一種微波固態(tài)整流系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微波固態(tài)整流系統(tǒng)，包括圓波導(dǎo)、徑向波導(dǎo)、模式轉(zhuǎn)換器和基于鰭線的二極管微波整流電路。微波源通過圓波導(dǎo)饋入徑向波導(dǎo)，并通過均勻排列在徑向波導(dǎo)內(nèi)部的鰭線完成功率的平均分配；每條鰭線上設(shè)有二極管微波整流電路，將微波能量轉(zhuǎn)化為直流；鰭線通過波紋加載的方法進(jìn)行設(shè)計，在完成功率分配的同時能有效抑制諧波，提高整流效率。本發(fā)明將空間功率分配網(wǎng)絡(luò)具有大功率低損耗的特點、徑向波導(dǎo)場分布均勻的特點以及鰭線便于將整流網(wǎng)絡(luò)集成的特點相結(jié)合，將諧波抑制網(wǎng)絡(luò)、功分網(wǎng)絡(luò)以及微波整流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，實現(xiàn)了一種新型的高效、寬帶、大功率微波固態(tài)整流系統(tǒng)。
【專利說明】
一種微波固態(tài)整流系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種徑向波導(dǎo)-鰭線式寬帶大功率低損耗微波固態(tài)整流系統(tǒng)，屬于微波能量傳輸領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界范圍內(nèi)人們對能源需求的與日倶增，傳統(tǒng)能源面臨枯竭的危機(jī)，能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，促使人們尋找和開發(fā)清潔新能源。太陽能衛(wèi)星概念的提出，為解決能源危機(jī)提供了一種有效方案，而微波能量傳輸(Microwave power transmiss1n，MPT)憑借著其超長距離、大功率的傳輸特點，成為了這種方案的主要實現(xiàn)方式，展現(xiàn)出了可觀的應(yīng)用前景。微波能量傳輸作為空間太陽能電站的一個關(guān)鍵技術(shù)，在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。微波能量傳輸系統(tǒng)是指把電能轉(zhuǎn)化為微波能量后，根據(jù)需要再把能量輸送到指定的區(qū)域，然后通過整流裝置進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成直流電能。此技術(shù)既能用于空間站將太陽能更高效的輸送到地面，也可用于地面的遠(yuǎn)距離和復(fù)雜環(huán)境下的能量傳輸。
[0003]目前，微波能量傳輸在低功率領(lǐng)域已得到廣泛研究和發(fā)展，然而為實現(xiàn)空間太陽能電站系統(tǒng)及地面遠(yuǎn)距無線供能，微波能量傳輸在大功率領(lǐng)域的研究也必不可少。其系統(tǒng)功率容量則主要受單個整流二極管功率容量的限制。迄今已公開發(fā)表的單個肖特基二極管的整流電路最大功率容量為 2.5W( IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES，VOL.46,N0.3,MARCH 1998)。目前看來，微波整流功率容量離實際應(yīng)用還有一定差距，而大部分基于肖特基二極管的整流電路的功率容量仍處于mW量級。
[0004]將接收天線與整流電路結(jié)合構(gòu)成整流天線進(jìn)而組成陣列，可用于大功率微波能量的接收。傳統(tǒng)的分布式微波整流電路采用單個整流電路對應(yīng)單個天線，其應(yīng)用受到整流電路的功率容量限制(IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.50,N0.8,AUGUST 2002)。大型的整流天線陣由于接收口徑上功率分布不均勻，整流單元不能全部工作在最佳狀態(tài)，從而影響整體效率(IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES，VOL.46,N0.3,MARCH 1998)。整流天線口徑有限，為了在有限的口徑上接收和轉(zhuǎn)換更多能量，迫切需要一種大功率、低損耗的微波整流方案。此外，現(xiàn)有的很多整流系統(tǒng)是基于平面?zhèn)鬏斁€實現(xiàn)的，隨著頻率升高，損耗會增加;為了減小系統(tǒng)體積，微波輸能系統(tǒng)將向著更高頻率發(fā)展，傳統(tǒng)的平面整流方式已經(jīng)不再適用，另外，微波能量傳輸和無線通信一體化是發(fā)展趨勢，現(xiàn)有的整流系統(tǒng)帶寬較小，因而，急需一種適用于微波毫米波波段的整流系統(tǒng)。
[0005]徑向波導(dǎo)-鰭線式寬帶大功率微波固態(tài)整流系統(tǒng)將大功率微波通過徑向波導(dǎo)-鰭線結(jié)構(gòu)直接分配給多個小功率整流網(wǎng)絡(luò)。能量的分配與轉(zhuǎn)換都在腔體內(nèi)進(jìn)行，損耗更低;微波整流網(wǎng)絡(luò)直接與鰭線集成，能夠更好的適用于微波毫米波的高頻段;空間功率分配網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)靈活，也不會增加額外損耗，因而能提高系統(tǒng)的功率容量和轉(zhuǎn)化效率;而鰭線是一種寬帶傳輸線，可保證整流系統(tǒng)的寬帶工作特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出一種徑向波導(dǎo)-鰭線式寬帶大功率微波固態(tài)整流系統(tǒng)，其特點是功率容量大、整流效率高、適用頻率范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于實現(xiàn)，并且在大功率、寬頻帶方面具有良好的擴(kuò)展性和移植性，應(yīng)用前景廣闊。
[0007]本發(fā)明由以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]一種新型的寬帶徑向波導(dǎo)-鰭線式大功率微波固態(tài)整流系統(tǒng)，可實現(xiàn)η路微波整流及輸出，其中η不小于2，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖3及圖4所示，包括圓波導(dǎo)2和徑向波導(dǎo)3，所述圓波導(dǎo)2的一端為微波能量輸入端，其另一端通過設(shè)于所述徑向波導(dǎo)3上層金屬板的中心處的圓形窗口，與徑向波導(dǎo)3連接;徑向波導(dǎo)3內(nèi)部設(shè)有模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)4和η個結(jié)構(gòu)相同的整流網(wǎng)絡(luò)5;
[0009]所述模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)4包括金屬環(huán)形匹配結(jié)構(gòu)401和金屬階梯圓盤402，所述金屬環(huán)形匹配結(jié)構(gòu)401設(shè)置于所述徑向波導(dǎo)2上層金屬板內(nèi)側(cè)上并位于所述圓形窗口的外側(cè);所述金屬階梯圓盤402位于所述徑向波導(dǎo)2的下層金屬板內(nèi)側(cè)中心處，其由兩階以上的共軸金屬圓盤依半徑由大至小疊加而成，其中半徑最大的金屬圓盤的底面與所述金屬底板下層連接；
[0010]所述整流網(wǎng)絡(luò)5包括介質(zhì)基板和位于介質(zhì)基板兩側(cè)且關(guān)于介質(zhì)基板平面呈鏡像對稱的2個金屬結(jié)構(gòu)，如圖4所示;所述η個整流網(wǎng)絡(luò)5沿徑向波導(dǎo)2的圓周均勻分布于徑向波導(dǎo)內(nèi)側(cè)，且每個整流網(wǎng)絡(luò)的一端指向徑向波導(dǎo)的軸線，每個整流網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)基板所在平面平行于徑向波導(dǎo)的半徑方向，介質(zhì)基板的法向方向與徑向波導(dǎo)2的上、下層金屬板平行，如圖
2、圖3所示；
[0011]所述金屬結(jié)構(gòu)為開設(shè)兩條水平方向槽線503的金屬板，如圖4所示，所述金屬板靠近徑向波導(dǎo)2軸線的一端為兩個平行排布的鰭線501用于將電磁能量從波導(dǎo)過渡至槽線結(jié)構(gòu)上，其遠(yuǎn)離徑向波導(dǎo)2軸線的一端為兩個平行排布的整流結(jié)構(gòu)502;每條水平方向槽線503均貫穿一個整流結(jié)構(gòu)502;每一個整流結(jié)構(gòu)502靠近鰭線501—端的槽線兩側(cè)的金屬通過一個整流二極管連接，其遠(yuǎn)離鰭線501—端的槽線兩側(cè)金屬通過一個電容連接；
[0012]每個整流網(wǎng)絡(luò)5遠(yuǎn)離徑向波導(dǎo)2軸線的末端且靠近徑向波導(dǎo)上下內(nèi)壁的金屬各通過一個貫穿介質(zhì)板的金屬化通孔504與位于介質(zhì)板另一面的金屬結(jié)構(gòu)連接;在同一整流網(wǎng)絡(luò)5中，靠近徑向波導(dǎo)2上壁的金屬化通孔與負(fù)載Rl的一端連接，靠近徑向波導(dǎo)2下壁的金屬化通孔與所述負(fù)載Rl的另一端連接。
[0013]需要說明的是，每個整流網(wǎng)絡(luò)5的4個二極管的指向需一致。
[0014]本發(fā)明提供的整流系統(tǒng)通過位于徑向波導(dǎo)上壁的圓環(huán)401和下壁的階梯圓盤402將圓波導(dǎo)的TMOl模式轉(zhuǎn)化為徑向波導(dǎo)的TEM模式;上壁圓環(huán)401在完成阻抗匹配的同時，使徑向波導(dǎo)上下壁的邊界條件一致，進(jìn)而在有限空間內(nèi)使得徑向波導(dǎo)的場分布均勻，減小了徑向波導(dǎo)半徑;功率分配網(wǎng)絡(luò)采用徑向波導(dǎo)-鰭線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);微波源I經(jīng)模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)4饋入徑向波導(dǎo)3，通過內(nèi)插在徑向波導(dǎo)徑向方向的η路整流網(wǎng)絡(luò)5完成功率的平均分配。
[0015]每個基片的正反面各具有多路鰭線，每一面稱為一個子支路；內(nèi)插鰭線為隔離鰭線。
[0016]進(jìn)一步的，所述鰭線結(jié)構(gòu)501為波紋加載鰭線，如圖5所示，可有效抑制整流過程中的諧波能量。
[0017]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0018]本發(fā)明提供了一種新穎的徑向波導(dǎo)-鰭線式寬帶大功率微波固態(tài)整流系統(tǒng)，大功率微波通過徑向波導(dǎo)-鰭線結(jié)構(gòu)直接分配給多個小功率整流網(wǎng)絡(luò)，具有寬帶特性;能量的分配與轉(zhuǎn)換都在腔體內(nèi)進(jìn)行，損耗低;微波整流網(wǎng)絡(luò)直接與鰭線集成，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻的整流;空間功率分配網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)靈活，也不會增加額外損耗，因而能提高系統(tǒng)的功率容量和轉(zhuǎn)化效率;鰭線過渡段采用波紋加載方法，將阻抗匹配和諧波抑制網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計，減小系統(tǒng)體積;通過選擇徑向波導(dǎo)尺寸和鰭線數(shù)量，可以滿足不同功率和工作頻段要求，在大功率、寬頻帶方面具有良好的擴(kuò)展性和移植性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明提供的微波固態(tài)整流系統(tǒng)的前視剖視圖；
[0020]圖2為本發(fā)明提供的微波固態(tài)整流系統(tǒng)的A-A截面圖；
[0021 ]圖3為本發(fā)明提供的微波固態(tài)整流系統(tǒng)的B-B截面圖；
[0022]圖4為本發(fā)明提供的微波固態(tài)整流系統(tǒng)中的整流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為帶有波紋加載鰭線的整流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明實施例提供的整流系統(tǒng)在X波段的基頻回波仿真曲線；
[0025]圖7為本發(fā)明實施例提供的整流系統(tǒng)在X波段的二次諧波回波仿真曲線；
[0026]圖8為本發(fā)明實施例提供的整流系統(tǒng)在X波段整流效率曲線。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:本發(fā)明的保護(hù)范圍包括但不限于下述實施例。
[0028]本實例工作在X波段。
[0029]實施例:
[0030]如圖1、圖2、圖3、圖5所示，微波源經(jīng)過圓波導(dǎo)輸入端I饋入徑向波導(dǎo)，將圓波導(dǎo)內(nèi)的TMOl模式轉(zhuǎn)化為徑向波導(dǎo)內(nèi)的TEM模式;徑向波導(dǎo)上壁的金屬圓環(huán)401和下壁的階梯圓盤402起到匹配作用。微波能量繼而經(jīng)內(nèi)插在徑向波導(dǎo)徑向方向的鰭線平均分配到各支路進(jìn)行整流。徑向波導(dǎo)高度H= 11mm，半徑Ri = 52mm;圓波導(dǎo)半徑R2= 16.27mm;內(nèi)插鰭線介質(zhì)基板厚度h = 0.508mm，其相對介電常數(shù)￡!^ = 3.5，共內(nèi)插16片基片，每個基片的正反面各具有兩路鰭線;為了進(jìn)行直流輸出，內(nèi)插鰭線為隔離鰭線;輸入功率Pin = 16W。
[0031]如圖5所示，本發(fā)明采用波紋加載方法將過渡段的阻抗匹配和諧波抑制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計，既實現(xiàn)了徑向波導(dǎo)到鰭線的過渡又具有諧波抑制功能，使得更多能量作用到整流二極管505，增加了整流效率，同時實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化;整流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)嵌在輸出端，無需進(jìn)行鰭線到其他傳輸線的轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)緊湊，也減小了設(shè)計復(fù)雜度。
[0032]如圖5所示，微波整流網(wǎng)絡(luò)5由整流二極管505、工作頻率對應(yīng)四分之一波長的槽線503和濾波電容506構(gòu)成。為了提高系統(tǒng)的功率容量，微波整流網(wǎng)絡(luò)采用四個整流二極管進(jìn)行串/并聯(lián)等效為一個大功率二極管。微波能量經(jīng)鰭線過渡段輸入到二極管進(jìn)行整流，再經(jīng)濾波電容后輸出直流;基波能量以及二極管非線性產(chǎn)生的高次諧波能量在濾波電容和諧波抑制網(wǎng)絡(luò)作用下反射回二極管，增加了整流效率。
[0033]如圖6、圖7所示，本實施例提供的整流系統(tǒng)在X波段內(nèi)的回波均在_15dB以下，滿足系統(tǒng)要求;二次回波均在-0.1dB以上，具有良好的諧波抑制特性。
[0034]如圖8所示，在8.5GHz到10.5GHz范圍內(nèi)整流效率在50 %以上，具有寬帶特性。
[0035]從實驗結(jié)果可知，本發(fā)明具有功率容量大、整流效率高、適用頻率范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于實現(xiàn)，在大功率、寬頻帶方面具有良好的擴(kuò)展性和移植性等優(yōu)點。
【主權(quán)項】
1.一種微波固態(tài)整流系統(tǒng)，可實現(xiàn)η路微波整流及輸出，η不小于2，主要包括圓波導(dǎo)(2)和徑向波導(dǎo)(3)，所述圓波導(dǎo)(2)的一端為微波能量輸入端，其另一端通過設(shè)于所述徑向波導(dǎo)(3)上層金屬板的中心處的圓形窗口，與徑向波導(dǎo)(3)連接;徑向波導(dǎo)(3)內(nèi)部設(shè)有模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(4)和η個結(jié)構(gòu)相同的整流網(wǎng)絡(luò)(5); 所述整流網(wǎng)絡(luò)(5)包括介質(zhì)基板和位于介質(zhì)基板兩側(cè)且關(guān)于介質(zhì)基板平面呈鏡像對稱的2個金屬結(jié)構(gòu);所述η個整流網(wǎng)絡(luò)(5)沿徑向波導(dǎo)(2)的圓周均勻的分布于徑向波導(dǎo)內(nèi)側(cè)，且每個整流網(wǎng)絡(luò)的一端指向徑向波導(dǎo)的軸線，每個整流網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)基板所在平面平行于徑向波導(dǎo)的半徑方向，介質(zhì)基板的法向方向與徑向波導(dǎo)(2)的上、下層金屬板平行； 所述金屬結(jié)構(gòu)為開設(shè)兩條水平方向槽線(503)的金屬板，所述金屬板靠近徑向波導(dǎo)(2)圓心的一端為兩個平行排布的鰭線(501)用于將電磁能量從波導(dǎo)過渡至槽線結(jié)構(gòu)上，其遠(yuǎn)離徑向波導(dǎo)(2)軸線的一端為兩個平行排布的整流結(jié)構(gòu)(502);每條水平方向槽線(503)均貫穿一個整流結(jié)構(gòu)(502);每一個整流結(jié)構(gòu)(502)靠近鰭線(501)—端的槽線兩側(cè)的金屬通過一個整流二極管連接，其遠(yuǎn)離鰭線(501) —端的槽線兩側(cè)金屬通過一個電容連接;每個整流電路(5)遠(yuǎn)離徑向波導(dǎo)(2)軸線的末端且靠近徑向波導(dǎo)上、下內(nèi)壁的金屬各通過一個貫穿介質(zhì)板的金屬化通孔(504)與位于介質(zhì)板另一面的金屬結(jié)構(gòu)連接;在同一整流電路(5)中，靠近徑向波導(dǎo)(2)上壁的金屬化通孔與負(fù)載Rl的一端連接，靠近徑向波導(dǎo)(2)下壁的金屬化通孔與所述負(fù)載Rl的另一端連接;每個整流電路(5)的4個整流二極管的指向一致； 其特征在于，所述模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(4)包括金屬環(huán)形匹配結(jié)構(gòu)(401)和金屬階梯圓盤(402)，所述金屬環(huán)形匹配結(jié)構(gòu)(401)設(shè)置于所述徑向波導(dǎo)(2)上層金屬板內(nèi)側(cè)上并位于所述圓形窗口的外側(cè);所述金屬階梯圓盤(402)位于所述徑向波導(dǎo)(2)的下層金屬板內(nèi)側(cè)中心處，其由兩階以上的共軸金屬圓盤依半徑由大至小疊加而成，其中半徑最大的金屬圓盤的底面與所述金屬底板下層連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波固態(tài)整流系統(tǒng)，其特征在于，所述槽線的長度為工作頻率對應(yīng)的四分之一波導(dǎo)波長。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波固態(tài)整流系統(tǒng)，其特征在于，所述鰭線(501)為波紋加載鰭線。
【文檔編號】H01P1/16GK106099294SQ201610380166
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】李家林, 汲壯, 張明, 張一明, 王秉中
【申請人】電子科技大學(xué)