Моделирование многоэлементных ректенн для приема энергии в диапазоне микроволн

На правах рукописиЯН ЧУНЬМОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ РЕКТЕННДЛЯ ПРИЕМА ЭНЕРГИИ В ДИАПАЗОНЕ МИКРОВОЛНСпециальность 01.04.03 -радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20072Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникСаввин Владимир ЛеонидовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорСлепков Александр Ивановичдоктор технических наук, профессорЧуян Ростислав КонстантиновичВедущая организация:Московский инженерно-физический институтЗащита диссертации состоится " 22 " марта 2007 г.

в 16 часов назаседании диссертационного совета Д.501.001.67 при МосковскомГосударственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г.Москва, Ленинские горы, МГУ, д.1, стр.2, физический факультет, Физическаяаудитория им Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научной библиотекеим. А.М. Горького МГУ им.

М.В. Ломоносова (физический факультет)Автореферат разослан""Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук,доцент2007 г.А.Ф. Королев3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. Актуальность диссертационной работы связанас растущим интересом к возможности беспроводной передачи энергии спомощью направленного микроволнового излучения для наземных икосмических применений.

Микроволновый диапазон дает возможностьсущественно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличаетсявысоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразованияэнергии электромагнитного излучения. Ряд перспективных проектовмикроволновой передачи энергии разрабатываются в США, Японии и ЕС.Главное требование к микроволновой передаче энергии заключается вдостижении высокого КПД при одновременном обеспечении безопасности,экологической чистоты и электромагнитной совместимости передачи энергии.Уровень фонового излучения и боковых лепестков передающих антенныхсистем должны соответствовать требованиям стандартов безопасности.

Дляэффективного управления уровнем фонового излучения в крупномасштабныхпроектах солнечной космической энергетики предполагалось использоватькоррекцию и оптимизацию амплитудного и фазового распределений напередающей антенне. Разработка проектов микроволновой передачи ссущественно меньшим уровнем мощности, рассчитанных на реализацию вближайшей перспективе, вызывает необходимость детальных исследований ихфизических свойств, эффективности и экологической безопасности.Целью работыЦелью диссертационной работы является исследование:направленности многодипольных приемных антенных решеток ивлияние ряда факторов (числа диполей, их конфигурации ивзаимного расположения, дефектов отдельных диполей в системахи т.п.);диаграмм направленности и эффективности многодипольныхприемных ректенн с пространственно развитыми антеннымиэлементами в зависимости от их конфигурации и взаимногорасположения;приемных ректенн с микрополосковыми дисковыми антеннами ивозможности уменьшения обратного переизлучения гармоникосновной частоты.Научная новизнаВпервые предложены многодипольные приемные ректенны для системмикроволновой передачи энергии с неоднородным распределением плотностиэлектромагнитного излучения в плоскости приема.

Показано, что их приемные4характеристики (диаграмма направленности, эффективность приема излучения)заметно отличаются от характеристик ректенны с полуволновым диполем изависят от числа диполей в ректенне, их взаимного расположения,диэлектрических свойств подложки, дефектов отдельных диполей и др.Показано, что выбор оптимального расстояния между диполями, ихконфигурации и способа подключения полупроводникового диода обеспечиваетконструкцийректеннсвысокуюэффективностьпредложенныхпространственно развитыми антенными элементами (до 96%).Установлено, что использование в дисковой микрополосковой антеннещелей, направленных вдоль линий тока для основной моды ТМ11, даетвозможность в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения дисковойантенны на удвоенной частоте.Научная и практическая значимостьРезультаты диссертационной работы дают возможность прогнозироватьприемные характеристики ректенных элементов для экологически безопасныхсистем микроволновой передачи энергии с неоднородным распределениемплотности электромагнитного излучения в плоскости приема.Применение многодипольных ректенн, содержащих несколько диполей,нагруженных на один полупроводниковый диод, даст возможность повыситьэффективность обратного преобразования микроволн в электрический ток врезультате увеличения высокочастотной мощности на диоде Шоттки.

Однакоэто потребует более тщательного позиционирования и юстировки приемныхсистем на передающую антенну.Применение ректенны с дисковой микрополосковой антенной уменьшаетв 4-5 раз уровень переизлучения кратных гармоник рабочей частоты,возникающих на полупроводниковом диоде в процессе преобразованиямикроволн в постоянный ток. Использование щелей, направленных вдольлиний тока для основной моды ТМ11, дает возможность дополнительно вчетыре раза уменьшить интенсивность возбуждения дисковой антенны наудвоенной частоте.Защищаемые положения1.

Для достижения высокой эффективности наземных микроволновыхлиний передачи энергии с мощностью 10-100 кВт и безопасным уровнемфонового излучения наиболее рациональноиспользовать ректенны смногодипольными антеннами, обеспечивающие оптимальный уровень входноймощности на диоде Шоттки.2.

Диаграммы направленности многодипольных ректенн сужаются приувеличении числа дипольных элементов (до 15-20° на частоте 2,45 ГГц) изначительно отличаются от диаграммы направленности ректенного элемента с5одиночным диполем. Применение многодипольных ректенн в наземных линияхпередачи энергии потребует более тщательного позиционирования и юстировкиприемных систем на передающую антенну.3. Выбор оптимального расстояния между диполями, конфигурациидиполей и расположения выхода антенного элемента обеспечивает высокуюэффективность приема микроволн ректеннами с пространственно развитымиантенными элементами (до 96%).щелей,4. Использование в дисковой микрополосковой антенненаправленных вдоль линий тока для основной моды ТМ11, дает возможность вчетыре раза уменьшить интенсивность возбуждения антенны на удвоеннойчастоте.Апробация работы и публикацииОсновные результаты исследований, изложенные в диссертации,докладывались автором на IX Всероссийской школе-семинаре «Волновыеявления в неоднородных средах» (24-29.05.2004), X Всероссийскойшколе-семинаре «Физика и применение микроволн» (23-28.05.2005), XВсероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах»(22-27.05.2006), Научной сессии МИФИ-2005 (24-28.01.2005), Научной сессииМИФИ-2006 (23-27.01.2006), Научной сессии МИФИ-2007 (22-26.01.2007) иопубликованы в трудах этих конференций, а также в препринтах Физическогофакультета МГУ:Ян Чунь, В.Л.

Саввин, Направленность ректенных решеток спространственно развитыми антенными элементами//Препринт Физическогофакультета МГУ, №11/2006, стр.1-29, 2006;Ян Чунь, В.Л. Саввин, Моделирование дисковых микрополосковыхректенн//Препринт Физического факультета МГУ, №14/2006, стр.1-18, 2006.Статья«Направленностьмногодипольныхантеннвсистемахмикроволновой передачи энергии» направлена в журнал «Вестник МГУ, серияфизика, астрономия».Материалы работы неоднократно докладывались и обсуждались нанаучных семинарах кафедры радиофизики МГУ им. М.В. Ломоносова.Структура и объем диссертации. Диссертационная работа (129страниц)состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (82 ссылки),иллюстрирована 79 рисунками и содержит 14 таблиц.6ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫГлава 1 посвящена обзору научных публикаций по проблемам иперспективам микроволновой передачи энергии.

В параграфе 1.1 изложенакраткая история развития беспроводной передачи энергии. В параграфе 1.2обсуждаются проблемы и перспективы солнечной космической энергетики,включая проекты солнечных космических электростанций. Обзор работ поэкспериментальным микроволновым системам передачи энергии проведенпараграфе 1.3. Вопросы безопасности микроволновой передачи энергии иплотности потока энергии направленного микроволнового излученияобсуждаются параграфе 1.4.Глава 2 посвящена теоретической модели для расчета поля излучения наапертуре приемной антенны.В параграфе 2.2 рассмотрена осе-симметричная модель микроволновойпередачи с линейной поляризацией электрической поля. Знание распределенияэлектрического поля на передающей антенне Eˆ A дает возможность определитьраспределение поля в приемной области Eˆ :Rk r2 R 1′2kr−j− jk − j (k D+ 2D ) ˆk rr′2Dˆ′(1)ER (r) =eEreJ()()r′dr′0∫0 ADDгде Eˆ A = E Ae jΨ A , Eˆ R = ER e jΨ R , EA и ER - распределения амплитуды поля вплоскости передающей и приемной антенн; Ψ A и Ψ R - соответствующиераспределения фазы поля, D – расстояние между антеннами, J 0 ( z ) - функцияБесселя нулевого порядка, r – радиус в цилиндрической системе координат, R1- радиус передающей антенны.Для дискретного распределения амплитуды поля на передающей антенне ввиде N концентрических колец распределение поля в приемной области имеетвид:kR12 N(2)ER (r ) = Emax∆ε n xn2 Λ1 (2τ xn r / R2 )∑2 D n=1гдеEmax = max { En } ;и∆εn = εn −εn+1; εn = En / Emaxxn = rn / R1относительная амплитуда и радиус n-го кольца.Полная мощность излучения, перехваченная приемной ректенной, имощность, излученной передающей антенной, могут быть определенысуммированием по соответствующей апертуре:PR = p Aπ R21NN∑∑∆ε n xn2 I nmn =1 m =1PT = p Aπ R21N∑ ∆εn =1nxn2(3)(4)72τ2где I nm = xn xm ∫ J1( xn z )J 2 ( xm z )z −1dz , p A = Z 0−1Emax(максимальная плотность0и xn = rn / R1 мощности на передающей антенне), ∆εn = εn −εn+1; εn = En / Emaxотносительная амплитуда и радиус n-го кольца.В параграфе 2.3 приведены результаты моделирования поля излучения дляназемной линии передачи с мощностью 10 кВт.

Плотность мощностипадающего излучения заметно изменяется на апертуре приемного антенны (до10 дБ). Нарис. 1 представлены результаты моделирования плотностимощности микроволн в приемной плоскости в зависимости от радиуса. Вцентре приемной антенны плотность мощности микроволн максимальна иравна 3.0 мВт/см2 , к краю антенны (r=17 м) она уменьшается до 0,35 мВт/см2 .Плотность мощности микроволн в максимумах боковых лепестков непревышает 0.02 мВт/см2 , что существенно ниже стандарта на безопасноемикроволновое излучения как стран Запада, так и стандарта КНР.Рис. 1. Распределение плотности мощности микроволн в плоскостиприемной антенны в зависимости от радиуса.В параграфе 2.4 обсуждаются проблемы эффективности преобразованиямикроволнового излучения в электрический ток, вызванные неоднородностьюРис. 2.