MPT中基于LabWindows/CVI的微波波束自适应调节

为实现微波无线能量传输(MWPT)系统中最高传输效率,需要调节微波发射波束对准接收端。通过对微波发射端天线单元的相位进行闭环调节和控制,实现接收端微波功率最大值的跟踪与锁定。本文构建2个发射天线单元的X波段微波无线能量传输系统,基于LabWindows/CVI软件平台进行发射端功率放大器相位自适应控制,实现系统最高效率传输。发射天线和接收天线的中心距离为152 cm,功率放大器的最小移相步进5.625°。实测结果表明,微波无线能量传输系统输出功率降为最大值一半的范围(3 dB动态范围)扩大了49%,验证了本方法能准确地进行闭环自适应相位控制并锁定最高系统传输功率。     

基于磁耦合谐振的动态无线传能系统设计

利用磁场在谐振线圈的共振耦合,磁耦合谐振式无线传能技术可以提供中等距离和功率的传输。当收发回路耦合系数较高且处于过耦合状态时,系统发生频率分裂现象,激励源频率成为制约传输功率的重要因素。由于收发线圈之间的距离具有随机性的特点,负载接收功率和额定功率难以恰好匹配。为了提高能量的传输功率及其稳定性,经过系统建模和理论分析发现,可以采用罗耶振荡电路对最大传输功率频点进行实时跟踪,基于反馈链路的功率控制也是实现功率匹配的有效手段。实验结果表明,采用罗耶振荡器和前端升压电路顺利完成无线传能系统的频率跟踪和功率控制,实现在12 cm距离内5 W功率的稳定传输,从而验证了能量传输过程中优化控制的有效性。     

物联网微波能量传输系统天线的研究

本文研究的是面向物联网应用的无线能量传输系统,通过改进微带馈电缝隙接收天线的微波滤波器的设计,不仅解决了接收频带窄的难题,而且提高了对2.45GHz和5.8GHz两种频率微波能量的接收效率.     

一种基于机械旋转的可重构超表面电磁开关设计

为了提高微波无线能量传输的效率以及灵活性,提出并设计实现了一款基于机械控制的可重构超表面电磁开关。该设计基于Pancharatnam-Berry(P-B)相位原理,是一种可机械旋转、具有波束控制能力的反射型超表面,可以直接应用于无线传输系统中。仿真与优化设计表明,对于垂直入射的右旋圆极化平面波,超表面能够实现同极化聚焦或散射两种可重构功能。将该超表面放在无线传输系统中的发射端可以形成反射面天线,从而对微波无线功率传输系统实现电磁开关的功能。实验结果表明,在设计的5.8 GHz 附近,发射天线位于超表面焦点处时,通过调节超表面实现聚焦功能,可以使天线增益提高2.7 dBi;在无线传输系统中,可以通过超表面的引入实现电磁开关的功能。     

用于微波无线能量传输的高效率惠更斯超表面透射阵

设计了一款工作在5.8 GHz用于微波无线能量传输的双层惠更斯超表面透射阵天线。惠更斯单元由一对1 mm厚的反对称E形单元构成，同时实现360°相位控制和高传输幅度(-0.82 dB)。该设计突破了传统双层频率选择表面的限制，同时提高了透射阵的辐射性能。透射阵尺寸为380 mm×380 mm,实测结果表明透射阵增益达到26 dB,口径效率为58.7%。在微波无线能量传输外场实验中，测试距离达到18 m,加载透射阵后，接收功率最高获得8.3 dB的增幅。     

用于无线能量传输的高效率半导体激光器设计

激光无线能量传输在无人机、卫星空间站和探月机器人供电等方面具有潜在应用前景,其系统效率成为了其应用的关键瓶颈。为了提高激光无线能量传输系统发射端激光器的电光转换效率、接收端光斑均匀性和有效窗口收光比,提出了用于激光无线能量传输发射端的高效率半导体激光器设计方案。基于合束效率较高的空间合束设计了一套高功率高效率半导体激光系统,接收端光斑不均匀度可优化至0.207,有效窗口内收光比大于94%。搭建了千瓦级激光无线能量传输实验装置,发射端半导体激光系统直接输出矩形光斑,与矩形光电池匹配,提高了电池阵布片率。利用多光束指向性可调节特点,优化了接收端光斑均匀度,有利于提高接收端电池的转换效率及简化电源管理。该设计与研究为激光无线能量传输的实际应用提供了借鉴意义。     

电磁感应/谐振无线输能的场-路混合仿真

针对电磁感应/谐振无线能量传输系统的效率计算,研究(电磁)场-(电)路混合仿真。将电磁感应/谐振无线能量传输系统划分为2部分:线圈耦合单元与电路单元。采用Comsol软件对线圈单元进行电磁仿真计算,得到线圈电感值及线圈间的耦合系数,将电感值及耦合系数带入Multisim软件进行电路仿真,得到系统总效率。混合仿真中电路单元不仅包括放大电路,还包括耦合线圈的等效电路模型,以此将耦合线圈和放大电路相互影响和匹配纳入仿真中。为检验场-路混合仿真准确度,设计和测试一套四线圈磁耦合谐振式无线能量传输系统,其谐振频率为4.78 MHz、无线传能距离为40 cm。混合仿真得到该系统效率为98.8%,与测试得到系统效率96.9%吻合良好。     

基于负磁超材料增强的无线能量传输系统设计*

提出了一种基于负磁超材料耦合增强效应的无线能量传输系统。首先,利用磁偶极子近似方法对引 入负磁超材料的无线能量传输系统的传输特性进行了建模和理论分析。然后,依据理论模型,设计了小型化无线能 量传输系统,并通过仿真和实验进行了验证。实验结果表明:在无线能量传输系统中加入非正定负磁超材料板,在 10cm 距离下传输效率从0. 7%提高到22%,且其传输效率随距离增加而衰减的速度会随负磁超材料的引入而减小。     

磁耦合谐振串串式无线电能传输研究

磁耦合谐振式无线电能传输技术作为一种新兴无线能量传输技术,具有传输距离远、传输功率大、传输效率高、无辐射性和穿透性等优点。基于等效电路模型建立了磁耦合谐振式无线输电串串式拓扑模型,给出了输出功率、传输效率的计算方法,搭建了磁耦合谐振式无线电能传输试验平台,通过仿真与实验,分析了线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振对输出功率、传输效率的作用规律,为磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计及参数优化提供了理论依据。     

一种新型双频宽负载整流电路

提出一种新型双频宽负载整流电路,它能有效回收环境中的微波电磁能量。该整流电路主要由阻抗压缩匹配网络、肖特基二极管和低通滤波器构成。其中,阻抗压缩匹配网络由一个L型阻抗调节器和一个Π型阻抗匹配器组成,该网络能够在200~4000Ω的负载区间内减小输入阻抗的变化范围,从而提高整流电路的匹配性能。ADS 2017软件仿真结果显示,该整流电路在0.8 GHz和2.4 GHz的RF-DC转换效率最高,分别能达到81.2%和77.8%,转换效率大于50%的输入功率范围在两个频点处分别为17.8 dBm和14.2 dBm,且都可在宽负载(200~4000Ω)范围内实现较高的转换效率,实测结果与仿真结果基本吻合,进一步验证了本文设计的可行性。该整流电路具有结构简单、双频、宽负载、宽输入功率等特性,对物联网、无线传感器网络和射频标签等领域的无线能量传输有一定的实用价值。     

Ku 波段微波无线输能系统技术研究

微波无线输能是未来能量传输的一种重要手段,在太阳能电站、孤岛输电、无人机供电、能源卫星等军民用领域有广泛应用前景。根据能源卫星无线传能这一应用需求,基于高效率真空功率器件,文中将载波频率拓展到Ku 波段,高压电源采用单级谐振变化技术,显著降低了变换器开关损耗;微波源为高效率行波管,采用螺距动态速度渐变再同步技术和多级降压收集极技术,大幅度提高了互作用和收集效率;微波整流采用肖特基二极管,并进行多路合成,降低了插入损耗,优化了整流效率。据此搭建了Ku 波段高效率远距离微波无线输能系统,经测试,在载波频率12. 5 GHz、传输距离25 m 条件下,微波发射功率150 W,市电到直流(AC-DC)总转换效率达5. 6%。     

One- and two-dimensional antenna arrays for microwave wireless power transfer (MWPT) systems and dual-antenna transceivers

In this work, we demonstrate novel one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) antenna arrays for both microwave wireless power transfer (MWPT) systems and dual-antenna transceivers. The antenna array can be used as the MWPT receiving antenna of an integrated MWPT and Bluetooth (BLE) communication module (MWPT-BLE module) for smart CNC (computer numerical control) spindle incorporated with the cloud computing system SkyMars. The 2D antenna array has n rows of 1 × m 1D array, and each array is composed of multiple (m) differential feeding antenna elements. Each differential feeding antenna element is a differential feeding structure with a microstrip antenna stripe. The stripe length is shorter than one wavelength to minimise the antenna area and to prevent being excited to a high-order mode. That is, the differential feeding antenna element can suppress the even mode. The mutual coupling between the antenna elements can be suppressed, and the isolation between the receiver and the transmitter can be enhanced. An inclination angle of the main beam aligns with the broadside, and the main beam is further concentrated and shrunk at the elevation direction. Moreover, if more differential feeding antenna elements are used, antenna gain and isolation can be further enhanced. The excellent performance of the proposed antenna arrays indicates that they are suitable for both MWPT systems and dual-antenna transceivers.     

用于激光无线能量传输的MPPT集成仿真系统

在激光无线能量传输（LWPT）中,传能激光波长、光功率和光电池温度对光电池的输出特性有显著影响,最大功率跟踪（MPPT）技术可解决上述等因素造成的功率失配问题,提升系统的DC-DC效率。构建了针对LWPT的MPPT集成仿真系统,耦合了波长、光功率和温度对GaAs光电池输出特性的综合影响,可以同时分析光电池在功率匹配、功率失配和MPPT调制等多种条件下的输出特性。基于该仿真系统,研究了光电池在不同波长、光功率和温度条件下的物理规律。波长增大时,在850 nm左右转换效率η_max达到最大值为50%,波长继续增大,光子能量小于GaAs禁带宽度导致η_max迅速下降。功率增大时,η_max基本不变,最大功率匹配电阻R_Lmax减小。温度升高时,η_max和R_Lmax均持续下降。此外,研究了光电池在功率失配时的输出特性,此时光电池的转换效率对比功率匹配时均有不同程度的下降。根据光电池的输出特性在仿真系统设计了MPPT电路,利用时间扰动算法进行最大功率跟踪。光电池在MPPT系统调制后均可工作在功率匹配时的最大功率点,且光电池能源利用率达到99.93%。研究结果对用于激光输能有重要指导意义。     

Dynamic wireless power transfer in the presence of reflecting walls

Analog Integrated Circuits and Signal Processing - This paper investigates wireless power transmission (WPT) system efficiency of antenna arrays in free space and in fully enclosed boxes with...     

激光无线能量传输技术的发展

无线能量传输技术包括微波无线能量传输与激光无线能量传输(LWPT)两种技术途径。介绍了LWPT技术的基本概念,综述了LWPT技术的国内外发展历史和现状,分析了LWPT技术的主要研究内容,预测了LWPT技术的发展方向和可能的应用。对比国内外情况可知,国内LWPT研究还处于理论和应用初期,需要更多地投入推动其发展进步。     

基于LCC-S补偿结构无线电能传输的阻抗匹配的研究

无线电能传输效率的优化具有重要研究意义,无线充电系统中存在着系统最佳阻抗。充电过程中,电池阻抗并非在最佳阻抗点,传输效率偏低。为了实现效率的优化,将LCC-S型拓扑结构与DC-DC变换器结合,实现宽范围调节的阻抗匹配。首先从理论分析了最佳阻抗点的数值,然后通过仿真软件MATLAB验证了效率的提升与宽范围的调节,最后搭建了无线电能传输的实验平台。实验表明,加入阻抗匹配的系统传输效率达到83%以上,证了上述方案的正确性与可行性。     

288×4长波红外探测器关键驱动电路的设计

针对制冷型288×4长波焦平面红外探测器组件PLUTON LW K508的特点,设计了一个驱动模块,为探测器组件提供了时序与控制信号、模拟与数字电源、参考电平、制冷模式控制信号等。重点介绍了上电控制电路、GPOL电压产生电路、制冷模式控制电路等关键电路的设计原理与结构。实验结果表明,采集到的红外图像具有噪声低、精度高、稳定性强等特点。当探测器在293 K和353 K之间的黑体照射下,并且积分时间为19 μs时,整个红外图像采集系统采集到的图像噪声电压均值保持在0.4 mV以下。     

利用单透镜结构实现自由空间激光进入单模光纤的耦合研究

自由空间激光与光纤的高效耦合可大幅降低激光 能量损耗。基于高斯光束通过透镜的传输规律,分 析经过单透镜变换后的激光光束特性,即像方激光光束特性。对自由空间激光与单模光纤的 优化耦合进行研究。通过分析匹配单透镜参数对像方光束的影响, 选择单透镜合适焦距参数,实现激光与光纤参数的高效匹配,满足激光光束的像方腰斑小于 10 μm且数值孔 径小于0.12。通过实例,分析采用焦距为5mm的单透镜对780 nm空间激光到单模光纤的耦合效 率,结果表明自由空间激光到单模光纤的耦合效率高达90%。该耦合 系统结构简单,可实现激光由自由空间到至光纤的高效率传输。     

自由空间光-布拉格光纤耦合效率仿真分析

根据电磁场模场匹配理论,分析了自由空间光-布拉格光纤的耦合效率.通过对空间光-布拉格光纤耦合效率的计算可以知道,耦合效率与布拉格光纤纤芯半径、焦点光斑光腰半径和纤芯波矢有关.通过优化合理选择空间光聚焦后光腰半径与布拉格光纤纤芯半径以及纤芯波矢可以有效提高耦合效率.本文还对外界振动造成耦合透镜与布拉格光纤对接不正而对空间光-布拉格光纤耦合效率影响进行了分析.这对光纤激光雷达系统以及空间光通信系统的空间光-布拉格光纤耦合效率分析具有极其重要的参考价值.