基于微波无线能量传输多径效应的多角度超表面能量收集器的研究

为了提高具有多径效应的无线功率传输中接收系统效率，提出并设计了一款工作在5.7～5.9 GHz频段的4×4小型化L槽能量收集超表面。该超表面与传统的整流天线相比，具有广入射角度和极化不敏感特性。研究分析了不同入射角下超表面的能量收集效率，仿真表明超表面在5.8 GHz、入射角为0°时具有99.3%的吸波效率，91.3%的收集效率。实验过程中入射角在0°～40°的范围内保持50%以上的收集效率。超表面阵列尺寸为8.64 cm×8.64 cm×0.762 cm。     

采用前端变压器的射频电磁波能量收集器设计

为了实现高灵敏度的电磁波能量收集,提出了一种采用前端变压器的射频电磁波能量收集器。该电路具有一个前端变压器和18级整流器,可使收集电路与一个标准的50天线相匹配,同时提供电压增益,从而减少了18级整流器的“死区”。设计的电路采用了标准130-nmCMOS工艺,面积为200 × 250 μm2。实验结果表明,提出的能量收集器电路能够与50Ω天线相匹配,且具有?25 dBm灵敏度。     

基于微波无线能量传输多径效应的多角度超表面能量收集器

文中深入研究了基于微波无线能量传输技术的多径效应及其对多角度超表面能量收集器的性能的影响。首先,概述了微波无线能量传输技术的基本原理与发展现状,随后详细讨论了超表面结构在多角度能量接收中的应用。通过理论分析与仿真实验,文中提出了一种优化的超表面设计方案,以提高能量收集效率。实验结果显示,该方案能显著提高多角度超表面能量收集器在复杂传播环境下的能量收集性能,不仅为超表面能量收集器的设计提供了新的视角,也为未来无线能量传输技术的发展提供了理论参考。     

一种2.4 GHz CMOS高电压整流器

设计了一种工作在2.4 GHz的CMOS高电压整流器。采用四级NMOS二极管连接的电荷泵结构,从器件选型、尺寸、负载阻抗等方面,对整流器进行优化设计,提高了输出电压与功率转换效率。另外,在实际设计中考虑了封装管脚的寄生效应,消除了封装对匹配的影响。该整流器在CSMC 0.153 μm CMOS工艺下进行流片和测试。结果显示,该整流器在2.4 GHz 频段附近S11<-10 dB,匹配良好,功率转换效率的峰值为21.3%,输出电压为4.6 V。     

太赫兹波段双宽带极化无关超材料吸波体的设计研究

设计了一种太赫兹波段的雪花状双宽带极化无关超材料吸波体。采用时域有限元积分的方法对结构单元的电磁特性进行计算,结果表明结构单元在0.9~1.2 THz之间出现了两个吸收带,吸收率90%以上的频带分别是0.9642~1.002 THz和1.096~1.1316 THz,带宽分别为37.8 GHz和35.6 GHz;通过对其表面电流分布进行分析,发现其双宽带吸收特性是由不同的谐振频率叠加产生的;通过对结构单元在不同级对称性破缺下的吸收特性进行计算分析,发现结构单元的双宽带吸收特性对对称性破缺不敏感。     

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。     

一种应用于TPMS的梯形阵列式能量收集器

基于汽车运动过程,研究了宽车速范围的微型振动能量收集器,提出了一种应用于胎压监测系统(TPMS)的梯形阵列式压电振动能量收集器。在优化固有频率的情况下,对能量收集器的结构参数进行了仿真优化设计。仿真结果表明,在最优结构参数下,车速范围为80~120 km/h时,能量收集器的输出功率范围为1 620~9 600 μW。该能量收集器可以工作在较宽车速范围,输出功率高。这为TPMS的无线供电提供了新的设计思路。     

波导型能量选择电磁防护器件设计与实现

提出了一种用于矩形波导的波导型能量选择电磁防护器件。该器件在波导内壁加装了加载PIN二极管单元的超表面阵列,可根据波导内电磁波场强大小自适应切换加载二极管单元的状态,实现基于波导传输功率的传输特性变化。为验证可行性和器件性能,本文基于WR430波导进行了器件设计和实现。仿真和测试结果表明,当入射波功率低于25 dBm时,该器件在1.8～2.2 GHz内的插入损耗不高于1.5 dB;当入射波功率高于37 dBm时,该器件在中心频率处的隔离度不低于20 dB。仿真与测试结果吻合一致,证明所提波导型能量选择电磁防护器件具备较好的电磁防护能力。     

应用于能量收集中的接口电路的设计

针对从周围环境中收集能量的微型发电机输出功率和电压非常小,无法直接应用的问题。文中设计了一种超低输入电压、低功耗且高效的接口电路。该接口电路包含两级,第一级是无源级和仅由一个有源二极管组成的第二级。为降低有源二极管的功耗,采用一个工作在亚阈值区的衬底输入比较器用来驱动MOS开关。设计采用TSMC 018 μm 标准CMOS工艺,使用Cadence Spectre在室温的条件下进行仿真。结果表明,在输入电压为500 mV（100 Hz）,负载电阻为50 kΩ时整流器的电压转换率为977%,能量转换率为913%。整流器能够在输入电压振幅为320 mV以上实现高效整流。     

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。     

一种基于防震锤的新型压电复合能量收集方法

为了解决智能电网环境下输电线有害振动与工况检测传感器的供电及续航问题,该文设计了一种压电式振动与磁场复合能量收集的防震锤。防震锤的主压电梁收集输电线振动能量,副压电梁通过安装磁铁收集输电线电流产生的变化磁场能量,摆脱了传统收集磁场能量时线圈的使用。对收集器进行有限元仿真分析与实验测试。结果表明,收集器工作频带更宽,比传统的单梁输出高54%,主压电悬臂梁最大输出功率可达到874 μW,副压电梁最大功率可达到683 μW。     

一种应用于多阶射频整流器的MPPT技术

多阶射频整流器在射频能量收集系统中起着交流转直流的作用。当射频输入功率偏离某一数值时,多阶射频整流器的功率转换效率(PCE)迅速下降。基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺,提出一种最大功率点跟踪(MPPT)方法,使多阶射频整流器能够根据射频输入功率的大小自动配置阶数,从而在较宽的输入范围内保持较高的PCE。将该MPPT方法应用在3阶射频整流器上。结果表明,当工作频率为953 MHz、负载为50 kΩ、输入功率PIN∈(-26.5 dBm,-7.5 dBm)时,该3阶射频整流器的平均PCE可达65 %,相比传统3阶射频整流器,提升了约25%。     

一种低关断功耗的地端关断整流器

基于TSMC 180 nm CMOS工艺,设计了一种采用负压关断的地端关断整流器。将关断时的控制电平从0降到负值,降低了使能管的亚阈值电流。将使能管的工作状态从亚阈值区变为截止区,进一步降低了关断功耗。仿真结果表明,当整流器使能时,该负压地端关断整流器的导通性能与传统地端关断整流器几乎相当。当整流器关断且输入电压幅值为1 V时,关断功耗为-24.0 dBm @953 MHz,与传统地端关断整流器相比,下降了7.5 dBm;与传统短路关断整流器相比,降低了23 dBm,功率转换效率提高了1.9 %。该地端关断整流器能满足射频能量收集系统中整流器低功耗待机的要求。     

基于特征模分析的1-bit转极化反射超表面阵列设计

基于特征模理论分析了反射超表面单元模式特性和散射参数的关系,提出了一种仅需2个开关结构同时实现1-bit相位调控和转极化的单元结构,仿真分析表明单元工作带宽在26～33 GHz,并基于此设计了工作在Ka波段的波束倾角为0°和60°的1-bit转极化反射阵列。测试结果表明阵列可工作在27～33 GHz,最大增益分别为25.1,22.0 dBi,天线口径效率分别为12.5%和12.2%。该反射超表面单元结构简单,有效减少了开关数量,在低成本电扫反射阵列的应用中具有极大潜力。     

基于连通矩形谐振环结构的双波段左手材料吸波器

提出了一种工作于电磁波平行入射情况下的双波段连通矩形谐振环结构单元左手材料吸波器,充分利用电磁超材料的强谐振损耗性质,通过合理设计左手材料的电磁参数,并利用 CST 对其进行结构进行仿真优化,设计出具有较佳吸波效果的吸波器,使其中两个吸收峰位于以 5.41GHz、7.11GHz频段,且吸收率高于同频段的传统碳膜材料吸波器。制备了双波段连通矩形谐振环结构单元左手材料吸波器,并测量其传输特性。实验结果表明,实验与仿真结果一致。该吸波器可作为微波电路的衰减器,取代传统吸波器结构。     

基于PWM整流技术的能量回馈装置的研究

将PWM整流技术应用于能量回馈装置,是实现可再生能量回馈利用的经济而又环保的方法。介绍了能量回馈装置的主电路拓扑结构,并建立了该电路的数学模型,在此基础上,根据PWM整流器与交流电机的相似性,分析研究得到PWM整流器的虚拟磁链模型。从实现单位功率因素有源逆变控制出发,设计了PWM整流器的控制系统。通过Matlab/Simulink仿真表明,主电路设计合理,控制系统具有良好的动静态性能。     

5.8GHz回旋波整流器高频互作用区的研究

对5.8 GHz回旋波整流器的高频互作用区进行了设计与研究;运用CST对回旋波整流器高频互作用区的场分布状况进行了仿真;并运用MAGIC对其进行了粒子模拟。最后,设计出了工作在5.8 GHz,具有高能量转换效率的回旋波整流器高频互作用区     

压电振动能量收集器的建模与响应分析

以多方向压电振动能量收集器为对象,建立系统的简化机电耦合动力学模型。利用COMSOL软件构建能量收集装置的有限元模型,分析了系统的振动模态,讨论了系统不同结构参数对其电压频域响应及负载功率阻抗匹配的影响。引入非线性磁力,探究了不同磁间距对电学响应的作用。结果表明,能量收集器在y方向1g(g=9.8 m/s²)加速度载荷激励下,负载电压和负载功率峰值分别达到37 V、6.9 mW,减少压电陶瓷、弹簧基底厚度及增加附加质量块的质量有利于能量收集,并且能量收集装置在磁力作用下具有自主调谐功能,增强了环境适应性。     

一种地端关断差分驱动CMOS射频整流器

采用SMIC 180 nm工艺,设计了一种地端关断差分驱动CMOS射频整流器。通过切断能量传输路径,解决了传统可关断差分驱动CMOS射频整流器因短路电流较高导致关断功耗(POFF)较大的问题。搭建可重构3阶整流电路,验证该射频整流器的功能。仿真结果表明,相对于传统可关断差分驱动CMOS射频整流器,当输入电压VIN幅值为1 V、负载电阻RL为10 kΩ时,在零电压关断的情况下,该整流器的POFF下降了15.2 dBm @953 MHz;在负电压关断情况下,POFF下降了24.5 dBm @953 MHz。该整流器满足射频能量收集系统中整流器低功耗待机的要求。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得:随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17mW增加至31mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。