CN112510854B - 一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，属于控制、调节的技术领域。该方法包括如下步骤：在微波能量进入整流电路之前，先对其进行阻抗匹配；当输入功率较小时，整流通路为普通肖特基二极管整流；当输入功率较大时，整流通路通过自身电路开关调整为GaAs场效应管整流；整流后再通过谐波抑制网络提高直流电能质量；在直流能量到达负载端之前，先进行寻优控制，达到能量传输效率最大化。本发明实现了输入功率自开关整流和最大功率传输，减小了体积和复杂性，降低了成本，保证微波整流电路在参数变化的环境中也能达到较高效率。

Description

一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法
技术领域
本发明公开了一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，属于控制、调节的技术领域。
背景技术
微波能量传输(MPT,Microwave Power Transmission)是一种通过电磁波在自由空间内传输电能的技术，是空间太阳能电站开展研究的关键，同时在给平流层飞艇、无人机等高空飞行器和微小型机器人的供电上也有应用前景。由于微波电能是在自由空间内无线传输，传输损耗较小，对传输效率有所影响的只有大气等自然损耗，因此微波技术目前是国内外的研究热点之一，在军事、航空航天等方面有着广阔的发展前景。
微波能量传输系统主要由微波发射端、自由空间以及微波接收端三部分组成。接收端的通用结构如图1所示，包括：接收天线、匹配电路、整流电路、谐波抑制电路和直流负载。微波整流电路是MPT系统的重要组成部分，用于实现微波到直流电能的转换，为负载端供电。对于微波整流电路来说，效率的提高是关键。研究经验表明，输入端功率的增加会引起整流效率的急剧下降，为了能够实现大功率整流，通常会加入功分器或者二极管阵列来对功率进行分流，但是分流器件的加入往往使得电路复杂、成本高昂。同时，也有采用GaN、GaAs这类器件进行大功率有源整流的研究，但是由于结构复杂并没有在微波段广泛应用，且这些研究均是针对一个功率点，在输入功率变化时，效率并不可观。因此，亟需研究一种同时适应低功率和高功率输入场合的简单、低成本整流电路。
对于微波频段接收端负载的变化情况，目前也并没有较多研究，往往都是确定了一个具体负载值，设计好所有参数以保证整体整流效率达到最佳，但是用电负载值的变化在现实生活中是必然存在的，为了提高负载用电质量，本申请旨在将最大功率传输的方法应用于微波整流中，实现变输出负载情况下整流效率的优化。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出了一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，该方法通过设计三端口微带线的尺寸来保证不同输入功率下电路自动切换整流通路，同时负载端加入寻优控制，实现了输入输出端变化时也能持续高效进行微波整流的效果，解决了现有微波能量传输系统接收端的整流电路不能同时适用于低功率和高功率输入场合以及不能实现变输出负载情况下的整流效率优化的技术问题。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，包括如下步骤：
(1)在微波能量进入整流电路之前，先对其进行处理，使得只有基波能量传输到整流电路中且输入阻抗匹配到50Ω，其他谐波被反射回输入端；
(2)当输入功率较小时，整流通路为普通肖特基二极管整流；当输入功率较大时，整流通路通过自身电路开关调整为GaAs场效应管整流；
(3)由于整流管的非线性，整流后的能量并不全是直流分量，需要通过谐波抑制网络将高次谐波反射回整流电路中；
(4)负载端的阻抗值通常都在改变，在直流能量到达负载端之前，先进行寻优控制，找出不同负载下最优效率，达到能量传输效率最大化。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)成本优势：相对于功分器和二极管阵列等其它大功率整流方法，本发明在大功率整流时采用GaAs场效应管无源整流，结构的尺寸和复杂性都大大降低，从而降低了成本开销。
(2)性能优势：相对于传统微波整流方法仅在一个功率点附近达到高效率，本发明将不同功率段的整流电路结合起来，且设计了一种T型微带线的开关电路，保证功率变化时整流电路切换的完成，由此实现了宽范围内自开关整流，且各自功率段都能保持着较高整流效率；同时在输出负载端，相比传统整流方法仅对特定负载值设计微波整流电路，本发明提出了自适应思想，保证在一定范围内的负载值均能实现最大功率传输。
(3)模块化、易集成：本发明给出的方案利于模块化实现，具体实现的硬件电路、芯片等在通信领域发展较为成熟，后续芯片化设计易于实现。
附图说明
图1是微波无线传能接收端系统的通用结构图。
图2是本发明提出的自开关最大传输整流滤波电路的整体框图。
图3是输入功率自开关整流电路的示意图。
图4是输出端寻优控制的示意图。
具体实施方式
本发明提出的电路自开关最大能量传输的微波整流方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚明确，以及参照附图对本发明进一步详细说明。
针对现有微波能量传输系统接收端的整流电路不能同时适用于低功率和高功率输入场合以及不能实现变输出负载情况下的整流效率优化的现状，本申请提出了一种如图2所示的自开关最大传输整流滤波电路，该电路包括输入功率开关模块和输出负载自适应模块。下面对输入功率开关模块和输出负载自适应模块的实现展开描述。
1.输入功率开关模块
如图2、图3所示，接收天线接收到的微波能量信号在进入整流电路前，首先需要对其进行预整流处理，即阻抗匹配阶段，预整流处理由输入端匹配电路实现，输入匹配电路包括接在主传输线上的二倍频传输线TL1、三倍频传输线TL2、四倍频传输线TL3。阻抗匹配的目的是让需要的微波信号功率无反射地传递给后级，实现最大功率传输。由于微波段的频率不适合使用基本LC元件进行阻抗匹配，故设计了三段微带线作为开关电路，分别对基波频率的二次、三次、四次谐波进行反射，同时保证基波能量无反射地传输到整流电路中。并联形式的微波整流电路包括低功率整流通路和高功率整流通路。开关电路接在输入端匹配电路和并联形式微波整流电路之间，谐波抑制电路接在并联形式微波整流电路的输出端。
经过对几种整流电路的仿真分析，发现采用并联形式的微波整流电路效率最高。对于微波电路，使用的整流器件有肖特基二极管和高电子迁移率晶体管。肖特基二极管具有低导通电压、低结电容和低导通电阻的优点，具有很好的整流性能，但是它的弱点是击穿电压低，将其整流范围限制在20dBm以内，本申请采用肖特基二极管作为低功率通路的开关器件。GaAs是由势垒栅组成的场效应晶体管(FET)，在其栅极和源极之间是一个金属-半导体结，可以等效于肖特基二极管。与肖特基二极管类似，GaAs FET也具有将微波整流为直流电的能力。与现有的微波二极管模型相比，GaAs FET具有更高的输入功率范围，通常达到几瓦，本申请采用GaAs FET作为高功率通路的开关器件。因此，如图3所示，本发明将GaAs FET与肖特基二极管并联来拓宽输入功率范围，肖特基二极管的阳极和GaAs FET的源极并联后接入主传输线，肖特基二极管的阴极、GaAs FET的漏极和地构成一个三端口网络，该三端口网络接有传输线TL8、传输线TL9、传输线TL10组成的T型微带线，该T型微带线在不同的输入功率条件下接入三端口进而实现开关低功率整流通路或高功率整流通路的功能。当输入功率较低时，微波信号由肖特基二极管整流；当功率变高时，电路切换到GaAs FET进行整流。
下面介绍T型微带线的工作过程和设计方法。
由于T型三端口网络由微带线构成，微波领域不能直接测量微带线上的电压电流等参数，故使用散射参数(S参数)来衡量微带线的传输能力。对于S参数Sab，它代表以b端口为输入端口，a端口为输出端口，输出功率Pa与输入功率Pb的比值。也就是说S11代表1端口反射功率与入射功率的比值，即1端口的功率反射系数；S21代表2端口输出功率与1端口输入功率的比值，即1端口向2端口的功率传输系数。
在低输入功率下，输出电压urec较小，这也是GaAs FET源极和栅极间的感应电压，此时感应电压还不足以导通GaAs，只有肖特基二极管处于整流工作状态，2端口开路，并没有能量从GaAs FET的漏极输入T型微带线中的传输线TL9，只需实现1端口和3端口的匹配，使得低功率整流通路获得较大整流效率。因此，低输入功率下，不需要考虑2端口参数，只要S31越大越好，理想值为1，一般设计S31>0.7，即-3dB。
随着输入功率的增加，一旦感应电压提升到GaAs的导通电压，电路自动切换到高功率整流通路工作。为保证低功率整流通路完全被高功率整流通路短路，T型微带线的1端口和3端口间没有能量的传输，S31越小越好，理想值为0，一般设计S31<0.1，即-20dB。此时肖特基二极管被短路，在较高电压下得到了保护，规避了击穿风险。同时T型微带线的2端口和3端口间实现匹配，使得高功率整流通路获得较大整流效率，因此S32越大越好。
微带线的尺寸设计在微波仿真软件Advanced Design System(ADS)中进行。首先，在低功率整流状态时，2端口开路，TL9不工作，可以暂时不考虑，先设计连接1端口和3端口的微带线TL8、TL10的尺寸。在软件中使用S参数仿真控件，线性调节微带线的长和宽，达到S31>0.7的目标即可。切换到高功率整流状态后，三个端口都在工作，故需要考虑三个端口各自的传输状态，主要调节新加入的TL9微带线尺寸，使得此时S31<0.1且S32>0.7即可。
由于器件的非线性，整流后并非全部是直流分量，还需通过微带线对基波及二、三、四次谐波抑制，以确保整流器电路达到最大效率并改善直流输出电能质量。谐波抑制电路如图3所示，包括：接在主传输线上的一倍频传输线TL4、二倍频传输线TL5、三倍频传输线TL6、四倍频传输线TL7。
2.输出负载自适应模块
在整流环节结束后，直流信号给负载端直接供电，但实际生活中，负载的值有可能一直在变化，负载值变化对输出功率影响极大，基于此，本申请在向负载直流供电之前加入了一种寻优控制，即，对DC/DC变换器进行闭环控制，以保证在负载变化时也能达到最优效率。具体思想如图4所示：在某一负载值RL下，整流电路有一定的电压电流输出，即电压Vin、电流Iin，这也是DC/DC变换器的输入电压和输入电流，由公式Rin＝Vin/Iin可以得出输入阻抗值。由电力电子学科的相关知识可知，Rin与RL之间有一定关系，且二者比值只与变换器晶体管的开通占空比有关，设RL＝f(D)*Rin，只需调整占空比D的值，便可得到新的负载值RL *。随意更改RL的值是不可取的，必须知道RL值为多少时该电路获得了最大传输效率。假设这个期望值为RL.ref，给定一定范围，初始值为所采集的Rin值，利用扰动观察法，逐一进行输出功率比较，得出最大功率所对应的负载值即为RL.ref，再通过PI调节，将RL *调节到这一数值并输出功率。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，其特征在于，
对天线接收的微波能量信号进行预整流处理以反射基波信号以外的其它谐波信号至输入端；
将基波信号送入低功率整流通路和高功率整流通路并联的整流电路中，当基波信号功率较小时，基波信号经低功率整流通路后输出直流电，当基波信号功率较大时，基波信号经高功率整流通路后输出直流电，所述低功率整流通路以肖特基二极管为开关，高功率整流通路以GaAs场效应管为开关，肖特基二极管的阳极和GaAs场效应管的源极并联后接入主传输线，肖特基二极管的阴极、GaAs场效应管的漏极和地构成一个三端口网络，整流电路还包括接入该三端口网络的T型微带线，所述T型微带线的参数依据基波信号功率较小时地对肖特基二极管阴极输出功率发射系数最大、基波信号功率较大时地对GaAs场效应管漏极输出功率发射系数最大的原则确定；
对整流电路输出的直流电进行谐波抑制处理；
对经谐波抑制处理后的直流电进行直流变换，基于最大功率跟踪的原理调节变换器的占空比直至能量传输效率最大化。
2.根据权利要求1所述一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，其特征在于，采用输入端匹配电路对天线接收的微波能量信号进行预整流处理，该输入端匹配电路包括接在主传输线上的二倍频传输线、三倍频传输线、四倍频传输线。
3.根据权利要求1所述一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，其特征在于，采用谐波抑制电路对整流电路输出的直流电进行谐波抑制处理，抑制谐波电路包括接在主传输线上的一倍频传输线、二倍频传输线、三倍频传输线、四倍频传输线。
4.根据权利要求1所述一种电路自开关最大能量传输的微波整流方法，其特征在于，基于最大功率跟踪的原理调节变换器的占空比直至能量传输效率最大化的方法为：根据经谐波抑制处理后的直流电的电压和电流Vin、Iin确定变换器输入阻抗值Rin，由变换器输入阻抗Rin与负载RL的数学关系RL＝f(D)*Rin，调节变换器占空比D更新负载值为RL *，记根据最大输出功率对应的占空比计算得到的负载值为RL.ref，通过PI调节将负载更新值RL *调节为根据最大输出功率对应的占空比计算得到的负载值RL.ref。
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