CN108448746A - 微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法。该装置包含微波天线整流电路的保护电路、动态阻抗匹配电路、储能装置、最大功率跟踪控制器。本发明不仅适用于毫米波等各种频段的微波输能系统，同时也适用于太阳能电池等微能量接收装置。本发明采用boost电路对微能量电源的内阻进行实时动态匹配，将微能量电源的等效负载始终维持在最佳阻抗，从而保证微能量的最大功率输出。储能装置采用超级电容或蓄电池对微能量进行收集，当能量接收装置不接负载时可时现对微能量的最快速度收集。本发明采用MPPT算法，保证boost转换器输出功率始终跟踪输入功率变化，保证电路工作在最大功率点，提高了毫米波输能系统或其他微能量接收系统的转换效率。

Description

微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法

技术领域

本发明涉及适用于毫米波等微波输能系统的一种微能量收集及最大功率输出装置及方法，属于微波无线输能或为低功耗电子系统供电的微能量采集技术领域。

背景技术

微波输能技术与传统输能方式相比有其独特的优势，如无需传输介质、速度快和损耗小和易于重新布局等。而毫米波输能由于其频率高波长短，在减小天线尺寸方面具有很大的优势，能有效提高微波输能的距径比。但是，单个毫米波天线输出的能量极为微弱，需根据毫米波的特点设计最大功率输出电路。此外，大量的无线传感器、微型电子设备需要持续稳定的电源，目前通常需要为其配置电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法，能够提高电路中能量存储和转换效率，以解决上述问题。本发明可以使上述无线传感器等电子设备不需要安装电池，为小型化电子设备的无线供电提供了相当的便利。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种微波输能系统的微能量收集及最大功率输出装置，包含：

微波天线整流电路的保护电路；

动态阻抗匹配电路，采用boost变换器实现负载电阻的变换；

储能装置，对微能量实时收集；

最大功率跟踪控制器，通过对微波天线内阻和开路电压的实时估计，得到微波天线最大功率输出时对应的负载最佳匹配电阻，通过调节boost变换器的占空比，将实际负载的电阻调节到所述负载最佳匹配电阻，实现微波天线的最大功率输出。

优选地，微波传输特性改变时，所述最大功率跟踪控制器相应改变boost变换器的占空比，以改变微波天线输出端的等效电阻，实现负载电阻的动态匹配，确保微波天线的最大功率输出。

优选地，所述微波天线在直流输出端等效为理想电压源与寄生电阻的串联形式，理想电压源和寄生电阻的值随着微波发射工况改变而改变；

优选地，所述最大功率跟踪控制器将微波天线的输出电压控制在其等效理想电压源的一半。

优选地，所述储能装置采用蓄电池或者超级电容，其电压至少大于微波天线开路电压的一半。

优选地，所述瞬态抑制二极管的保护时间为ns级。

优选地，所述微波天线是毫米波天线；

所述保护电路设有与毫米波天线并联的瞬态抑制二极管，对与毫米波天线对应的整流二极管进行保护。

本发明的另一个技术方案是提供一种微波输能系统的微能量收集及最大功率输出方法，其包含以下过程：

S1、对微波天线输出特性建模，获得与当前的微波传输特性相应的参考电压；

S2、实时改变boost变换器的占空比，将微波天线输出端的电压控制在参考电压，实现微波天线的最大功率输出；

S3、检测到微波传输特性发生变化时，触发对微波天线输出特性的重新建模，获得新的参考电压，执行S2；

其中，通过对微波天线内阻和开路电压的实时估计，得到微波天线最大功率输出时对应的负载最佳匹配电阻，通过调节boost变换器的占空比，将实际负载的电阻调节到所述负载最佳匹配电阻，实现微波天线的最大功率输出。

优选地，触发逻辑的实现包含以下过程：存储设定时间内的占空比的值，对占空比进行差分运算，当运算得到的差分值超过阈值时，判断微波传输特性发生变化，进而触发重新建模；所述微波传输特性的改变，包含微波的输出功率改变，或收发端天线距离的改变。

优选地，通过实验多次改变boost变换器的占空比的值，分别测得微波天线输出的电压及电流，在线拟合得到U-I曲线，并获得微波天线的等效理想电压源的值；以微波天线的等效理想电压源的0.5倍作为参考电压，微波天线输出端的电压作为被控电压，通过PI调节器实时改变boost变换器的占空比。

本发明优选的提供一种毫米波能量收集及最大功率输出装置，包括：毫米波天线及整流二极管的保护电路、动态阻抗匹配电路、储能装置、最大功率跟踪控制器。基于上述的硬件电路组成模块，本发明还提供了一种毫米波微能量采集及最大功率输出方法，涉及毫米波接收天线的电源特性建模和毫米波天线的最大功率跟踪。将毫米波天线整流电路等效为一个理想电压源和寄生电阻串联而成的结构，理想电压源和寄生电阻的值随着毫米波发射工况改变而改变。由于寄生电阻的存在，且其阻值一般远大于负载等效电阻，因此毫米波输出功率很小。本发明首先通过实验的方法测量毫米波天线的U/I曲线，然后根据其电路模型计算其开路电压和等效电阻值。

由电路的最大功率传输理论可知，当负载电阻与电源内阻相等时，该电源能传输最大功率。本发明通过调节boost电路的占空比，从而等效改变毫米波天线输出端的等效电阻，当等效电阻与电源内阻相等时，毫米波天线输出最大功率。当接收天线与发射天线相对位置改变，或毫米波发射功率改变时，等效电压源和等效内阻也会相应改变，最大功率跟踪算法检测到其改变时，相应改变boost电路的占空比，从而实现等效电阻的动态匹配，以获得毫米波天线的实时最大功率输出。

由于毫米波天线尺寸小而且其相应的整流二极管耐高压能力弱，本发明设计了其保护电路，对动态阻抗匹配电路产生的电磁干扰进行抑制。本发明采用瞬态抑制二极管并联于毫米波天线输出端，当电路工作正常时瞬态抑制二极管不起作用，当线路的浪涌电压大于一定值时，瞬态抑制二极管对地短路，吸收线路中突变的能量，从而起到保护毫米波天线的作用。

由上述技术方案可知，由于本方案通过对毫米波天线内阻和开路电压的实时估计，可得到毫米波天线最大功率输出时的负载最佳匹配电阻。再通过调节boost电路的占空比，将实际负载的电阻调节到毫米波天线最大功率输出所要求的最佳匹配电阻，从而实现毫米波天线的最大功率输出，储能装置可以将毫米波的能量进行最大效率的存储和输出，最大限度减小了元件能耗，实现了微能量高效存储转化。该发明应用于毫米波输能系统能极大提高毫米波输能的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施案例或技术方案，下面结合附图和具体实施方法对本进一步详细说明：

图1为毫米波微能量收集和最大功率输出装置的原理图；

图2为毫米波微能量收集和最大功率输出电路的组成示意图；

图3为毫米波接收天线等效电路图；

图4为毫米波接收天线输出U-I特性曲线图；

图5为毫米波接收天线输出功率和等效电阻的关系图；

图6为毫米波接收天线输出功率和输出电阻的关系图；

图7为最大功率跟踪系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施中的例图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，本发明提供的一种毫米波微能量采集及最大功率输出装置，包括毫米波保护电路、基本boost的动态阻抗匹配电路、采用锂电池或超级电容的储能装置，用于实时收集毫米波的微能量。

其中，保护电路与毫米波整流天线直接相连，毫米波天线配有对其保护的整流二极管，所述保护电路采用瞬态抑制二极管与整流天线并联的方式实现对整流二极管的保护，瞬态抑制二极管的保护时间为ns级，能够对能量接收电路中的电磁干扰或静电释放的能量进行缓冲和消耗，从而避免在整流二极管产生过高的反向电压。当然，毫米波天线保护电路的选型及设计，可以根据实际应用情况调整。

动态阻抗匹配电路与保护电路直接相连，采用boost变换器实现负载电阻的变换，将负载电阻变换到毫米波输出的最佳电阻，从而实现毫米波能量的最大功率输出。

如图2所示的毫米波微能量收集及最大功率输出电路中，包括：微波天线、保护用瞬态抑制二极管D1、输入滤波电容C1、储能电感L1，续流二极管D2、输出滤波电容C2和储能装置。本发明中MPPT控制器采用具有AD输入和PWM输出的低功耗的单片机，在本案例中采用微芯公司的dspic30f2020。

本发明基于毫米波动态阻抗匹配进行最大功率跟踪，通过实时检测毫米波天线的输出阻抗，动态调节等效负载阻抗，从而实现毫米波天线的最大功率输出。最大功率跟踪算法涉及毫米波天线输出特性建模、天线等效电压源估计、天线等效内阻估计、boost电路占空比调节等。

对毫米波整流天线的建模是实现最大功率输出的关键。毫米波整流天线包含低通滤波模块、整流电路和直流滤波模块，在直流输出端可等效为理想电压源与电阻的串联形式，如图3所示。本发明提出的最大功率输出方法是基于该模型而获得的。图4为毫米波整流电路输出的U-I曲线，由该图可知，毫米波直流端输出是一个下垂特性较明显的电压源，随着输出电流的增加，输出电压下降明显，无法对负载提供稳定的电压。由电路最大功率传输理论可知，当负载电阻与电源内阻相等时，负载获得的功率最大。

图5是实测的毫米波输出功率与负载电阻值得关系图，由此可知当负载电阻改变时，输出功率具有单峰特性，当负载电阻在一定值时，可获得毫米波的最大功率输出。因此，本发明的关键是如何使得毫米波的负载始终维持在其能输出最大功率的负载值上。

图6为毫米波整流天线输出功率与输出电压的关系图。由图可知，其输出功率也具有单峰值的特性，在最大功率点有一特定的输出电压与其相对应。由最大功率传输理论可知，该电压正是等效的理想电压源值的一半。因此，本发明的关键是，将毫米波整流端的输出电压控制在其等效理想电压源的一半，即可实现毫米波整流天线的最大功率输出。

本发明采用图2所示的boost电路实现负载电阻的动态匹配，通过改变boost电路的占空比，从而改变毫米波整流天线输出端的等效电阻，最终实现最大功率输出。

值得注意的是，本发明中的储能装置除了储存能量的作用还应具有电压钳位的功能，才能实现微能量的最大功率输出。因此，储能装置应采用蓄电池或者超级电容，普通的电解电容无法实现微能量的最大功率输出。需对储能用超级电容或蓄电池的容量及电压进行设计。由于本发明中采用的是升压变换器，蓄电池的电压至少要大于整流天线开路电压的一半。

由上述分析可得到图7所示的毫米波微能量采集及最大功率输出控制框图，具体论述如下：

1）对整流天线进行建模，方法如下：改变占空比的值（至少两个），在线拟合，得到图4所示的毫米波整流天线的U-I曲线，从而获得整流天线的等效理想电压源的值。

2）以理想电压源的0.5倍作为参考电压，毫米波整流输出端的电压作为被控电压，通过PI调节器实时改变boost电路的占空比，将整流输出端电压控制在参考电压，实现毫米波的最大功率输出。

3）当毫米波的输出功率改变或收发端天线距离等因素改变时，整流输出等效电路模型也会改变。本发明设计了一种触发逻辑，当检测到整流输出特性改变时，该触发逻辑触发天线建模模块，对天线进行重新建模获得新的参考电压。因此，本发明能够实现毫米波微能量的实时动态的最大功率跟踪。

4）触发逻辑功能的实现如下：存储一定时期的占空比的值（存储时间的长短决定了触发逻辑的灵敏度，这需要根据毫米波输能的特性进行测试并调整），对占空比进行差分运算，当其差分值超过阈值时，可判断毫米波的传输特性发生变化，从而触发天线建模模块启动。

5）触发逻辑在电路启动时触发一次，后面只有当毫米波传输特性发生变化时才启动。因此本发明的动态最大功率跟踪方法，在电路稳定运行时并不会对其最大功率输出产生影响，这有别于光伏电池的基于扰动的最大功率跟踪法。

综上所述，本发明涉及一种用于微波输能系统的微能量收集及最大功率输出装置及方法。该装置涉及保护电路、动态阻抗匹配电路、微能量存储的储能装置。本发明涉及的微能量收集及最大功率输出方法不仅适用于毫米波而且也适用于其它频段的微波输能系统，同时也适用于太阳能电池等微能量接收装置。本发明采用boost电路对微能量电源的内阻进行实时动态匹配，将微能量电源的等效负载始终维持在最佳阻抗，从而保证微能量的最大功率输出。储能装置采用超级电容或蓄电池对微能量进行收集，当能量接收装置不接负载时可时现对微能量的最快速度收集。本发明采用MPPT算法，保证boost转换器输出功率始终跟踪输入功率变化，保证电路工作在最大功率点，从而提高毫米波输能系统或其他微能量接收系统的转换效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种微波输能系统的微能量收集及最大功率输出装置，其特征在于，包含：

微波天线整流电路的保护电路；

动态阻抗匹配电路，采用boost变换器实现负载电阻的变换；

储能装置，对微能量实时收集；

最大功率跟踪控制器，通过对微波天线内阻和开路电压的实时估计，得到微波天线最大功率输出时对应的负载最佳匹配电阻，通过调节boost变换器的占空比，将实际负载的电阻调节到所述负载最佳匹配电阻，实现微波天线的最大功率输出。

2.如权利要求1所述的微能量收集及最大功率输出装置，其特征在于，

微波传输特性改变时，所述最大功率跟踪控制器相应改变boost变换器的占空比，以改变微波天线输出端的等效电阻，实现负载电阻的动态匹配，确保微波天线的最大功率输出。

3.如权利要求1所述的微能量收集及最大功率输出装置，其特征在于，

所述微波天线在直流输出端等效为理想电压源与寄生电阻的串联形式，理想电压源和寄生电阻的值随着微波发射工况改变而改变。

4.如权利要求3所述的微能量收集及最大功率输出装置，其特征在于，

所述最大功率跟踪控制器将微波天线的输出电压控制在其等效理想电压源的一半。

5.如权利要求1所述的微能量收集及最大功率输出装置，其特征在于，

所述储能装置采用蓄电池或者超级电容，其电压至少大于微波天线开路电压的一半。

6.如权利要求1所述的微能量收集及最大功率输出装置，其特征在于，

所述瞬态抑制二极管的保护时间为ns级。

7.如权利要求1所述的微能量收集及最大功率输出装置，其特征在于，

所述微波天线是毫米波天线；

所述保护电路设有与毫米波天线并联的瞬态抑制二极管，对与毫米波天线对应的整流二极管进行保护。

8.一种微波输能系统的微能量收集及最大功率输出方法，其特征在于，包含以下过程：

S1、对微波天线输出特性建模，获得与当前的微波传输特性相应的参考电压；

S2、实时改变boost变换器的占空比，将微波天线输出端的电压控制在参考电压，实现微波天线的最大功率输出；

S3、检测到微波传输特性发生变化时，触发对微波天线输出特性的重新建模，获得新的参考电压，执行S2；

其中，通过对微波天线内阻和开路电压的实时估计，得到微波天线最大功率输出时对应的负载最佳匹配电阻，通过调节boost变换器的占空比，将实际负载的电阻调节到所述负载最佳匹配电阻，实现微波天线的最大功率输出。

9.如权利要求8所述的微能量收集及最大功率输出方法，其特征在于，

触发逻辑的实现包含以下过程：存储设定时间内的占空比的值，对占空比进行差分运算，当运算得到的差分值超过阈值时，判断微波传输特性发生变化，进而触发重新建模；所述微波传输特性的改变，包含微波的输出功率改变，或收发端天线距离的改变。

10.如权利要求8所述的微能量收集及最大功率输出方法，其特征在于，

通过实验多次改变boost变换器的占空比的值，分别测得微波天线输出的电压及电流，在线拟合得到U-I曲线，并获得微波天线的等效理想电压源的值；以微波天线的等效理想电压源的0.5倍作为参考电压，微波天线输出端的电压作为被控电压，通过PI调节器实时改变boost变换器的占空比。