基于双频超材料的无线电能传输系统研究
这是一篇关于磁谐振,无线电能传输,超材料,双频,E类功率放大器的论文, 主要内容为无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)具有安全、可靠、便捷等诸多优点,近年来被大量应用于各种用电场合。其中,磁耦合谐振式WPT技术由于其传输距离远、效率高以及功率大等优点,成为了最具有发展潜力的WPT技术之一,但在实际应用中其传输性能会随传输距离的增大而降低。对收发端的磁场进行调控,使接收端得到更多的能量是一种解决方法,超材料作为一种具有倏逝波增强、负折射率的人工电磁材料能够改变收发端之间的磁场分布,增强WPT系统的传输性能。目前,WPT系统的收发端往往需要同步传输信号,因此双频及多频WPT系统具有很好的研究前景。针对现有的超材料仅适用于单频WPT系统,无法满足双频WPT系统的问题,本文设计出了具有双频特性的超材料,并实现了基于双频超材料的无线电能传输系统。主要工作和成果如下:首先,设计出了两种具有双频特性的超材料。第一种采用自谐振嵌套结构,通过线圈等效电感和电容来实现相应的工作频点,第二种采用外加补偿嵌套结构,通过外加补偿电容来实现相应的工作频点。嵌套式结构可以使得超材料具有双频特性,通过增加线圈嵌套数量可以得到具有多频特性的超材料,利用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的超材料进行参数优化和分析,利用MATLAB软件提取等效磁导率,验证了设计的正确性。其次,为了使WPT系统能同步传输信号,设计了一种基于PCB板的双频收发线圈,可以分别利用两个不同的谐振频段传输电能和信号。使用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的双频WPT系统进行仿真和参数扫描,得到最佳特性,并搭建基于双频超材料的WPT系统,仿真结果证明了双频超材料可以同时增加WPT系统在两个工作频点处的效率。再者,设计一款高频E类功率放大器作为WPT系统的驱动源,利用ADS软件完成E类功率放大电路的设计和仿真,包括基本电路参数设计、高频MOS管选取、稳定性电路、偏置电路、阻抗匹配电路和滤波电路设计。为了保证实物性能,通过AD软件和ADS软件进行PCB版图联合仿真。利用单片机系统设计了具有信号放大和调制功能的信号发生器,以及相应的稳压电源电路。最后,实验验证了两种双频超材料可以同时增强WPT系统两个工作频点的传输效率,验证了E类功率放大器、信号发生器能够达到设计指标,搭建并测试了基于双频超材料的WPT系统,结果表明加入双频超材料能够增强WPT系统的传输能力。
基于机械控制的可重构阵列天线设计
这是一篇关于机械可重构,阵列天线,波束偏转,高度可调,双频的论文, 主要内容为随着无线通信系统的飞速发展,用户需求增加和频谱资源缩减等问题逐渐出现。传统的天线大多功能单一,无法满足当前的应用需求,而朝着多功能、大容量和小型化等方向发展的可重构天线已成为当今天线发展的热点之一。其中,机械可重构天线凭借其独特的稳定性和鲁棒性等优点一直存在于可重构天线的发展历程当中。本文基于机械可重构进行设计了两款阵列天线,均能够实现波束偏转功能。主要的研究内容可以分为两个方面:1.设计了一种高度可调的机械可重构阵列天线。本文利用带滑块的丝杆步进电机与3D打印的支撑结构设计了一种高度调节装置,其顶部加载的U型槽缝隙贴片微带天线能够通过调节高度实现360°范围内的连续相移,从而达到替代移相器及降低成本的目的。然后设计了8×8的阵列,通过仿真验证了其方法的可行性,并对阵列原型进行了加工和测试,实验结果表明加工的天线能够在XOZ平面±40°范围内实现任意角度的波束扫描,最高增益达23.3d Bi,口径效率达85.6%。此外,为了验证其应用广泛性,测试了近场聚焦的性能表现,测试结果表明该天线也能实现距离阵面150mm处平面内的焦点移动能力。2.在第一款天线的设计基础上,本文尝试将设计在原工作频段的底馈微带天线放入全波仿真模型中分析其反射特性,呈现出来的优秀反射性能为双频阵列天线的设计提供了思路。于是设计了一种集成了C波段可重构反射阵天线和X波段相控阵天线的双频波束偏转阵列天线,其中可重构反射阵天线利用高度调节来实现360°连续的反射相移,而相控阵天线则是利用数字移相器来实现360°连续相位的调节,并且该天线还拥有两套独立的馈电网络及控制系统。通过仿真以及加工测试,两个频段下均能实现XOZ平面±40°范围内实现任意角度的波束扫描,最高增益分别为14.4d Bi和21d Bi,口径效率为32.9%和50.6%。
基于机械控制的可重构阵列天线设计
这是一篇关于机械可重构,阵列天线,波束偏转,高度可调,双频的论文, 主要内容为随着无线通信系统的飞速发展,用户需求增加和频谱资源缩减等问题逐渐出现。传统的天线大多功能单一,无法满足当前的应用需求,而朝着多功能、大容量和小型化等方向发展的可重构天线已成为当今天线发展的热点之一。其中,机械可重构天线凭借其独特的稳定性和鲁棒性等优点一直存在于可重构天线的发展历程当中。本文基于机械可重构进行设计了两款阵列天线,均能够实现波束偏转功能。主要的研究内容可以分为两个方面:1.设计了一种高度可调的机械可重构阵列天线。本文利用带滑块的丝杆步进电机与3D打印的支撑结构设计了一种高度调节装置,其顶部加载的U型槽缝隙贴片微带天线能够通过调节高度实现360°范围内的连续相移,从而达到替代移相器及降低成本的目的。然后设计了8×8的阵列,通过仿真验证了其方法的可行性,并对阵列原型进行了加工和测试,实验结果表明加工的天线能够在XOZ平面±40°范围内实现任意角度的波束扫描,最高增益达23.3d Bi,口径效率达85.6%。此外,为了验证其应用广泛性,测试了近场聚焦的性能表现,测试结果表明该天线也能实现距离阵面150mm处平面内的焦点移动能力。2.在第一款天线的设计基础上,本文尝试将设计在原工作频段的底馈微带天线放入全波仿真模型中分析其反射特性,呈现出来的优秀反射性能为双频阵列天线的设计提供了思路。于是设计了一种集成了C波段可重构反射阵天线和X波段相控阵天线的双频波束偏转阵列天线,其中可重构反射阵天线利用高度调节来实现360°连续的反射相移,而相控阵天线则是利用数字移相器来实现360°连续相位的调节,并且该天线还拥有两套独立的馈电网络及控制系统。通过仿真以及加工测试,两个频段下均能实现XOZ平面±40°范围内实现任意角度的波束扫描,最高增益分别为14.4d Bi和21d Bi,口径效率为32.9%和50.6%。
基于SISL三耦合谐振腔的高性能压控振荡器设计
这是一篇关于压控振荡器,三耦合谐振腔,5G,宽调谐范围,FR4,小型化,双频的论文, 主要内容为随着5G时代的到来,通信系统对集成度、成本以及综合性能的要求越来越高,小型化和低成本设计已成为未来通信发展趋势。相对于集成电路,板级电路具有更低的成本和更优的相位噪声性能,因此在基站、汽车防撞雷达以及军事应用方面较为广泛。压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)作为5G系统中收发机内部频率源的关键模块,其相位噪声直接影响系统的信噪比和最小误码率,而调谐带宽会限制收发机的动态范围。近年来,为了改善相位噪声,人们设计了多种高Q值谐振器,比如微带开口环结构、SIW腔体谐振器以及SISL腔体谐振器等;为了拓宽调谐范围,研究人员提出了开关电容阵列技术以及电调谐振器技术等。然而相位噪声与调谐范围是相互制约的,这为高性能VCO的设计增加了难度。同时,为了顺应多模式多频带的发展趋势,如何在5G频段实现双频VCO也成为了当下研究热点。因此,本课题针对以上关键问题,基于高Q值的介质集成悬置线(Substrate Integrated Suspended Line,SISL)技术,采用低成本的FR4介质板,从宽调谐范围、低相位噪声、小型化VCO的研究出发,再以此为基础,进一步探究了双频VCO的设计方法以及实现。论文的主要研究内容如下:1.在宽调谐、低相噪、小型化VCO设计方面:为了解决兼顾宽调谐范围与低相位噪声的问题,本文基于SISL平台,采用FR4介质基板,设计了基于变压器的紧凑型三耦合谐振腔,一方面通过在第二个谐振腔加载变容二极管避免晶体管寄生电容对变容管的影响,从而拓宽调谐范围;另一方面通过提高整体回路的Q值改善相位噪声。最终测试结果表明,该VCO实现了28.9%的调谐范围,在振荡频率3.76 GHz偏移1 MHz处的相位噪声为-119.45 d Bc/Hz,核心电路尺寸为0.01λg2,验证了该方法的可行性。与其他板级VCO相比,本设计具有更宽的调谐范围、更紧凑的面积和更低的成本。2.在双频VCO设计方面:基于以上研究设计,为了解决5G频段双频覆盖的问题,本文基于三耦合谐振腔,设计了一款双频VCO。通过控制晶体管工作状态进行VCO两种工作模式的切换,使得VCO可以在5G双频段工作。与其他板级VCO相比,该设计不仅可以双频工作,而且结构紧凑,成本更低。
基于双频超材料的无线电能传输系统研究
这是一篇关于磁谐振,无线电能传输,超材料,双频,E类功率放大器的论文, 主要内容为无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)具有安全、可靠、便捷等诸多优点,近年来被大量应用于各种用电场合。其中,磁耦合谐振式WPT技术由于其传输距离远、效率高以及功率大等优点,成为了最具有发展潜力的WPT技术之一,但在实际应用中其传输性能会随传输距离的增大而降低。对收发端的磁场进行调控,使接收端得到更多的能量是一种解决方法,超材料作为一种具有倏逝波增强、负折射率的人工电磁材料能够改变收发端之间的磁场分布,增强WPT系统的传输性能。目前,WPT系统的收发端往往需要同步传输信号,因此双频及多频WPT系统具有很好的研究前景。针对现有的超材料仅适用于单频WPT系统,无法满足双频WPT系统的问题,本文设计出了具有双频特性的超材料,并实现了基于双频超材料的无线电能传输系统。主要工作和成果如下:首先,设计出了两种具有双频特性的超材料。第一种采用自谐振嵌套结构,通过线圈等效电感和电容来实现相应的工作频点,第二种采用外加补偿嵌套结构,通过外加补偿电容来实现相应的工作频点。嵌套式结构可以使得超材料具有双频特性,通过增加线圈嵌套数量可以得到具有多频特性的超材料,利用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的超材料进行参数优化和分析,利用MATLAB软件提取等效磁导率,验证了设计的正确性。其次,为了使WPT系统能同步传输信号,设计了一种基于PCB板的双频收发线圈,可以分别利用两个不同的谐振频段传输电能和信号。使用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的双频WPT系统进行仿真和参数扫描,得到最佳特性,并搭建基于双频超材料的WPT系统,仿真结果证明了双频超材料可以同时增加WPT系统在两个工作频点处的效率。再者,设计一款高频E类功率放大器作为WPT系统的驱动源,利用ADS软件完成E类功率放大电路的设计和仿真,包括基本电路参数设计、高频MOS管选取、稳定性电路、偏置电路、阻抗匹配电路和滤波电路设计。为了保证实物性能,通过AD软件和ADS软件进行PCB版图联合仿真。利用单片机系统设计了具有信号放大和调制功能的信号发生器,以及相应的稳压电源电路。最后,实验验证了两种双频超材料可以同时增强WPT系统两个工作频点的传输效率,验证了E类功率放大器、信号发生器能够达到设计指标,搭建并测试了基于双频超材料的WPT系统,结果表明加入双频超材料能够增强WPT系统的传输能力。
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