发展100 mW-Class 94 GHz高效系列整流器Finline饲料的微型无人机的应用程序

文摘

无线电力传输(WPT)是一个解决方案,实现飞行时间长,容纳各种任务的micro-uncrewed飞行器(小牛)。减少电力传输距离的约束,实现梁效率高是有可能的,因为高指向性的WPT使用毫米波(毫米波)方法。然而,没有相关文献描述了调查报告的发送功率飞行器使用毫米波因为毫米波微波低效率。我们的研究的目的是进行基础研究的高效率和高功率微波在94 GHz使用毫米波针对飞行器应用程序。所描述的,我们开发和评估一个100 mw类single-diode整流器94 GHz的finline波导(WG)微带(韩剧)传感器。150Ω的最佳负载输入功率128兆瓦的电力,输出直流电源和整流效率分别获得了41.7 mW和32.5%。早期研究相比,测量94 GHz整流器在高输入功率通过这个研究变得更加准确。

1。介绍

近年来,micro-UAVs(小牛)广泛开发。它们用于各种应用程序,从商业到军队。其中,某些类型重量不到100克,这使得它们廉价和容易使用。然而,由于载荷小,安装电池是一个约束,迫使小牛的飞行时间短。一个解决方案来解决这个约束将权力从地基到无人机使用无线电力传输(WPT)。使用磁共振,WPT可以发送足够的稳定力量推动无人机,但不能实现远距离传输。此外,它限制了自由飞行的小牛。然而,WPT使用射频能量可以减少的距离限制。作为研究无人机的一个例子,一个输电实验从地面到一个小飞机(大幅)[1据报道在加拿大。此外,京都大学进行了输电实验模型飞机和飞艇(2]。在我们的研究小组,WPT小牛进行微波地区(3,4]。根据梁效率(5Friis传输方程,引入的),操作频率就越高,更有效地实现WPT。Shimamura等人介绍了关系操作的微型飞机的大小和接收到的功率比小牛(6),见以下方程:

在这个方程,η_T,年代,f,D_T,c,d分别表示梁效率,飞行器机翼面积,操作频率、发射天线直径,光速,和传输距离。使用方程和一个飞行器(HS210;圣石),我们计算和比较两个操作频率下的接收功率:5.8 GHz和94 GHz。使用的参数,并给出了计算结果表1。从结果可以推断,频率越高,能产生较高的传动效率,考虑到相同的传输距离。,关系表明毫米波(毫米波)传输的优越性。在毫米波可供使用,94 GHz的大气窗口。因此可能有效小牛传输能量的频率。然而,没有研究检验了小牛在94 GHz的传播力量,因为天线方向性太高了(7,8),因为整流效率太低了。此外,在毫米波电路、振荡器的导体和介质损耗和输电线路部分成为微波比有关。此外,在二极管转换效率很低。因此,微波的转换效率降低。研究领域的毫米波功率无线电力传输仍然不足相比,微波功率(9- - - - - -12]。

毫米波电路有一个短的波长。因此,电路很小,很难制造设计。创建这样一个小电路,改进电路整流元素由安装在一个半导体衬底使用CMOS技术(13- - - - - -16]。然而,这些技术的整流器耐压较低。许多元素必须获得所需能源的一个微型飞机或卫星。出于这个原因,担心体重增加和成本。此外,即便使用GSG探测器,它通常用于供电平面电路,大耐压,因为无法实现最大功率,可以输入仅限于几毫瓦随着频率的增加。甚至在研究使用打包砷化镓肖特基二极管(17),100 mW类整改并没有意识到在94 GHz。一项研究使用另一个二极管(18),大功率振荡源振动陀螺仪用于供应高功率微波从而达到100兆瓦类输入。然而,困难依然存在,因为整流电路和天线不能单独评估:准确的绩效评估和设计修改是困难;此外,整流效率低至20%。

我们的研究的目的是进行基础研究的高效率和高功率微波在94 GHz,针对飞行器使用毫米波应用程序。较早的研究(19),我们开发了94 GHz微波使用微带线(实验室)。首先,我们使用finline捏造系列整流器提要,它是一个波导- (WG)微带线(韩剧)传感器,图的底部所示1100年,实现mW-class整流器的输入。然而,整流器的整流效率不匹配的微波在早些时候的研究。这是真的,因为我们使用一个开放的存根作为第二次谐波陷波滤波器,因为finline传输效率研究中并不准确(20.]。

在目前的研究中,我们评估了finline准确传输效率,开发了一个94 GHz整流,实现100年mW-class输入。finline实现单独的评估一个整流器和一个天线,产生提高设计精度微小的毫米波微波。我们选择一个系列整流器考虑低转换效率的二极管和大型插入损耗直流块在毫米波地区。后评估finline的传输效率,整流效率和功率测量。整流效率(η使用方程(rec)计算2)。同时,P_在,P_直流,P_o,η_鳍,一个_r,一个_t,λ,d分别表示输入功率整流器,整流直流电源(P_直流从振荡器)测量,获得的权力,finline的传输效率,有效面积的接收天线,发射天线的有效面积,波长和传输距离。整流效率的整流效率相比,微波在早前的一项研究[21]。

2。94 GHz整流器的设计

微带线(韩剧)作为输电线路,因为很容易制造印刷电路板(PCB)和易于使用的过滤器的设计和存根。考虑到一个直流块的插入损耗与毫米波一single-diode串联整流是选择和捏造。两个过滤器将增加整流器整流效率,呈现在图2。第二次谐波陷波滤波器(过滤器1)是用来防止二次谐波,在二极管,来自回流到输入端口。此外,过滤器,它包含一个简短的存根,扮演的角色维护顶部和底部之间的电传导层。基本谐波陷波滤波器(过滤器2)是用来防止基本谐波流出直流端口。过滤器2有窄线宽比其他部分的电路,这有助于减少结的不连续的影响(22]。火星科学实验室将损失增加线条宽度变窄。因此,选择一个适当的线宽导致效率高。我们比较两个版本:W_年代= 0.1和0.15毫米。我们使用一个衬底(相对介电常数ε_r= 2.19,损耗角正切 94 GHz,铜厚度= 18毫米;人大F220CJ;日本支柱包装有限公司)。肖特基势垒二极管(MA4E1310;Macom)被选为一个二极管,因为它的耐用性和反应性在w频段大功率驱动。几个肖特基势垒二极管参数表2。

过滤器2是模拟使用有限元方法(FEM)和电磁仿真器(EMPro;Keysight Technologies Inc。),如左边面板的图所示3。有限元法实现精确建模的毫米波地区,但它不能模拟非线性二极管等设备。我们只模拟实验室的元素。结果显示在右面板图3。实际上,比0.15毫米0.1毫米显示更好的滤波特性的操作频率94兆赫。因此,我们描述了制造的0.1毫米宽过滤器2在后面的章节。

3所示。效率测量和讨论

3.1。Finline传输效率

在这项研究中,一个finline [21- - - - - -23)是用来输入功率整流器。它实现大功率操作。尽管finline是必要的传输效率评价整流效率,不可能测量finline传输效率(η_鳍火星科学实验室)直接因为结束finline形状。此外,它是不可能连接到w频段的WG端口矢量网络分析仪(VNA)。因此,finline-MSL-finline (FMF)样本,是描绘在图4,是捏造的,允许连接。此外,消除损失效应在实验室,我们的三个FMF火星科学实验室样品用不同的长度(40毫米,61毫米和82毫米)和比较他们的传输效率。结果表明,与韩剧损失单位长度进行了计算。纯finline传输效率是评价使用方程(3)。

FMF的照片样品呈现在图5。w频段VNA (PNA-X N5247;Keysight Technologies Inc。)用于FMF样本测量效率。支持由硬铝用于连接示例,WG VNA的港口。火星科学实验室将补偿长度影响,支持旨在改变它的长度仅仅通过插入一个联合21毫米的长度。表中给出的结果是3。测量finline传输效率为85%。这个效率是用在整流效率测量在下一节中描述。

3.2。整流器整流效率

图6显示的测量配置。94 GHz / 400 mW振荡器和外差式探测器(TR-10/94 / x ELVA-1)用于测量。输入功率和电压的整流电路可以同时使用定向耦合器(D.C.1)之前把电源整流电路的输入。另一个定向耦合器(D.C.2)和一个衰减器(Att)用于衰减功率振荡器和满足的上限检测器的输入。华盛顿特区的主要方向2is terminated to eliminate the effect of the open end. Output power from the oscillator is input to the circuit through the finline, which has transmission efficiency of 85% from measurements. Variable resistance is used as the load resistance. The output DC voltage across the resistance is measured using a voltmeter. Using equation (4)、整流效率( )可以计算。测量直流电压( ),负载电阻( ),测量功率检测器( ),finline传输效率( ),传动效率的主要方向( ),和传输效率的耦合方向( )包括在方程(4)。此外,和被提前VNA测量,测量在前面的部分。图7显示和vs。 。当负载电阻为150Ω输入功率128兆瓦的电力,整流效率获得了32.5%。在这种情况下,输出直流电源为41.7兆瓦。这个值约等于微波的结果在一个早期的研究(19),27.4%。因此,测量94 GHz整流器在高输入功率通过这个研究变得更加准确。

这项研究的结果发表在表4除了这些早期的研究检查了这个主题。在相同的频率,效率是世界上第二高;输出被发现是有史以来最高价值报告。实际上,波长在94 GHz短,可以促进生产的小电路。此外,我们的最高输出可以为应用程序来小牛产生极大的好处。这项工作与其他的比较研究表明,94 GHz频率较低的整流器显示低性能,因为大损失的二极管和输电线路(图8):

4所示。结论

我们开发了一个100 mW-class 94 GHz系列整流器使用毫米波针对飞行器应用程序。其整流效率评估集成之前,制造使用finline FMF样本,传输的效率被推断为85%。当输入功率为128 mW,整流器的输出直流电源和整流效率( )分别得到了41.7 mW和32.5%。输出功率是世界上价值最高的报告日期:94 GHz。比较的结果本研究的早期研究显示,测量94 GHz整流器高功率输入给更好的精度。

数据可用性

数据可以在开放存取库DOI在审查过程。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由一个jsp支持科学研究补助金(批准号JP15H05770)、包装、日本支柱和“纳米技术平台日本”的教育,文化,体育,科学和技术(下边了),在武田洁净室的帮助下纳米加工平台VLSI设计中心和教育中心(VDEC),东京大学。

引用

1. g . w . Jull“犀利总结报告(固定高空中继平台)技术可行性部分microwave-powered飞机、“科技代表、通讯研究中心,渥太华,加拿大,1985年,儿童权利公约的报告没有。1393。视图:谷歌学术搜索
2. h .松本:岩石,m . Fujita t .藤原,和t .佐藤,“微波解除飞机试验有源相控阵天线,“技术代表、京都大学,京都,日本,1995年,MILAX报告。视图:谷歌学术搜索
3. 小松,k . Katsunaga r .小泽k . Komurasaki y荒川,“输电微型飞行器,”张仁学报45航天科学会议和展览(AIAA-Paper 2007 - 1003)内华达州里诺市2007年1月。视图:谷歌学术搜索
4. s . Nako k .奥田硕k . Miyashiro k . Komurasaki h .小泉,“无线电力传输的microaerial车辆微波有源相控阵,“国际期刊的天线和传播374543卷,2014篇文章ID, 5页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. n筱原“梁效率的无线电力传输通过无线电波从短期到长期,”电磁工程和科学杂志》上,10卷,不。4、224 - 230年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. k . Shimamura h . Sawahara a Oda et al .,“可行性研究微波无线微型飞行器动力飞行,”无线电力传输,4卷,不。2、146 - 159年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. C.-J。彭,S.-F。杨,A.-C。黄,郭宏源。黄,P.-J。钟,F.-M。吴”,谐波增强位置检测技术与谐振器耦合能量收获接收机设计,”IEEE无线电力传输研讨会论文集(WPTC),1 - 3页,台北,台湾,2017年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. h·张,y。郭,S.-P。高,和w·吴”,无线电力传输天线校准使用三次谐波,”IEEE微波和无线组件信件,28卷,不。6,536 - 538年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. t.w。Yoo和k . Chang”理论和实验的发展10到35 GHz依,“IEEE微波理论和技术,40卷,不。6,1259 - 1266年,1992页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 24 k .波多野“发展ghz频带,这些频带MMIC微波,”《无线电和无线研讨会(遥控武器站),50卷,页199 - 201,IEEE,奥斯汀,TX,美国,2013年1月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 黄懿慧Suh k . Chang,“高效双频微波为2.45——5.8 - ghz无线电力传输,”IEEE微波理论和技术,50卷,不。7,1784 - 1789年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. s族、美国Hemour, k . Wu”对毫米波无线能源高效精馏收获,”《2013年IEEE国际无线研讨会(手册),7 - 10页,北京,中国,2013年4月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. H.-K。邱和I.-S。陈,“高效双频芯片上的微波为35 - 94 - 0.13 - ghz无线电力传输μm CMOS技术。”IEEE微波理论和技术,卷。58岁的没有。12日,第3606 - 3598页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. n . Weissman s詹姆逊,大肠Socher“w频段CMOS芯片上的能量收割机和微波”2014年IEEE MTT-S国际微波学报》研讨会(2014年IMS)美国佛罗里达州坦帕,页1 - 3,,2014年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. h·高,Johannsen, m . k . Matters-Kammerer et al .,“60-GHz微波为单片无线传感器标签”《2013年IEEE国际研讨会上电路和系统(ISCAS 2013),第2799 - 2796页,北京,中国,2013年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. h·高,m . k . Matters-Kamrnerer p竖琴et al .,“71 GHz射频能量收获标签与8%的效率在65纳米CMOS无线温度传感器,”学报2013年IEEE研讨会射频集成电路(芯片),第406 - 403页,西雅图,佤邦,美国,2013年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 美国Hemour、c·h·p·洛伦茨和k . Wu”群micro-robotics小型宽带94 GHz整流器,”《2015年IEEE MTT-S国际微波研讨会,5 - 8页,凤凰城,阿兹,美国,2015年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 遇到梦中人,m . Pilossof b Litvak et al .,”表征的肖特基二极管微波毫米波电力集束使用高功率辐射来源,”12日研讨会的诉讼磁测量和建模SMMM 2016年2016年10月,Częstochowa-Siewierz,波兰,。视图:谷歌学术搜索
19. k .松井k .藤原y Okamoto et al ., 94 GHz微带线微波的发展,”学报2018年IEEE无线电力传输会议(WPTC),页1 - 4,蒙特利尔,加拿大,2018年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. k·波多野:筱原t·米塔尼,“改善24 ghz频带,这些频带f级加载微波,”学报2012年IEEE MTT-S国际微波工作室系列无线电力传输:创新技术,系统和应用程序,页7 - 10,京都,日本,2012年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. j·h·c·范Heuven”,一个新的集成waveguide-microstrip过渡(短论文),“IEEE微波理论和技术,24卷,不。3、144 - 147年,1976页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. k .藤原t .小林,“低成本w频段宽带waveguide-to-microstrip的传感器和变频器”学报2016年全球研讨会毫米波段(GSMM) & ESA研讨会毫米波技术和应用程序,页1 - 4,埃斯波,芬兰,2016年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 日本专利申请号2016243600。

betway赞助

betway赞助版权©2020 Kosumo松井等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。