新进展和一些共有的问题，并达成“天津共识”。该会议对无线能量传输技术在国内的研究和推广具有重要的意义。

1.3三种主要无线能量传输方式

1.3.1辐射式无线能量传输技术

辐射式无线能量传输技术是依赖优秀的定向天线传送和摄取微波能量，在接收端依靠效能良好的接收和整流技术完成距离更远的无线能量传输。这种技术目前在比较远的距离，如高空能量传输平台能得到较好的应用。在如今太阳能太阳能发电尤其是太阳能发电卫星这个方面，辐射式能量传输技术被用来将太阳能发电太阳辐射回地球，然后由接收天线转换和二次辐射传输给其他基站，不断地为人们提供能量。在进行辐射能量传输技术的天线研究时，选择柱状天线的开发是一个相对较好的设想。阵列天线是由充足的完全相同的辐射元件组成的孔径，辐射元件自相位和幅度应该可以独立地控制。辐射图和它的光束指向能够被准确地进行预测。在微波源中，两个条件务必达成：一是尽可能的加大微波发出的功率。探究更高功率的真空微波放大器和探寻效能较好的固态微波放大器，同时满足功率合成的高功率要求成为了当务之急；二是加大微波源的工作效率。高效微波源的研究是电力系统应用中无线能量传输技术的难点。

1.3.2磁场共振式无线能量传输技术

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