微波无线能量传输中微波整流电路的高效整流机制研究

The microwave wireless power transmission is a technique to transfer energy by means of microwave, which owns many advantages and potential applications. It has become an interesting topic in microwave area. The microwave rectification is to convert microwave into direct current. It is not only one of the key components but also a unique technique in a microwave wireless power transmission system. The microwave rectifying circuits are simulated and designed in order to find the relation between the time-domain voltage and current on the nonlinear microwave component and the microwave to direct current conversion efficiency. The key factors, which limit the microwave rectifying efficiency with the characteristic of the nonlinear microwave component, are to be analyzed. The mechanism of high efficiency microwave rectifier is studied to guide the design of microwave rectifiers. In the mechanism study, the model of nonlinear microwave components are built, and the relation between the rectifying efficiency and the time-domain voltage and current on the nonlinear microwave component are achieved from both time domain and frequency domain analysis. In experiments, novel microwave rectifiers are designed, fabricated, and measured to verify the proposed microwave rectifying mechanism. The microwave high efficiency rectifying mechanism is analyzed in a new view point in this project. Novel microwave rectifiers are built as well. The research contributes to the advances of microwave wireless power transmission in China.

微波无线能量传输以微波为载体实现能量的无线传输，具有众多优势和广泛用途。该技术是目前微波领域的研究热点之一。微波整流将微波转换为直流，是微波无线能量传输系统的一个核心部分，是微波输能中一项特有技术。本项目将以微波整流电路作为研究对象，从微波非线性器件上共性的时域电压和电流关系入手，分析非线性器件特性制约整流效率的关键因素，探索高效微波整流电路的内在工作机制，指导微波整流电路的设计。在机理上，基于实验测量完善微波非线性器件的模型，结合时域分析和频谱分析，获得微波非线性器件上电压和电流与整流效率的关系。在实验上，基于微波整流电路工作机制的分析，设计新型的微波整流电路，实验验证微波整流电路高效整流的工作机制。本项目将从新的角度分析高效微波整流电路工作机制，研究新型的高效微波整流电路，推动我国微波无线能量传输事业的发展。

项目按照计划书执行，成功地完成了肖特基二极管模型参数的提取，开展了双频微波整流的研究，探索了F类负载对微波整流效率的影响。完成了对微波整流电路的时域分析，高效微波整流电路的整流机制进行分析和验证，进一步进行大功率微波整流电路的研究。基于二极管整流的电路模型，分析了微波非线性整流器件上的电压和电流与二极管输入阻抗、整流效率的关系。根据推导的关系式，进行了倍压式高效微波整流电路的设计，并通过实验验证了微波整流电路高效整流的工作机制。从时域上分析了微波整流电路效率与波形之间的关系，创新地提出了串联带阻滤波结构的整流电路，使用HSMS282肖特基二极管成功地将S波段整流效率提高到80%以上，研究成果发表在IEEE Trans. on MTT上。研究了阻抗压缩网络（ICN）在微波整流电路中的应用，进一步提高了微波二极管整流电路的工作功率。在晶体管整流研究方面，利用栅极和源极之间的肖特基结进行整流，研究了场效应管整流电路并进行试验验证，并利用功率放大器的双向性进行整流研究。在低功率整流方面，研究了低输入功率下二极管整流效率与二极管模型中结电容、结电阻以及二极管类型的关系并完成了低输入功率二极管的设计与制作。项目负责人第一作者或通信作者发表SCI论文XX篇，其中IEEE期刊6篇论文，包括1篇微波领域的顶级期刊IEEE Trans. on MTT，1篇IEEE Trans. on PS，2篇IEEE MWCL，2篇IEEE AWPL，获得1项授权的美国发明专利，获得1项四川省科技进步二等奖。项目研究成果成功应用到世界上首套雷达应急供电微波无线能量传输系统。