微波输能系统柔性接收端研究

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目前微波输能系统中常采用平面阵列天线实现射频能量接收,在实际应用时面临诸多局限性。例如,大口径接收装置在应急供电时架设难度大、为移动目标供能时不易部署。因此对接收端有结构可与供能目标共形的应用要求。本文提出将柔性衬底和液态金属导电材料应用到微波输能系统接收端中,满足结构轻质性、可共形的特点,为收集与转换射频能量提供新思路。并针对微波输能系统中易出现的收发端波束指向错位、极化方向失配问题,开展了以下三个方面的研究工作:首先,设计出柔性阵列接收天线,优化天线结构参数,实现共形弯曲状态下能量汇集的低反射特性。通过微带天线结构与柱面共形来提升宽入射角度范围内收集射频能量性能。研究结果表明:天线结构的柱面共形变化,能够在辐射场电磁波干涉叠加过程中为各贴片辐射源引入一定波程差,实现辐射场在空间中的再分布。柔性阵列天线在共形柱面底圆半径为50 mm时,表现出对宽角度入射范围内电磁波相近的接收性能,弱化因收发波束方向未对准引起的接收功率锐减问题。其次,设计出柔性极化不敏感能量收集超表面,采用耦合馈电方式进行能量汇集。在底层金属板上嵌入两个正交共面波导馈线结构,实现电磁能量捕获的极化不敏感特性。仿真结果表明:2.45 GHz频率处能量收集超表面捕获效率可以达到84%,并在不同曲率半径弯曲程度下,也能保持至少75%的捕获效率。实际测试结果证明了在共形柱体底圆半径为200 mm时,柔性的能量收集超表面对多角度入射电磁波的捕获效率均能超过60%。最后,设计出柔性微波整流电路,采用背面带地共面波导馈电形式,加载螺旋线CMRC谐振单元实现对高次谐波的抑制,电路省去接地通孔结构且具有小型化特性。采用统一的电路结构设计,分别与3款肖特基二极管实现良好阻抗匹配。在实际测试中,柱体底圆半径为200 mm的共形形态下,整流电路能够在3款二极管对应各自最佳输入功率下均达到超过50%的整流效率。
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