CN104467467A - 一种大动态微波能量转换为直流方案 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术在大动态功率输入时匹配电路设计难度高、整流效率低等缺陷，公开了一种工作于大动态功率输入时微波能量转换为直流的高效率整流电路方案。本发明的技术方案的特征在于，所述的整流电路方案由多级整流电路构成，每级整流电路由环形器、整流二极管阵列、滤波电路构成，可根据不同的输入功率大小及动态设置不同级数的整流电路。本发明根据环形器单向通道且反向具有高隔离度的特性，首次提出将环形器应用于微波多级整流电路，利用环形器的单向通道特性将电路失配产生的反射波回收至下一级电路进行再次整流。本发明克服了由于整流二极管的非线性特性导致其在不同功率输入时呈现不同阻抗特性，导致阻抗匹配失配的缺陷，极大的简化了整流匹配电路，保证了在大动态功率输入情况下的高整流效率。

Description

一种大动态微波能量转换为直流方案

技术领域

本发明涉及微波传输能量技术领域，特别涉及微波整流电路技术

背景技术

微波输能成为新能源领域的一个重要研究方向，微波输能以微波为载体可以实现能量的无线传输，可利用微波输能技术实现空间太阳能发电站与地面接收站之间的能量传输，也可用于向空间飞行器供电等领域。而整流电路作为微波输能的重要组成部分，将直接影响整个微波输能***的效率，然而目前存在的关于整流电路的技术创新几乎都是针对提高功率容量、提高某固定工作状态下的整流效率等难题的攻克，还没有在大动态功率输入下改善整流效率的有效方法。现存的整流电路中，整流二极管与信号输入端之间需匹配电路，匹配电路将二极管在特定输入功率下的输入阻抗匹配到50欧姆以便与信号源匹配使得反射减少进而更多的能量馈入电路以提高整流效率。在特定的输入功率下，该方法虽能获得了较好的回波损耗，但由于整流电路中的二极管是一种非线性元件，在不同的功率输入、不同工作频率下呈现不同的阻抗特性，很难保证单一整流电路的匹配电路实现阻抗匹配，更不能解决在大动态功率输入时阻抗失配造成的回波损耗问题。回波不仅使得大量能量浪费而大大降低整个微波输能***的效率，若产生的反射波传输回接收端通过接收天线辐射出去，将产生严重的二次辐射问题。

发明内容

本发明所要解决的主要问题，就是针对现有整流电路的匹配电路结构复杂等缺点，提供一种大动态微波能量转换为直流的方案，其适用于不同功率输入的整流电路。传统的整流电路中，在不同的功率输入、不同工作频率下呈现不同的阻抗特性，很难保证单一整流电路的匹配电路实现阻抗匹配,接收电路部分会因阻抗失配而产生反射波导致能量损失，影响整流效率，本发明引入的基于环形器的多级整流电路，将由阻抗失配而产生的反射波进行二次整流，不仅解决了反射波二次辐射问题，还能充分回收反射波而提高整流效率。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是：

在接收端接入环形器，环形器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行，反方向是具有高隔离度的。如图1，以环形器端口①为输入端，端口②为第一级输入端，此端接整流电路，端口③接第二级整流电路。可根据不同的电路需求设定不同的级数，当增加级数时环形器端口③再接入下一个环形器即可，并依次接入整流电路及下一级整流电路。

本发明根据环形器的工作原理，利用环形器的单向通道特性，首次提出将环形器用于整流电路中。传统的整流电路中整流效率偏低很大一部分原因是不能对传入的能量进行充分利用。传统的技术中，当整流电路接收不同的功率信号时，由于二极管的非线性特性，整流电路不可避免的会因功率变化而阻抗失配产生反射波，传统的整流电路中反射波直接传入输入端再辐射，将影响整个整流***效率，即使现有部分技术在二极管前端接入滤波器，但不能隔离反射波，更不能将其充分利用而导致能量浪费。而在本发明中，环形器的接入不仅可以有效的抑制该现象的发生，还可将发射波回收至环形器的下一端口进行二次整流，这不仅可以改变反射波和高次谐波对整个电路的影响，更可以提高能量的利用率和整流电路的转换率。

本发明具有很强的可改造性。本发明所提出的一种新的多级整流电路可满足不同的电路需求，当电路处于低功率、小动态输入状态时，则可仅选用一个环形器，仅使用一级电路，接入匹配电路即可利用简单的结构实现高效率整流。当电路需工作在高功率状态下时，可选用若干个环形器设计出不同的级数以提高电路的功率上限和整流效率。并根据不同的电路需求接入不同数量的环形器。

附图说明

图1为本发明的大动态微波能量转换为直流的方案原理图

图2为本发明的适用于较低功率、输入频率变化的电路原理图

图3为本发明的适用于高功率、大动态输入的多级整流电路原理图

具体实施方式

以下结合附图及具体实例对本发明的工作原理及连接结构进行详细说明。

实施实例1

本实例是将本发明应用于适用于较低功率、输入频率变化时的说明。当输入功率较低、输入频率变化时，可只需一个环形器、若干个整流二极管、若干个滤波电容就可以构成结构简单且效率高的整流电路。

如图2，该实例将本发明的大动态输入能量回收整流技术方案与传统的整流电路结合，省去了整流***的匹配电路部分，可改善传统整流电路结构复杂且效率低的缺陷。本电路中采用一个环形器、四个二极管构成的整流二极管阵列和两个二级管串联的整流电路，当电流经过第一级整流电路整流后，环形器的端口③回收反射波进行二次整流。该电路在不需要匹配电路的情况下不仅避免了反射波流回至输入端，还可将反射波回收至环形器下一端口所接整流电路进行再次充分整流。

实施实例2

本例是将本发明应用于较高功率输入时的具体介绍。如图3所示，是本发明应用于大动态输入的多级能量回收的整流电路原理图，其包含环形器、各级整流二极管阵列，还包含了滤波电路和直流负载。该实例是以三端口环形器为例，级数选定为三级进行介绍。

第一级整流电路包括含环形器M1，整流二极管阵列D1和滤波电容C1、C2。由于第一级电路要求能承受较高功率的输入，选取的二极管阵列中包含八个二极管，此时该分支电路所能承受的最高功率的是单个二极管的八倍，当接收高功率交流信号时，交流信号通过二极管阵列D1后大部分交流电被转换为直流电，还有部分高次谐波通过滤波电容C2滤去，由于二极管的非线性导致的反射波将输入下一级电路进行二次整流。滤波电容C1的作用是隔离直流电，避免二极管整流后的直流电流入环形器M1。

第二级整流电路包含环形器M2、整流二极管阵列D2、滤波电容C3、C4。该级电路为第二级整流电路，故仅需要由4个二极管构成的二极管阵列进行整流。环形器M2接收到由第一级电路传来的电流信号后，将其传送至②端口及接第二级整流电路进行整流。该级产生的高次谐波由滤波电容C4进行滤波处理，最后将该级中产生的反射波传送至下一级整流电路。滤波电容C3的作用是隔离直流电，避免二极管整流后的直流电流入环形器M2。

第三级整流电路包含环形器M3、整流二极管阵列D3、滤波电路C5、C6。经过前两级电路后还未整流的信号不强，该级选用两个二极管阵列即可达到充分整流的效果，整流后通过滤波电容C6滤波可得到稳定的直流信号。环形器M3的第三端口接单个二极管D4和滤波电容C8作最后的能量回收整流，最后将各级整流后的直流电并联输送至直流负载。滤波电容C5、C7的作用是隔离直流电，避免二极管整流后的直流电流入环形器。

以上实例仅为说明本发明的思想，还可根据具体电路工作条件，对整流的级数进行增减调节，对整流二极管中的二极管数量进行增减。

Claims (6)

1.一种大动态微波能量转换为直流方案，是一种多级能量整流回收方案，其特征在于，该方案由多级能量回收整流电路组成，每一级整流电路将上一级电路中阻抗失配引起的反射波的能量回收后再次整流。

2.如权利要求1所述的多级能量整流回收方案，其特征在于，该级能量回收电路方案由N级分支整流电路组成。N由输入功率的大小及动态范围决定，功率输入越大或功率动态越大，N应越大(N≥1)。

3.如权利要求2所述的分支整流电路，其特征在于，每一级整流电路由一个环形器、一个整流二极管阵列、滤波电路构成。

4.如权利要求3所述的整流电路，其特征在于，所述的环形器为三端口单向传输器件，可选三个端口中任意一个为起始端口①，且沿传输方向依次为端口②、③，环形器的传输方向沿固定方向①→②→③→①传输。环形器设置在每一级电路的输入端，且端口①与输入端相连，端口②与整流电路相连，端口③与次级整流电路输入端相连。

5.如权利要求3所述的整流电路，其特征在于，所述的整流二极管阵列，每一级电路中整流二极管数量不同，根据不同的功率输入设置每级整流二极管阵列中的二极管数量，且二极管的数量逐级递减。

6.如权利要求1所述的大动态微波能量转换为直流方案，其特征在于，该多级电路每级都有直流电输出，输出端将N级的直流输出并联后传送至负载。