摘 要

自从克罗地亚物理学家特斯拉（Nikola Tesla）通过实验验证了赫兹（Hertz）的无线电波传输理论以后，微波输能技术即能量以电磁波的形式通过自由空间从发射端传输到接收端，受到了研究者们的重视并得到了迅速发展。整流电路作为系统接收端的一个重要组成部分，决定着整流效率。本文旨在利用ADS电路仿真软件设计一款工作在2.45 GHz频率下的F类整流电路。本文的主要研究工作如下：

1. 根据整流二极管模型分析参数对其转换效率的影响程度，选择HSMS-2810作为本文电路设计的整流二极管。设计基频为2.45 GHz的F类谐波抑制网络，使用ADS电路仿真软件分析其对谐波的抑制情况，将该网络用于F类整流电路的设计。
2. 设计F类整流电路并针对整流二极管的电压波形、整流效率和谐波抑制情况、阻抗匹配程度以及带宽等指标对电路的参数进行优化。最终使整流效率达到80.5%。
3. 设计不含有F类谐波抑制网络的微波整流电路作为对照，相同条件下其整流效率为66.5%，对照说明本文设计的F类整流电路整流效果明显。

本文的主要特色在于通过添加F类谐波抑制网络使微波整流电路的整流效率得到了明显的提高。

关键词：微波输能技术；微波整流电路；F类谐波抑制；肖特基二极管

Abstract

Since Nikola Tesla, a Croatian physicist, experimentally verified Hertz's theory of radio wave transmission, microwave energy transmission technology, that is, energy is transmitted from the transmitting end to the receiving end in the form of electromagnetic waves through free space, has attracted the attention of researchers and has developed rapidly. Rectifier circuit, as an important part of the receiving end of the system, determines the rectification efficiency. The purpose of this paper is to design a class-F rectifier circuit working at 2.45 GHz using ADS circuit simulation software. The main research work of this paper is as follows:

1. According to the analysis of the effect of parameters of the rectifier diode model on the conversion efficiency, HSMS-2810 is selected as the rectifier diode of the circuit design in this paper. A class-F harmonic suppression network with a fundamental frequency of 2.45 GHz is designed to apply to the design of class-F rectifier circuit. The ADS circuit simulation software is used to analyze the suppression of harmonics.
2. Class-F rectifier circuit is designed and the parameters of the circuit are optimized according to the voltage waveform, rectification efficiency and harmonic suppression, impedance matching degree and bandwidth of the rectifier diode. Finally, the rectification efficiency reaches 80.5%.
3. The microwave rectifier circuit without a class-F harmonic suppression network is designed as a contrast, and its rectification efficiency is 66.5% under the same conditions. The comparison shows that the rectification effect of class-F rectifier circuit designed in this paper is obvious.

The main feature of this paper is that the rectification efficiency of the microwave rectifier circuit has been significantly improved by adding class-F harmonic suppression network.

Key words: microwave power transmission; microwave rectifier circuit; class-F harmonic suppression; schottkty barrier diode

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容及结构 3

第2章 微波整流电路基本理论 5

2.1 微波技术的相关理论 5

2.1.1阻抗匹配 5

2.1.2 S参数的定义 7

2.2 整流电路整流形式 7

2.3 微波整流电路结构 10

2.4 整流效率 10

2.5 整流二极管的模型分析 11

第3章 F类整流电路的设计 13

3.1 ADS电路仿真软件 13

3.2 整流二极管的选择 13

3.3 F类谐波抑制网络 17

3.3.1 基本原理 17

3.3.2 电路仿真 18

3.4 F类整流电路的设计完善 20

3.4.1 下载和安装模型 21

3.4.2 原理图初步设计 22

3.4.3 原理图优化整理 23

第4章 F类整流电路的仿真优化 24

4.1 F类整流电路的优化 25

4.1.1 优化电压波形 25

4.1.2 优化电容电感值 26

4.1.3 优化整流效率及谐波抑制情况 27

4.1.4 优化阻抗匹配程度 28

4.2 F类整流电路的仿真 28

4.3 分析整流效率 31

第5章 总结与展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

二十一世纪的煤炭、石油等化石能源作为不可再生的资源正日益短缺^[1]，面对严峻的能源形势和严重的能源危机，新能源的开发受到越来越多的研究者们的关注^[2]。空间太阳能因其具有稳定、持久、可再生、清洁、能流密度大等优点而有望经大规模的开发利用以解决目前的能源危机^[3]。空间太阳能电站这一构想由美国彼得·格雷泽（Peter Glaser）博士于1968年首次提出：首先通过在地球同步轨道上构建太阳能发电基地将太阳能转换为电能，然后通过DC-RF转换设备将电能以微波能量形式输出，接着利用发射天线将能量进行远距离定向发射，最后通过接收天线和整流电路将微波能量接收并转换为直流电形式^[4-6]。而实现这一构想的核心技术，就是微波输能技术（Microwave Power Transmission，MPT）。

微波输能技术是指能量从发射端通过自由空间传送到接收端，期间仅存在由大气、粉尘微粒、雨衰和遮挡物等媒质引起的损耗^[7]。与有线输能不同的是，MPT技术创新的提出了“点——点”的能量传输方式；并采用波束强度和方向可控、适合远距离传输的微波频段（300 MHz-3000 GHz）电磁波来进行能量的传输^[8]。

MPT技术最早可以追溯到1899年：克罗地亚物理学家特斯拉（Nikola Tesla）通过实验验证了赫兹（Hertz）无线电输能的理论。西方国家在过去的几十年里针对MPT技术开展了大量的实验研究，而国内在1994年由林为干教授首次引入该技术，在相关领域取得了一定的成就；长时间的研究以及相关产业的迅猛发展使MPT技术具备了扎实的理论和实践基础，成为了一项发展前景好、成熟度高的研究技术。如今，MPT技术已经从应用于空间太阳能发电逐渐渗透到实现通信中继、远距离供电等众多民用领域^[9-11]。其系统通常由微波发生器、发射天线或阵列、接收天线或阵列、微波整流电路和电源管理单元等几部分组成，如图1.1所示。微波整流电路，作为整个系统的核心部位，是目前研究者们针对MPT技术展开的重点研究方向之一。

图1.1 MPT系统框图

MPT技术的研究重点就是要保证电磁传输的高效性，其传输效率主要由微波发生器的转换效率、发射天线或阵列的辐射效率、接收天线或阵列的接收效率、微波整流电路的整流效率以及微波在自由空间的传输效率几方面决定。其中，微波整流电路的整流效率是影响整个系统传输效率的关键因素；其原理是利用整流二极管非线性的特性将微波能量转换为直流电的能量形式。微波整流电路通常由匹配枝节、谐波抑制滤波器、整流二极管、直流滤波器及负载电阻组成，其系统框图如图1.2所示。衡量一个微波整流电路性能的关键就是其整流效率，而影响整流效率的因素主要包括：整流二极管的损耗、阻抗不匹配导致的损耗以及制版过程中产生的损耗。对于一个匹配良好的整流电路而言，整流二极管产生的损耗是影响整个系统整流效率的关键因素。