Моделирование многоэлементных ректенн для приема энергии в диапазоне микроволн (1103917), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В диссертационной работерассматриваются три типа предложенных ректенн с пространственноразвитыми диполями и проводится их сравнение с ректенной с диполем Н-типа.Параграф 4.2 содержит описание моделирования приемных ректенн спространственно развитымиантенными элементами, схемы которыхпоказаны на рис.
10.aбгвРис. 10. Модели 5-элементных антенных решеток с пространственноразвитыми диполями, a - H тип, б - H1 тип, в - H2 тип, г - H3 тип.Параграф 4.3 содержит результаты расчета диаграмм направленностимногодипольных ректенн с пространственно развитыми антеннымиэлементами.
На рис. 11 приведены трехмерные диаграммы направленностиединичного диполя с пространственно развитыми антенными элементами,соответственно а – для H типа, б – для H1 типа, в – для H2 типа и г – для H3типа.В параграфе 4.4 проведен сравнительный анализ диаграмм направленностиректенн с различной конфигурацией антенных элементов.
На рис. 12 показаныдиаграммы направленности 5-элементых антенных решеток с «треугольным»расположением элементов, образованных диполями типа Н, Н1, Н2 и Н3 вплоскостиφ=900.Наибольшимзначениемнаправленностисредирассмотренных 5-элементных антенных решеток обладает решетка,образованная диполями типа Н, однако ей же присуща самая узкая угловаяобласть приема излучения – менее 150 по уровню –3 дБ в плоскости φ=900 .15aбгвРис. 11. Трехмерные диаграммы направленности ректенн с пространственноразвитым диполем, а - H тип, б - H1 тип, в - H2 тип, г - H3 тип.Рис. 12.
Диаграммы направленности 5-элементых антенных решеток,образованных диполями типа Н, Н1, Н2 и Н3 (кривые 1, 2, 3 и 4соответственно) в плоскости φ=900.Решетки, образованные диполями типа Н1, Н2 и Н3, имеют угловуюширину приема в 2 раза больше. Одновременно они обладают меньшимуровнем боковых лепестков по сравнению с решеткой, образованной диполямитипа Н.
На рис. 13 показаны диаграммы направленности 18-элементыхантенных решеток с «треугольным» расположением элементов, образованных16диполямиРис. 13. Диаграммы направленности 18-элементых антенных решеток,образованных диполями типа Н, Н1, Н2 и Н3 (кривые 1, 2, 3 и 4соответственно) в плоскости φ=900.типа Н, Н1, Н2 и Н3 в плоскости φ=900. Диаграммы направленности18-элементных антенных решеток обладают свойствами, характерными длярешеток с «треугольным» расположением элементов. Уровень боковыхлепестков существенно ниже, чем у решеток с «прямоугольным»расположением элементов.
Наибольшим значением направленности средирассмотренных 18-элементных решеток обладает решетка, образованнаядиполями типа Н, однако ей же присуща самая узкая угловая область приемаизлучения – менее 100 по уровню –3 дБ в плоскости φ=900. Решетки,образованные диполями типа Н1, Н2 и Н3, имеют угловую ширину приема в 2-3раза больше.Параграф 4.5 содержит результаты исследования влияние взаимногорасположения антенных элементов на направленность ректенн. Сравнениедиаграмм направленности рассмотренных решеток демонстрирует важностьвыбора расстояния d между диполями.
При увеличении расстояния междудиполями КПД решетки уменьшается одновременно с ухудшениемнаправленности и сужением основного лепестка.Глава5посвященаисследованиюректеннсдисковымимикрополосковыми антеннами.В параграфе 5.2 обсуждаются резонансные свойства дисковыхмикрополосковых антенн. Дисковая микрополосковая антенна (ДМА)представляет собой двухслойную композицию круглой формы из тонкогометаллического диска и диэлектрической подложки, нанесенную на плоскуюметаллическую поверхность (см.
рис. 14). Резонансные частоты круглой ДМАможно определить из решений уравнения(12)J n′ (kn a ) = 0 ,k = 2π f o ε ε o µo ,(13)где J n′ ( k n a ) - производная функции Бесселя первого рода n -го порядка, a17–Рис. 14. Дисковая микрополосковая антенна, 1- металлический диск, 2диэлектрическая подложка, 3- металлический отражатель, 4- коаксиальныйвывод.радиус круглого диска, f o - рабочая частота, ε - относительнаяподложки,ε o , µo - диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума.Радиус диска выбирался из условия резонанса для основной моды ТМ11на рабочей частоте f o . Как следует из решения уравнений (12-13) резонансныечастоты круглой ДМА для других мод не совпадают с частотами кратныхгармоник рабочей частоты f o , возникающих в процессе выпрямления на диоде(см.
рис. 15). Поэтому интенсивность переизлучения на частотах кратныхгармоник у ректенн с ДМА будет существенно ниже, чем у ректенн сполуволновым диполем.Рис. 15. Резонансные частоты круглой ДМА относительно частот кратныхгармоник рабочей частоты f o .Параграф 5.3 содержит результаты моделирования приемной ректенны сдисковой микрополосковой антенной. Шаг сетки по осям X и Y выбралсяавтоматически, в зависимости от изменений граничных условий, и обеспечивалнеобходимую точность численных вычислений. Минимальное значение шагасетки равнялось 0,08мм. Максимальное общее число ячеек сетки превышало181,5 млн. На рис. 16 приведены результаты расчета диаграммы направленностиДМА в дальней зоне для рабочей частоты f o =2,45 ГГц.Рис. 16.
Рассчитанная диаграмма направленности ДМА в дальней зоне.Необходимо отметить симметричность и значительную угловую ширину(более 80° по уровню –3 дБ) диаграммы направленности ДМА. Максимальноерасчетное значение направленности дисковой антенны составило 7,0 дБ.Рассчитанное значение КПД антенны достигает 84% и ограничено потерями вдиэлектрике. Распределение плотности тока по поверхности диска антенны длядоминантной моды ТМ11 на частоте 2,45 ГГц представлено на рис. 17.Рис. 17.
Распределение плотности тока на поверхности ДМА ( f o = 2,45 ГГц).Амплитудное значение плотности тока в центре антенны составляет около 88А/м для выбранного уровня мощности на рабочей частоте. В областикоаксиального вывода наблюдается искривление линий тока на поверхностидиска.Результаты расчета плотности тока по поверхности диска антенны дляудвоенного значения рабочей частоты ( f1 = 2× f o = 4,9 ГГц) представлены на рис.18. На удвоенной частоте f1 возбуждается, главным образом, мода ТМ01.19Рис.
18. Распределение плотности тока на поверхности ДМА ( f1 = 4,9 ГГц).Линии тока направлены, в основном, по радиальным направлениям от центраантенны. Однако из-за разницы между частотой возбуждения и резонансногозначения частоты для моды ТМ01 амплитуда плотности тока на поверхностидиска не превышает уровня 22 А/м, т.е.
в четыре раза ниже уровня для частотыf o = 2,45 ГГц. Тем самым подтверждается предположение о подавлениипереизлучениякратныхгармоникрабочейчастотывдисковоймикрополосковой антенне.В параграфе 5.4 приведены результаты расчетов изменения амплитудыполя на удвоенной частоте при введении щелевых отверстий на поверхностидиска. Модель дисковой микрополосковой антенной с щелевыми отверстиями исеточное пространство приведены на рис. 19.Рис. 19.
Модель дисковой антенны со щелями.Распределение линий тока на поверхности ДМА со щелями, возбуждаемыхна частоте f o = 2,45 ГГц, представлено на рис. 20. Введение дополнительныхщелей в диск антенны не вносит значительных изменений в распределение токана поверхности антенны на рабочей частоте. Амплитудное значение плотноститока практически не изменилось и осталось на уровне 88 А/м, несмотря нанекоторое несоответствие выбранного радиуса кривизны щелей форме линийтока. Таким образом, введение щелей не скажется на интенсивности моды ТМ11,возбуждаемой на рабочей частоте f o .20Рис.
20. Распределение плотности тока на поверхности ДМА со щелямина частоте f o = 2,45 ГГц.На рис. 21 показано распределение плотности тока на удвоенной частоте4,9 ГГц. В области антенны, где щели пересекали радиальные линии тока длямоды ТМ01, плотность тока падает практически до нуля. Максимальныйуровень плотности тока наблюдается в районе коаксиального вывода и непревышает уровня 5,6 А/м, т.е. практически в четыре раза ниже по сравнению суровнем для антенны без щелей.Рис. 21.
Распределение линий тока на поверхности антенныщелями на удвоенной частоте 4,9 ГГц.ДМА соТаким образом, проведенные моделирование показало, что введение вконструкцию антенны щелей, направленных вдоль линий тока для основноймоды, дает возможность заметно (в четыре раза) уменьшить интенсивностьвозбуждения антенны на удвоенной частоте по сравнению с обычной ДМА.21ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1. Выбор оптимальных параметров наземной микроволновой линиипередачи энергии (уровня передаваемой мощности, профиля поля напередающей антенне, параметра передачи tau и др.) дает возможностьобеспечить эффективную (с КПД 80% и более) и экологически безопаснуюпередачу энергии направленным микроволновым излучением.2. Для достижения высокой эффективности наземных микроволновыхлиний передачи энергии с мощностью 10-100 кВт и экологически безопаснымуровнем фонового излучения наиболее рационально использовать ректенны смногодипольными антеннами, обеспечивающие оптимальный уровень входноймощности на диоде Шоттки.3.
Диаграммы направленности многодипольных ректенн сужаются приувеличении числа дипольных элементов (до 15-20° на частоте 2,45 ГГц) изначительно отличаются от диаграммы направленности ректенного элемента содиночным диполем. Применение многодипольных ректенн в наземных линияхпередачи энергии потребует более тщательного позиционирования и юстировкиприемных систем на передающую антенну.4. Выбор оптимального расстояния между элементами, конфигурациидиполей и расположения выхода антенны обеспечивает высокуюэффективность приема микроволн ректеннами с пространственно развитымиантенными элементами (до 96%).5. Применение ректенн с дисковой микрополосковой антенной (ДМА)снижает уровень переизлучения кратных гармоник рабочей частоты,возникающих на полупроводниковом диоде в процессе выпрямления, в 4-5 разиз-за несовпадения их частот с резонансными частотами круглой ДМА.6.
Использование в дисковой антенне щелей, направленных вдоль линийтока для основной моды ТМ11, дает возможность дополнительно в четыре разауменьшить интенсивность возбуждения антенны на удвоенной частоте.СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. Казарян Г.М., Саввин В.Л., Ян Чунь, Экологические аспектыбеспроводной передачи энергии СВЧ пучком// Сб. тр. конф. «Научная сессияМИФИ-2004», Т. 8, 2004, С. 25-26.2.
Казарян Г.М., Рудаков А.В., Саввин В.Л., Ян Чунь, Радиофизические иэкологические аспекты наземной микроволновой линии передачи энергии//Тр.IX Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородныхсредах»,Секция 6, 2004, Звенигород Моск. обл., С.86-87.3. Казарян Г.М., Рудаков А.В., Саввин В.Л., Ян Чунь, Экологическаябезопасность наземной микроволновой линии передачи энергии// Сб. тр. конф.«Научная сессия МИФИ-2005», Т.
8, 2005, С. 8-9.4. Ян Чунь, Саввин В.Л., Анализ широкополосных излучателей22микроволн//Тр. X Всероссийской школы-семинара «Физика и применениемикроволн», Секция 2, 2005, Звенигород Моск. обл., С.16-18.5. Елагин О.И., Казарян Г.М., Рудаков А.В., Саввин В.Л., Ян Чунь,Эффективность и экологическая безопасность микроволновой передачиэнергии// Сб. тр. конф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
