本文關(guān)鍵詞：毫米波整流天線及陣列研究　出處：《上海大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：微波輸能(MPT,Microwave power transmission)技術(shù)以微波為載體,在兩點(diǎn)之間進(jìn)行能量的無線傳輸,是太陽能衛(wèi)星計(jì)劃、分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)、近空間飛行器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。毫米波輸能系統(tǒng)具有體積小、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn),已成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。整流天線將微波能量捕獲并轉(zhuǎn)換為直流,是MPT系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本論文主要研究Ka波段整流天線及其陣列的基本設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)方法,主要包含以下三個(gè)方面內(nèi)容:第一,研究設(shè)計(jì)了毫米波整流電路。由于理論公式和軟件仿真在毫米波整流電路設(shè)計(jì)上的局限性,采用實(shí)驗(yàn)方法來獲取二極管輸入特性。根據(jù)測(cè)試電路得到二極管在Ka波段上的輸入阻抗,設(shè)計(jì)了二極管并聯(lián)和串聯(lián)毫米波整流電路。在35GHz上,當(dāng)輸入功率為19dBm時(shí),測(cè)得整流電路的最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)到51%以上。在10dBm低輸入功率下,效率大于30%的帶寬分別達(dá)到11.4%和6.3%,具有寬帶整流的特性。第二,提出了三種中心頻率為35GHz的高增益寬帶毫米波天線。提出在貼片周圍加載SIW(基片集成波導(dǎo),Substrate Integrated Waveguide)腔的方法,使SIW縫隙耦合貼片天線單元增益提高了1.5dB,實(shí)測(cè)其4元陣增益達(dá)到14.7dBi,阻抗帶寬為18.5%;提出圓形互補(bǔ)PRS(Partially Refletive Surfaces,部分反射面)結(jié)構(gòu),結(jié)合SIW腔加載實(shí)現(xiàn)了高增益寬帶、雙極化Fabry-Perot毫米波天線,實(shí)測(cè)其公共工作帶寬為7.1%,在兩個(gè)極化方向上增益分別為15.1dBi和16.1dBi;利用所設(shè)計(jì)的零介電常數(shù)超材料加載,提出了等波束、高增益以及具有諧波抑制功能的Vivaldi縫隙天線,實(shí)測(cè)增益提高到11.1dBi,相對(duì)阻抗帶寬為38.6%。第三,基于設(shè)計(jì)的Ka波段整流電路和天線,提出了兩種工作在35GHz的二極管串聯(lián)型整流天線單元及陣列。在10mW/cm~2的低輸入功率密度下,SIW縫隙耦合貼片整流天線和超材料加載Vivaldi縫隙整流天線的單元轉(zhuǎn)換效率分別為35%、47%,輸出直流功率分別大于3.5mW、7.5mW,效率性能已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。此外,提出的4×4貼片整流天線陣列在距離發(fā)射天線5cm處,獲得14%的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。
[Abstract]:Microwave energy transmission (MPT / microwave power transmission) technology takes microwave as the carrier and carries out wireless transmission of energy between two points. It is the key technology of solar satellite program, distributed reconfigurable satellite system, near space vehicle and wireless sensor network. Millimeter wave energy transmission system has the advantages of small size and high transmission efficiency. The rectifier antenna captures microwave energy and converts it to DC. Ka-band rectifier antenna and its array are studied in this thesis, which includes the following three aspects: first, this thesis mainly studies the basic design theory and implementation method of Ka-band rectifier antenna and its array. The millimeter-wave rectifier circuit is studied and designed, because of the limitation of theoretical formula and software simulation in the design of millimeter-wave rectifier circuit. The input characteristics of the diode are obtained by experimental method. According to the input impedance of the diode at Ka band, the diode parallel and series millimeter-wave rectifier circuits are designed at 35GHz. When the input power is 19dBm, the maximum conversion efficiency of the rectifier is more than 51%. At the low input power of 10dBm, the maximum conversion efficiency is over 51%. The bandwidth with efficiency greater than 30% is 11.4% and 6.3, respectively, which has the characteristics of broadband rectifier. Three high gain wideband millimeter-wave antennas with a central frequency of 35 GHz are proposed, and SIW (substrate integrated waveguide) is proposed to be loaded around the patch. By the method of Substrate Integrated waveguide cavity, the gain of SIW slot coupled patch antenna is increased by 1.5 dB. The measured four-element array gain is 14.7 dBi.The impedance bandwidth is 18.5dBi. A circular complementary PRS(Partially Refletive surfaces (partial reflector) structure is proposed. High gain wideband is realized with the loading of SIW cavity. The dual-polarization Fabry-Perot millimeter-wave antenna is measured with a common bandwidth of 7.1 and gains of 15.1dBi and 16.1 dBiin the two polarization directions respectively. An Vivaldi slot antenna with equal beam, high gain and harmonic suppression is proposed using the designed zero dielectric constant supermaterial. The measured gain is increased to 11.1dBi. The relative impedance bandwidth is 38.6. Thirdly, the Ka-band rectifier circuit and antenna are designed. Two diode series rectifier antenna units and arrays operating at 35GHz are proposed under the low input power density of 10 MW / cm ~ (2). The unit conversion efficiency of SIW slot coupled patch rectifier antenna and supermaterial loaded Vivaldi slot rectifier antenna is 35 ~ 47 and the output DC power is more than 3.5 MW respectively. The efficiency of 7.5mW has reached the international leading level. In addition, the proposed 4 脳 4 patch rectifier antenna array has achieved a system conversion efficiency of 14% at a distance of 5 cm from the transmitting antenna.
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN820

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本文編號(hào)：1424605