一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统
阅读说明：本技术 一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统 (Wireless power transmission system with automatic regulation and control function and secondary harmonic feedback function ) 是由 张�浩 高丽鹏 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统,包括发射端和接收端,发射端包括功率源、环形器、第一双波段天线及控制器,接收端包括第二双波段天线、整流器及自动调控二次谐波反馈电路；整流器包括匹配电路、肖特基二极管、滤波电容及负载电阻；自动调控二次谐波反馈电路包括电压比较器、参考电压、晶体管、开关及四分之一波长短路支节。整流器输出电压随功率源增加而增加,当输出电压大于V-(REF)时,电压比较器控制PMOS源漏极导通,常关型单刀单掷开关开启,λ/4短路支节对二次谐波短路,第一双波段天线不再接收整流器二次谐波,实现了紧凑型、高效率及距离自适应无线功率传输。(The invention provides a wireless power transmission system with automatic regulation and control function for secondary harmonic feedback, which comprises a transmitting end and a receiving end, wherein the transmitting end comprises a power source, a circulator, a first dual-band antenna and a controller; the rectifier comprises a matching circuit, a Schottky diode, a filter capacitor and a load resistor; the automatic regulation and control second harmonic feedback circuit comprises a voltage comparator, a reference voltage, a transistor, a switch and a quarter-wavelength short-circuit branch section. The output voltage of the rectifier increases along with the increase of the power source, and when the output voltage is more than V REF When the power transmission device is used, the voltage comparator controls the PMOS source and drain electrodes to be conducted, the normally-off single-pole single-throw switch is turned on, the lambda/4 short-circuit branch node is in short circuit with the second harmonic, the first dual-band antenna does not receive the second harmonic of the rectifier any more, and compact, high-efficiency and distance self-adaptive wireless power transmission is achieved.)
技术领域
本发明涉及一种无线功率传输系统，特别涉及一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统。
背景技术
无线功率传输技术为无线传感网络快速发展提供了有力保障。常见无线功率传输系统如图1所示，主要包括高增益发射、接收天线及功率源、整流器等，实现发射、接收端高效率无线功率传输目的。然而，当发射、接收端距离(d)变化时，难以保证在功率源激励发射天线条件下，满足整流器最佳整流效率的输入功率需求。因此，亟需通过某种反馈机制(例如二次谐波反馈)动态调控功率源输出基波频率(Vωo)信号，自适应发射、接收天线间距离的变化，维持整流器最佳输入功率及整流效率。
发明内容
本发明目的是提供一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统，包括发射端和接收端；发射端由功率源、环形器、双波段天线A及控制器构成。接收端由双波段天线B、整流器及自动调控二次谐波反馈电路构成；整流器由匹配电路(Lm、Cm)、肖特基二极管(D0)、滤波电容(CL)及负载电阻(RL)构成；自动调控二次谐波反馈电路由电压比较器(COMP)、参考电压(VREF)、P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)、常关型单刀单掷开关(Always-OFF SPST)及四分之一波长短路支节构成。所述环形器端口1接功率源输出端，端口2接双波段天线A，端口3接控制器；所述控制器分别接环形器端口3、功率源偏置端口；所述功率源输出端接环形器端口1，偏置端口接控制器；所述整流器匹配电路(Lm、Cm)中Cm一端接双波段天线B，另一端接Lm、肖特基二极管(D0)正极；所述整流器匹配电路(Lm、Cm)中Lm一端接地，另一端接Cm、肖特基二极管(D0)正极；所述整流器肖特基二极管(D0)正极接匹配电路(Lm、Cm)，负极接滤波电容(CL)、负载电阻(RL)；所述滤波电容(CL)一端接地，另一端接RL、肖特基二极管(D0)负极；所述负载电阻(RL)一端接地，另一端接CL、肖特基二极管(D0)负极；所述自动调控二次谐波反馈电路的电压比较器(COMP)负极输入端接负载电阻(RL)输出端，电压比较器(COMP)正极输入端接参考电压(VREF)正极，电压比较器(COMP)输出端接PMOS晶体管栅极；所述参考电压(VREF)正极接电压比较器(COMP)正极输入端，VREF负极接地；所述P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)栅极接电压比较器(COMP)输出端，PMOS漏极接负载电阻(RL)输出端，PMOS源极接SPST偏置端；所述SPST偏置端接PMOS晶体管源极，SPST射频输入端接匹配电路(Lm、Cm)连接处，SPST射频输出端接四分之一波长短路支节构成；所述四分之一波长短路支节一端接SPST输出端，四分之一波长短路支节另一端接地。
一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统，其特征在于解决发射、接收天线间距离(d)变化而导致整流器接收功率及整流效率恶化问题，维持整流器最佳输入功率及整流效率。在具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统中，直流偏置电压(Vdc)与功率源输出基波频率信号(Vωo)、基波频率功率(Pωo)、整流器输出直流电压(Vo)及二次谐波频率功率(P2ωo)具有一一对应单调递增相关性，即Vdc_n与Pωo_n、Vo_n及P2ωo(n＝1，2，3…n表示控制器扫描Vdc次数)一一对应。因此，控制Vdc可实现功率源输出基波频率功率(Pωo)、整流器输出直流电压(Vo)及二次谐波频率功率(P2ωo)的调节控制。当Vo小于参考电压(VREF)时，电压比较器(COMP)控制PMOS源、漏极关闭，SPST关闭，四分之一波长短路支节开路作用于匹配电路(Lm、Cm)连接处，二次谐波频率功率(P2ωo)通过双波段天线B反馈双波段天线A，并传输二次谐波频率信号(V2ωo)至控制器，控制器递增直流偏置电压(Vdc)。当Vo大于/等于参考电压(VREF)时，电压比较器(COMP)控制PMOS源、漏极导通，Vo直接作用于SPST偏置端，SPST开启，四分之一波长短路支节连接于Lm、Cm交点，因四分之一波长短路支节对二次谐波频率信号(V2ωo)短路反射，对基波频率信号(Vωo)开路作用，二次谐波频率信号(V2ωo)被抑制并再次进入肖特基二极管(D0)，双波段天线A不再接收到二次谐波频率信号(V2ωo)反馈，控制器维持直流偏置电压(Vdc)，实现一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统。
包括以下步骤：
步骤1)：控制器初始化直流偏置电压(Vdc_1)，功率源输出基波频率信号(Vωo)，相应基波频率功率(Pωo)经环形器传输至双波段天线A；双波段天线B接收基波频率信号(Vωo)，激励整流器产生直流电压(Vo_1)、二次谐波频率信号(V2ωo)；直流电压(Vo_1)经滤波电容(CL)传输至负载电阻(RL)端；直流电压(Vo_1)传输至电压比较器(COMP)负极输入端；因四分之一波长短路支节开路作用于匹配电路(Lm、Cm)连接处，二次谐波频率功率(P2ωo_1)经滤波电容(CL)反射至双波段天线B，实现二次谐波频率功率(P2ωo_1)反馈；双波段天线A接收二次谐波频率功率(P2ωo_1)反馈，经环形器传输至控制器。
步骤2)：线性扫描直流偏置电压(Vdc_n)n次(n大于等于1，具体次数可以根据实际情况调整)，当控制器不再捕获二次谐波频率功率(P2ωo_n)，控制器维持直流偏置电压(Vdc)，实现具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统，维持整流器最佳输入功率及整流效率。在通常情况下，直流偏置电压(Vdc_n)递增间隔(Vdc_n-Vdc_n-1)越小，实现自动调控二次谐波反馈精度越高。
本发明提出了一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括功率源、环形器、第一双波段天线及控制器，接收端包括第二双波段天线、整流器及自动调控二次谐波反馈电路；整流器包括匹配电路、肖特基二极管、滤波电容及负载电阻；自动调控二次谐波反馈电路包括电压比较器、参考电压、晶体管、开关及四分之一波长短路支节。整流器输出电压随功率源增加而增加，当输出电压大于VREF时，电压比较器控制PMOS源漏极导通，单刀单掷开关开启，λ/4短路支节对二次谐波短路，第一双波段天线不再接收整流器二次谐波。与现有技术相比，本发明有益效果在采用电压比较器(COMP)、PMOS、SPST及四分之一波长短路支节自动调控二次谐波反馈，有助于实现一种紧凑型、高效率及距离自适应无线功率传输系统。
附图说明
图1现有技术的无线功率传输系统；
图2现有技术的整流器电路原理图；
图3本发明具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统；
图4本发明整流器整流效率与输入功率关系。
具体实施方式
下面结合实施例及本发明工作原理作进一步说明。
图2所示为常见整流器电路原理图，包括匹配电路(Lm、Cm)、肖特基二极管(D0)、滤波电容(CL)及负载电阻(RL)；肖特基二极管(D0)作为整流器关键器件能够实现高整流效率。当整流器接收基波频率功率(Pωo)相应基波频率信号(Vωo)幅度超过肖特基二极管(D0)开启电压(Vth)时，D0产生直流电压(V0)，并通过滤波电容(CL)输出在负载电阻(RL)端。随着基波频率信号(Vωo)相应基波频率功率(Pωo)增加，整流器产生直流电压(V0)增加，整流器整流效率增加，当基波频率信号(Vωo)电压幅度超过肖特基二极管(D0)截止电压(Vbr)时，V0将不再增加，整流效率出现突变并随着基波频率功率(Pωo)增加而不断减少。通常情况下，整流器射频至直流功率转换效率(η)随着基波频率功率(Pωo)变化曲线由图4表示，开启电压(Vth)贡献最佳基波频率输入功率(Pωo_optimal)前η的增加；最佳基波频率输入功率(Pωo_optimal)对应最大整流效率(ηmax)；截止电压(Vbr)贡献最佳基波频率输入功率(Pωo_optimal)后η的减少。因此，在最佳基波频率输入功率(Pωo_optimal)时，效率(η)突变，如公式(1)所示，即相对应负载电阻(RL)端直流电压(V0)被截止电压(Vbr)限制不再增加。
同时，肖特基二极管(D0)非线性特征可通过相应基波频率信号(Vωo＝Vscosω0t，ω0是基波频率)泰勒级数展开，如下
Vo＝x0+x1Vscosω0t+x2Vs 2cos2ω0t+… (2)
其中，x0、x1、x2为泰勒级数展开各项系数，x2V2 scos2ω0t主要贡献公式(1)中直流电压(V0)。同时，x2V2 scos2ω0t也主要贡献二次谐波频率信号(V2ωo)产生，经滤波电容(CL)反射至双波段天线B，实现二次谐波频率信号(V2ωo)反馈，如图2所示(V2ωo对应蓝色箭头)。二次谐波频率信号(V2ωo)与公式(1)整流效率(η)、直流电压(V0)随着基波频率功率(Pωo)具有相同变化关系。选择参考电压[VREF＝Vbr/2，Vbr/2为最佳输入功率(Pωo_optimal)及整流效率(ηmax)下负载电阻(RL)输出电压V0]可实现在不同整流器接收功率下自动调控二次谐波反馈。因此，在不同发射、接收天线间距离(d)变化条件下，通过控制器扫描直流偏置(Vdc)，改变功率源输出基波频率功率(Pωo)激励双波段天线A、B以及整流器，当双波段天线B不再接收二次谐波频率信号(V2ωo)时，最佳输入功率(Pωo_optimal)及整流效率(ηmax)得以维持，实现一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统。
本发明提出了一种具有自动调控二次谐波反馈无线功率传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括功率源、环形器、第一双波段天线及控制器，接收端包括第二双波段天线、整流器及自动调控二次谐波反馈电路；整流器包括匹配电路、肖特基二极管、滤波电容及负载电阻；自动调控二次谐波反馈电路包括电压比较器、参考电压、晶体管、开关及四分之一波长短路支节。整流器输出电压随功率源增加而增加，当输出电压大于VREF时，电压比较器控制PMOS源漏极导通，单刀单掷开关开启，λ/4短路支节对二次谐波短路，第一双波段天线不再接收整流器二次谐波。与现有技术相比，本发明有益效果在采用电压比较器(COMP)、PMOS、SPST及四分之一波长短路支节自动调控二次谐波反馈，有助于实现一种紧凑型、高效率及距离自适应无线功率传输系统。
上述本发明的实施方式是本发明的元件和特征的组合。除非另外提及，否则所述元件或特征可被视为选择性的。各个元件或特征可在不与其它元件或特征组合的情况下实践。另外，本发明的实施方式可通过组合部分元件和/或特征来构造。本发明的实施方式中所描述的操作顺序可重新排列。任一实施方式的一些构造可被包括在另一实施方式中，并且可用另一实施方式的对应构造代替。对于本领域技术人员而言明显的是，所附权利要求中彼此没有明确引用关系的权利要求可组合成本发明的实施方式，或者可在提交本发明之后的修改中作为新的权利要求包括。
在固件或软件配置方式中，本发明的实施方式可以模块、过程、功能等形式实现。软件代码可存储在存储器单元中并由处理器执行。存储器单元位于处理器的内部或外部，并可经由各种己知手段向处理器发送数据以及从处理器接收数据。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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