Моделирование многоэлементных ректенн для приема энергии в диапазоне микроволн (1103917), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ректенный элемент с однополупериодным выпрямителем на диоде сбарьером Шоттки, 1- полуволновой диполь, 2- отражающая поверхность, 3встроенный фильтр нижних частот, 4- диод Шоттки, 5- выходной фильтр, 6нагрузка в цепи постоянного тока.распределения плотности мощности микроволн в приемной плоскости.
Дляприема и преобразования микроволн обычно используются ректенны,8содержащие полуволновый диполь в качестве приемной антенны иполупроводниковый диод Шоттки (см. рис. 2).Для современных СВЧ диодов Шоттки максимальная эффективностьпреобразования микроволн (до 90%) достигается в оптимальных режимах поуровню входной мощности - 1-2 Вт/диод (см. рис. 3).Рис. 3.
Зависимость КПД ректенны (Рвых/Рвх), потерь на диоде (Рпд/Рвх) ипотерь в фильтре от уровня входной мощности (Рвх) для экспериментальногообразца ректенны с диодом ШотткиПри низком уровне входной мощности эффективность диода Шотткисильно уменьшается. Неоднородность мощности микроволнового излучения вприемной плоскости может вызвать существенное снижение эффективностипреобразования при использовании однотипных ректенн на всей апертуреприемной антенны. Одним из решений этой проблемы может быть соединениенескольких диполей в антенный элемент, нагруженный на один СВЧ-диод, присохранении оптимальной плотности диполей. Диаграмма направленностиподобных элементов может заметно отличаться от диаграммы направленностиодноэлементного ректенного преобразователя с полуволновой дипольнойантенной. Это обстоятельство требует детального исследования, т.к.
оно можетсущественно отразиться на общих энергетических характеристикахмикроволновых линий передачи.Глава 3 посвящена моделированию приемных ректенн с многодипольнымиантеннами и содержит результаты расчета их диаграмм направленности.В параграфе 3.2 описана методика моделирования приемных ректенн смногодипольными антеннами. Для анализа характеристик многодипольныхантенных элементовиспользован метод, основанный на дискретизацииинтегральной формы уравнений Максвелла. Для численного решения областьрешения разбивается на множество ячеек (сетку), ортогонально к этойпервичной сетке создается вторичная сетка ячеек.
Распределение компонентэлектрической напряженности e и магнитной индукции b локализованы напервичной сетке, а распределение компонент магнитной напряженности h иэлектрической индукции d на вторичной сетке. При этом интеграл по контуруможет быть записан с достаточной точностью как сумма четырех напряжений eв узлах сетки, а производная магнитной индукции по времени рассчитывается9на первичной сетке.
Повторяя эту процедуру для всех доступных ячеекпервичной сетки, схема вычислений уравнений Максвелла может бытьпредставлена в матричной формулировке:dC e= − b,(5)dtd~Ch =d+ j,(6)dt~Sd = q,(7)(8)Sb = 0.(9)d = Mε e ,(10)b = Mµ h ,(11)j = Mσ e + j s ,% , S S% - дискретные матричные операторы, состоящие из элементовгде C , C0, 1 и -1. Начальные и граничные условия на сеточном пространстве задавалисьв зависимости от исследуемой конфигурации антенных элементов.ВпроцессерасчетоввычислялисьзначениянаправленностимногодипольныхантеннK (θ ) = 4 π Pθ Po−1иэффективностиприемаизлучения Eff = ( Po − Pп ) Po−1 , где Po и Pθ - полная мощность и мощностьизлучения из единичного угла, Pп - мощность потерь излучения вмногодипольной антенне.Параграф 3.3 содержит результаты исследований двух типов дипольныхантенных решеток с различным числом элементов, предназначенных дляработы в ректенных преобразователях на частоте 2,45 ГГц.
Изучались свойствамногодипольных антенн с «треугольным» расположением диполей (рис. 4а) и с«прямоугольным» расположением диполей (рис. 4б).Рис. 4. Схемы расположения диполей в «треугольной» а) и «прямоугольной» б) многодипольной антенне. ∆ - размер выступающей части отражающейпроводящей поверхности, 1,2,3,4 – номера столбцов диполей в решетке.Исследовано влияние выступающей части ∆ отражающей проводящейповерхности за внешний контур дипольных антенн на уровень усилениямногодипольной антенной решетки. Расчеты показали, что при размере10выступающей части, превышающем значение 2λ, значения фронтальной итыльной направленности системы практически не изменяются при измененииразмера выступающей части ∆ отражателя, уровень боковых лепестковдиаграммы направленности при этом изменяется также незначительно.
Поэтомув целесообразно ограничить размер выступающей части и в дальнейшихрасчетах применялось условие ∆=2λ.На рисунках 5а – 5г показаны примеры моделирования дипольныхантенных решеток и сеточное пространство, в котором решалась поставленнаязадача. Шаг сетки по осям X и Y выбрался автоматически, в зависимости отизменений граничныхусловий, и обеспечивал необходимую точностьчисленных вычислений.aбвгРис. 5. Модели многоэлементных дипольных антенных решеток, a - 5элементов (воздух), б - 9 элементов (воздух), в - 16 элементов (тефлон), г - 18элементов (тефлон).Пространство между плоскостью диполей и металлическим отражателемзаполнено диэлектрической подложкой.
В качестве диэлектрической подложкирассматривались воздух, арлон AD320, кварц, аморфный кремний, тефлон. Нарис. 6 показаны их диаграммы направленности на частоте 2,45ГГц. Приувеличении числа диполей диаграмма направленности сужается.11aбвгРис. 6. Трехмерные диаграммы направленности многодипольныхантенных решеток с воздушной подложкой, a - 5 элементов, б - 9элементов, в - 16 элементов, г - 18 элементов.На рис. 7 и рис. 8 показаны рассчитанные диаграммы направленностиантенных решеток в плоскости φ=900 и φ=00 относительно диполей длянормального падения микроволнового излучения.Рис.
7. Диаграмма направленности дипольных антенных решеток в плоскостиφ=900 для нормального падения микроволнового излучения. 1- одиночныйдиполь, 2- решетка из 5 диполей, 3- решетка из 9 диполей, 4- решетка из 16диполей, 5- решетка из 18 диполей.12Рис. 8. Диаграмма направленности дипольных антенных решеток в плоскостиφ=00 для нормального падения микроволнового излучения. 1- одиночныйдиполь, 2- решетка из 5 диполей, 3- решетка из 9 диполей, 4- решетка из 16диполей, 5- решетка из 18 диполей.При увеличении числа диполей в антенне направленность ректенныувеличивается. Для выбранных расстояний между диполями «треугольное»расположение диполей является более эффективным и обладает большейнаправленностью по сравнению с «прямоугольной» конфигурацией. Приувеличении расстояний между диполями в «прямоугольной» антенной решеткедо величин, дающих плотностьрасстановку элементов, сравнимой сплотностью элементов для «треугольной» конфигурации, наблюдаетсясближение значений их направленности и эффективности.При несинфазном суммировании принятого микроволнового излученияотдельными элементами многодипольной антенной решетки ее диаграмманаправленности становится несимметричной (см.
рис. 9). Рассмотрены случаисдвига фазы принятого излучения с формированием волнового фронта,наклонного (в пределах 0-60°) к фронту падающего излучения.Рис. 9. Диаграмма направленности в плоскости φ=00 для «треугольной»антенной решетки с 18-ю диполями при несинфазном суммированиипринятого микроволнового излучения. 1- синфазное суммирование, 2- уголнаклона волнового фронта - 150, 3- угол наклона волнового фронта - 600.13В параграфе 3.4 приведены результаты расчетов влияния возможныхдефектов различных столбцов диполей элементов в «треугольной» решетке с 18элементами на форму и симметрию диаграммы направленности. Как показалирезультаты расчетов (см. табл. 1), дефект столбцов может вызвать лишьнезначительное уменьшение направленности решетки (на 1-2 дБ).Таблица 1.
Влияние дефектов в многодипольной антенне.Конфигурация«треугольная» , 18 диполейДефекты диполейнет столбец 1 столбец 2 столбец 3 столбец 4Направленность, дБ 19,118,117,918,217,8Ширина диаграммыв плоскости φ=9001819,220,219,320,30в плоскости φ=02021,622,521,722,4В параграфе 3.5 изучено влияние материала подложки на характеристикимногодипольных антенн. В качестве модели выбрана 18-элементная дипольнаярешетка, описанная выше. В качестве исследуемых материалов были выбранытефлон (PTFE), арлон (AR 320), плавленный кварц, аморфный кремний.Результаты показаны на таблице 2.Таблица 2. Влияние диэлектрических свойств материала подложкина характеристики 18-элементной дипольной решетки.ДиэлектрикВоздух Тефлон АрлонКварц КремнийPTFE AR 320 Плавл.
аморфн.1,02,083,23,7811,9εµ1,01,01,01,01,0tang δ0,000,0004 0,00030,00010,004Направленность, дБ19,118,718,618,315,01818181820∆ϕосн.максимум0(ϕ=90 )КПД, %0,980,980,970,970,712020202022∆ϕосн.максимум0(ϕ=0 )Расчеты показали, что в случае применения материалов с значением ε впределах 1- 4 и малыми потерями направленность 18-элементных дипольныхрешеток практически не отличаются друг от друга. Применение в качестведиэлектрической подложки кремния (ε =11,9, tang δ=0,004) приводит квидимому ухудшению КПД и направленности решетки.Глава 4 посвящена изучению направленности приемных ректенн спространственноразвитымиантеннымиэлементами.Ректеннаспространственно развитым диполем (диполь Н-типа) была предложена дляиспользования в микроволновой линии передачи, разрабатываемой во Франции,14с целью снижения плотности приемных элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
