Преобразователь энергии электромагнитной волны свч-диапазона в постоянное напряжение

Изобретение относится к технике дистанционной передачи и преобразования сверхвысокочастотной электромагнитной энергии в электрическую энергию постоянного тока и может применяться в выпрямителях малой мощности. Преобразователь энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение содержит антенну и выпрямитель, имеющий N ступеней умножения напряжения и содержащий 2·N либо 4N вентильных элементов. В качестве вентильных элементов выпрямителя применяются диоды с кусочно-линейной вольт-амперной характеристикой, имеющей излом при 0 В, задаваемой выражением I=S1·U при U>0 и I=S2·U при U≤0, где S1 и S2 - постоянные коэффициенты. Отношение коэффициентов S1/S2 составляет не менее 100 при величине коэффициента S1 от 10-4 Ом-1 до 10-2 Ом-1. Изобретение позволяет обеспечить технический результат - увеличение эффективности преобразования выпрямителем переменного напряжения в постоянное в 3…10 раз при мощности входного сигнала менее 20 мкВт и возможность согласования выпрямителя с антенной без использования дополнительного трансформатора в диапазоне выходных сопротивлений антенны от 20 до 1000 Ом. 2 ил.

 

Изобретение относится к технике дистанционной передачи и преобразования сверхвысокочастотной электромагнитной энергии в электрическую энергию постоянного тока и может применяться в выпрямителях малой мощности.

Известны преобразователи энергии электромагнитного поля в постоянное напряжение, содержащие матрицу из полупроводниковых диполей, нанесенную на оболочку (см. RU 2335061, кл. Н02J 17/00, 27.09.2008). Также известны преобразователи переменного напряжения в постоянное напряжение, основанные на электровакуумных вентилях (см. RU 2114484, кл. Н02J 45/00, 27.06.1998), работающие при напряжении от единиц вольт и токе до десятков ампер. Недостатком таких преобразователей является низкая эффективность преобразования при входной мощности менее 100 мкВт.

Наиболее близким техническим решением является источник питания пассивной метки радиочастотной идентификации (см. US 2005/0231438, кл. G08В 13/14, 20.10.2005). Он состоит из приемной антенны и выпрямителя с умножением напряжения на 2N, где N=1…3, причем в качестве вентильных элементов применяются диоды с барьером Шоттки. Данный преобразователь позволяет получать выходное напряжение 1 В при мощности сверхвысокочастотного сигнала на входе более 20 мкВт. Недостатком данного источника питания является отсутствие выходного напряжения при мощности входного сигнала менее 20 мкВт. Другим недостатком данного устройства является отсутствие возможности изменять входное сопротивление преобразователя в широких пределах, что приводит к необходимости применения приемных антенн с выходными сопротивлениями 50…300 Ом для обеспечения хорошего согласования сопротивлений.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является увеличение эффективности преобразования выпрямителем переменного напряжения в постоянное в 3…10 раз при мощности входного сигнала менее 20 мкВт и обеспечение возможности согласования выпрямителя с антенной без использования дополнительного трансформатора в диапазоне выходных сопротивлений антенны от 20 до 1000 Ом.

Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователе энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение, содержащем антенну и выпрямитель, имеющий N ступеней умножения напряжения и 2·N либо 4N вентильных элементов, в качестве вентильных элементов выпрямителя применяются диоды с кусочно-линейной вольт-амперной характеристикой, имеющей излом при 0 В. Такая вольт-амперная характеристика задается выражением I=S1·U при U>0 и I=S2·U при U≤0, где S1 и S2 - постоянные коэффициенты. Отношение коэффициентов S1/S2 составляет не менее 100. Величина коэффициента S1 составляет от 10-4 Ом-1 до 10-2 Ом-1 исходя из требования согласования выходного сопротивления приемной антенны Raнт с входным сопротивлением выпрямителя Rвх.

На фиг.1 приведен пример электрической схемы однополупериодного преобразователя энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение.

На фиг.2 приведены вольт-амперные характеристики вентильных элементов.

Работа преобразователя энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение осуществляется следующим образом. Преобразователь энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение, приведенный на фиг.1, содержит антенну и выпрямитель, имеющий 3 (N=3) ступени умножения напряжения и содержащий 6 вентильных элементов. Преобразователь может быть выполнен также по двухполупериодной схеме с умножением на 4N. Цепь C1D1D2 (фиг.1) представляет собой выпрямитель с умножением амплитуды входного переменного напряжения Uвх на 2. Значение выпрямленного напряжения UC8≈2(Uвх-UD), где UD - падение напряжения на диоде. Цепь C2C4D3D4 является второй ступенью умножения амплитуды входного переменного напряжения Uвх. В результате постоянное напряжение на выходе второй ступени равно UC7,C8≈4(Uвх-UD). Выходное напряжение выпрямителя, приведенного на фиг.1, можно представить в виде

где UD≥Uп, N=3 - количество ступеней умножения амплитуды входного напряжения.

Вольт-амперная характеристика вентильных элементов, примененных в прототипе, приведена на фиг.2 на кривой 1, а вольт-амперная характеристика вентильных элементов предложенного преобразователя приведена на кривой 2.

Различают эффективность выпрямителя переменного напряжения, которая определяется отношением мощности выходного выпрямленного тока к мощности входного переменного напряжения, и полную эффективность преобразователя, равную отношению мощности выпрямленного тока к мощности, отдаваемой приемной антенной в выпрямитель, имеющий входное сопротивление Rвх, равное выходному сопротивлению антенны Raнт. Полная эффективность преобразователя зависит от качества согласования выходного сопротивления антенны с входным сопротивлением выпрямителя СВЧ-сигнала и эффективности выпрямителя.

Благодаря тому, что у диодов с кусочно-линейной ВАХ пороговое напряжение Uп=0, падение напряжения на диодах UD в выражении (1) оказывается меньше по сравнению с диодами с барьером Шоттки, а значение выходного напряжения Uвых выше, что подтверждено расчетами и результатами экспериментов. Это позволяет достичь заявляемого технического результата в части эффективности выпрямителя.

Для обеспечения высокой полной эффективности преобразователя необходимо согласование выходного сопротивления приемной антенны Raнт и входного сопротивления выпрямителя Rвх. Так как в зависимости от конструкции приемные антенны могут иметь выходное сопротивление от десятков Ом до единиц кОм, может потребоваться проектирование выпрямителя с заданным входным сопротивлением. Величина входного сопротивления выпрямителя определяется соотношением значений S1 и S1/S2. При этом отношение коэффициентов S1/S2 не менее 100. При меньших значениях отношения S1/S2 уменьшается величина постоянного напряжения на выходе выпрямителя, что приводит к невозможности получения указанного технического результата.

Для осуществления изобретения в качестве вентильных элементов могут быть использованы резонансно-туннельные диоды с кусочно-линейной формой вольт-амперной характеристики. Возможность получения таких диодов была показана авторами (Ю.А.Иванов, Н.В.Федоркова, В.А.Шалаев. Наноэлектроника в СВЧ нелинейных преобразователях для радиолокации. Тезисы доклада. «Радиооптические технологии в приборостроении». 1 Научно-техническая конф. Тез. докл. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - С.15-19).

Преобразователь энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение, содержащий антенну и выпрямитель, имеющий N ступеней умножения напряжения (где N - целое число), содержащий 2N либо 4N вентильных элементов, отличающийся тем, что в качестве вентильных элементов применяют диоды с кусочно-линейной вольт-амперной характеристикой, имеющей излом при 0 В, задаваемой выражением I=S1·U при U>0 и I=S2·U при U≤0, где S1 и S2 - постоянные коэффициенты, причем отношение коэффициентов S1/S2 составляет не менее 100 при величине коэффициента S1 от 10-4 Ом-1 до 10-2 Ом-1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и предназначено, в частности, для преобразования переменных напряжения и тока в постоянные. .

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока, преимущественно с низковольтным питанием.

Изобретение относится к электротехнике и силовой преобразовательной технике и может быть использовано в качестве преобразователя переменного тока в постоянный для питания потребителей с повышенными требованиями к качеству выпрямленного напряжения и электромагнитной совместимости.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к надежности преобразователя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания электронно-лучевого оборудования и в других областях промышленности, где требуются мощные источники питания с высоким напряжением.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока. .

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может найти применение в устройствах регулирования выходного напряжения на шинах тяговых подстанций электрифицированных железных дорог постоянного тока.

Изобретение относится к области прикладной преобразовательной техники и может быть использовано для расширения функциональных свойств источников электропитания, получающих применение при эксплуатации и ремонте автомобилей.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике. .

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования напряжения, и может быть использовано для питания различных устройств, где требуется высокое напряжение

Изобретение относится к области преобразовательной техники, может использоваться в качестве вторичного источника питания, в том числе в устройствах управления светодиодным освещением

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрямителей для регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока для станков для повышения их быстродействия, а также на преобразовательных подстанциях для питания электрифицированных железных дорог, в электрометаллургической и химической отраслях промышленности для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшения содержания высших гармонических составляющих в кривой переменного тока в трехфазной сети. Технический результат заключается в создании такой архитектуры преобразователя, которая позволяет сократить расход активных материалов при замене трехфазного группового трансформатора трехстержневым, что в итоге позволит улучшить весогабаритные показатели преобразователя, упростить конструкцию преобразователя и технологию его изготовления. Для этого заявленный пятифазный преобразователь числа фаз состоит из трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки, которые соединены по схеме «звезда» и подключены к трехфазной сети с нулевым проводом «0», шесть соединенных между собой основных катушек вторичных обмоток, одну дополнительную катушку вторичной обмотки и отпайки от витков основных катушек вторичных обмоток, которые совместно с выходным зажимом дополнительной катушки вторичной обмотки создают симметричную пятифазную систему напряжений. Каждая основная катушка вторичной обмотки трансформатора является стороной «шестиугольника» А, В, С, D, Е, F, преобразующего симметричную трехфазную систему напряжений в симметричную шестифазную систему напряжений, при этом дополнительная катушка вторичной обмоки своим началом подсоединена к узлу контура «шестиугольника», который не связан с основными катушками вторичной обмотки той фазы, на стержне которой находится дополнительная катушка вторичной обмотки. 2 ил.

Источник питания включает в себя две или больше входных форм колебаний, которые имеют форму или которые выбирают так, чтобы после раздельного подъема их уровня и выпрямления их совокупная комбинация приводила бы к получению выходной формы постоянного тока, по существу, с отсутствующими пульсациями. Источник питания может содержать генератор формы колебания, каскад преобразования уровня для преобразования на повышенный уровень или пониженный уровень, выпрямительный каскад и объединитель. Генератор формы колебаний может генерировать взаимодополняющие формы колебаний, предпочтительно идентичные, но смещенные по фазе друг от друга так, что после того как взаимодополняющие формы колебаний будут преобразованы по уровню, выпрямлены и совокупно скомбинированы, их сумма будет постоянной, так что не требуется сглаживание или требуется минимальное сглаживание для генерирования выходной формы постоянного тока. Преобразование уровня может осуществляться с использованием трансформаторов или цепей с переключаемым конденсатором. Обратная связь из выходной формы постоянного тока может использоваться для регулирования характеристик входных форм колебаний. 5 н. и 50 з.п. ф-лы, 18 ил.
Наверх