Повышение эффективности передачи, приема микроволнового излучения с преобразованием в постоянный ток (1104433)
Текст из файла
На правах рукописиКазарян Гоар МартиросовнаПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ,ПРИЕМА МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ВПОСТОЯННЫЙ ТОКСпециальность 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: член-корр. РАН, доктор физико-математическихнаук, профессорДиденко Андрей Николаевичдоктор технических наук, доцентМозговой Юрий ДмитриевичВедущая организация: Институт радиотехники и электроники РАНЗащита диссертации состоится " 24 " мая 2007 г.
в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.67 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские горы,МГУ, д.1, стр.2, физический факультет.С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научной библиотеке им.А.М. Горького МГУ им. М.В. Ломоносова (физический факультет).Автореферат разослан""2007 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук,доцентА.Ф. Королев3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования.
В результате интенсивного развития СВЧэлектроники больших мощностей (особенно в 3- и 10-сантиметровых диапазонахволн) интерес исследователейпривлекла задача передачи СВЧ энергиипосредством сфокусированных пучков электромагнитных волн ("беспроводная"передача). Такие системы могут открывать перспективы для задач, ранеесчитавшимисятрудноосуществимыми или нерентабельными при стандартныхподходах. Системы передачи энергии электромагнитным лучом (СПЭЭЛ) могутнайти применение для передачи энергии между объектами в труднодоступных вгеолого-климатическом отношении районах Земли (через глубокие каньоны, надводными массивами, болотами, горами), для снабжения энергией летательныхаппаратов в атмосфере Земли, для транспортировки энергии с поверхности Землина космические объекты также и отцентральных космических станцийпроизводящих энергию на Землю и т.д.
Среди достоинств СПЭЭЛ можно выделитьвозможность изменения направления передачи энергии путем переориентациипередающей антенны, малые энергетические потери в достаточно широкой полосечастот при передаче энергии в атмосфере и в околоземном космическомпространстве.Целью работы является:1.изучение возможности подавления фонового излучения боковых лепестков запределами приемной антенны СПЭЭЛ за счетоптимизации дискретногоамплитудного распределения электрического поля на передающей антенне;2.синтез равномерного распределения плотности мощности на плоскостиприемной антенны с максимальным коэффициентом использования поверхности(КИП) ректенны, изучение вопросов повышения мощности и эффективностисистемы;3.анализконструкцииизлучающегоэлементаиэлектрическойсхемыректенного элемента с диодом Шоттки, оптимизация их параметров с цельюулучшения эффективности преобразования микроволн и снижения уровняпереизлучения;44.исследованиепроцессоввреверсивнойобластициклотронногопреобразователя с целью выявления механизмов возбуждения разброса продольныхскоростей электронов и возможности повышения КПД преобразования и уровняпреобразуемой мощности.Научная новизна работы•Проанализированы варианты беспроводной линии передачи энергии сдискретным амплитудным распределением напряженности поля на передающейантенне и найдено оптимальное двухступенчатое распределение поля излучения,позволяющее реализовать высокие значение КПД передачи энергии и безопасныйуровень фонового излучения за пределами приемной антенны.•Предложен метод синтеза равномерного распределения напряженности поляна приемной антенне, обеспечивающего максимальное значение коэффициентаиспользования поверхности антенны и высокую эффективность приема.•Определены характеристики и параметры процессов преобразования энергиимикроволн в энергию постоянного тока в ректенных элементах; выявлены основныепричины потерь при преобразовании и способы их уменьшения за счетоптимизациипараметровдиода;предложеныметодысниженияуровняпереизлучения высших гармоник основной частоты.•Выявлен механизм возбуждения разброса продольных скоростей в электронномпучке под действием сил пространственного заряда и радиального магнитного поляв реверсивной области циклотронного преобразователя; определены условияповышения КПД преобразования и уровня преобразуемой мощности микроволн.Научная и практическая значимость работы•Получены простые соотношения для расчета характеристик поля излучения вплоскости приемной антенны для случая дискретного амплитудного распределенияи оптимальной двухступенчатой аппроксимации гауссовского распределения поляна передающей антенне.
Решена задача снижения уровня боковых лепестков запределами приемной антенны и на примере наземной СПЭЭЛ показанавозможность соответствия уровня фонового излучения стандартам РФ на5длительное и безопасное СВЧ облучение (10 мкВт/см2) и на электромагнитнуюсовместимость (0.27 мкВт/см2).•Предложен алгоритм синтеза амплитудно-фазового распределения поля напередающей антенне СПЭЭЛ для обеспечения равномерного распределения полястолообразнойформынаприемнойантенне,состоящейизоднотипных,равноудаленных приемно-преобразующих элементов.•Определены зависимости КПД преобразования СВЧ энергии в энергиюпостоянного тока в выпрямительном элементе ректенны с диодом Шоттки отуровня входной мощности и сопротивления нагрузки по постоянному току.
Решенызадачи на получение максимального КПД и подавлениевысших гармоникосновной частоты путем оптимизации параметров диода и фильтров, настроенныхна кратные частоты. Предложена микрополосковая дисковая антенна, снижающаяуровень переизлучения на кратных резонансных частотах, получены аналитическиерешения для распределения электрической и магнитной составляющих поля.•Выявленмеханизмвозбужденияразбросапродольныхскоростейвэлектронном пучке циклотронного преобразователя энергии под действием силпространственного заряда и радиального магнитного поля.
Определены режимыдостижениямаксимальнойэффективностипреобразованияиповышенияпреобразуемой мощности прибора.•Результаты диссертационной работы применимы для разработки наземных икосмических систем беспроводной передачи энергии, включая СКЭС и обменэнергией между летательными аппаратами.Защищаемые положения1. Предложенное двухступенчатое распределение поля на передающей антеннеСПЭЭЛпозволяетобеспечитьвысокоэффективнуюпередачуэнергиимикроволновым пучком (до 86%), что незначительно (на 1,6% по КПД)уступает системе с оптимальным гауссовым распределением. При этом уровеньфонового излучения (-21,2 дБ для первого бокового лепестка) оказывается в двараза меньше, чем для системы с равномерным распределением поля.62. Предложен метод синтеза столообразного распределения поля на приемнойантенне (с КИП=0,98 и эффективностью приема энергии до 70%), основанныйна задании значений амплитуды и фазы поля излучающих элементовпередающей антенны в виде рядов Шлемильха.3.
Мощность высших гармоник рабочей частоты, возникающих на диоде Шотткии переизлучаемых ректенным элементом с полуволновым диполем, может бытьснижена до экологически безопасного уровня (-30 дБ и более) путем введенияфильтров с кратными резонансными частотами. Предложена структурадисковых микрополосковых антенн, предназначенных для использованияректенном элементе вместо полуволнового диполя, снижающаявуровеньпереизлучения на кратных резонансных частотах.4.
При повороте электронного пучка с большим начальным радиусом ( γ =0.5-0.8)вокруг своей оси под действием сил пространственного заряда на угол, кратный2π, и сохранении формы поперечного сечения потока в реверсивной областициклотронного преобразователя относительный разброс продольных скоростейможетбытьсущественноснижен(до10%),чтопозволитповыситьэффективность преобразования (до 80-85%) и уровень входной мощности (до150 кВт).Апробация работы и публикацииРезультаты диссертации докладывались на VII,VIII,IX и XI Всероссийскихшколах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Красновидово, 2000, 2001,2002, Звенигород, 2004), на 27 Гагаринских чтениях (Москва 2001), намежвузовскойконференциипосовременнымпроблемамэлектроникиирадиофизики СВЧ (Саратов, 2001), на научных сессиях МИФИ (Москва, 20022007), на 4-ой конференции IVEC (Seoul, Korea, 2003) и опубликованы в трудахэтих конференций, а также в 5 статьях в рецензируемых журналах по списку ВАК.Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа (148 страниц)состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (129 ссылок, из них 687иностранных источников), приложения, иллюстрирована 52 рисунками и содержит9 таблиц.Содержание работыВ Главе 1 представлен краткий обзор научных публикаций по проблемам иперспективамбеспроводнойпередачиэнергии.Параграф1.1посвященсовременному состоянию проблем, связанных с реализацией систем передачиэнергии электромагнитным лучом (СПЭЭЛ) в космическом пространстве и ватмосфере Земли.Выделены исторические этапы развития проектов СПЭЭЛ иперспективные задачи внедрения данных систем. Сформулированы основныехарактеристики микроволновых и лазерных линий передачи.
В параграфе 1.2рассмотрены и определены основные физические задачи, возникающие приразработке космических и наземных систем передачи энергии в диапазонемикроволн. В параграфе 1.3 освещены проблемы преобразования энергиимикроволн в энергию электрического тока. Рассмотрены приемно-преобразующиесистемы с полупроводниковыми ректенными элементами и с циклотроннымпреобразователемСВЧэнергииипроизведенихсравнительныйанализ.Сформулированы основные диссертационные задачи.В Главе 2 изучаются проблемы эффективности и экологической безопасностимикроволновой передачи энергии и возможность подавления фонового излучениябоковых лепестков за пределами приемной антенны за счет оптимизациидискретного амплитудного распределения по апертуре передающей антенныСПЭЭЛ. В параграфе 2.1 приводится постановка задачи.Параграф 2.2 посвящен моделированию поля излучения микроволновойлинии передачи с радиальной (поляризованной по радиусу) и линейнойполяризациейэлектрическогополяРассмотренааксиально-симметричнаяполяризацией электрического поля.наповерхностипередающаяХарактеристикипередающейантеннасантенны.линейнойСВЧ-пучка в плоскостиприёмной антенны определяются по теории дифракции Френеля-Кирхгофа дляапертурныхантеннвзонеФренеля.)Связькомплексной)напряжённостиэлектрического поля на передающей E A и приёмной ER антеннах имеет вид822Rkr ′)−jk − j ( kD + kr2 D ) 1 )krr ′2D′ER ( r ) = − j eEreJ0 (())r ′dr ′ ,A∫DD0где)E A = E Ae jΨ A ,)E R = ER e j Ψ R ,EAиER(1)- амплитудные распределения (АР)напряжённости электрического поля на передающей и приёмной антеннах, ΨA и ΨR- соответствующие фазовые распределения (ФР), D – расстояние между антеннами,J 0 ( z ) - функция Бесселя нулевого порядка, r – радиус в цилиндрической системекоординат, R1 - радиус передающей антенны.Для дискретного амплитудного распределения поля на передающей антенне⎧ E n , при rn −1 ≤ r ≤ rn , где n = 1,2,K, N ,E A (r) = ⎨⎩0, при r f rN = R1 ,(2)где E n и rn - амплитуда и радиус n-ой ступеньки; N – число ступенек; E N +1 = 0; r0 = 0 ,распределение напряженности поля в приемной плоскости имеет вид:2kR12DE R ( r ) = E maxN∑ Δεn =1nx n2 Λ 1 ( 2τx n r / R2 ) ,(3){En } , Δε n = ε n − ε n+1 , ε n = En / Emax и x n = rn / R1 , R2 - радиусгде Emax = max1≤ n≤ Nприемной антенны, λ - длина волны.Плотность мощности на поверхности приемной антенны выражаетсясоотношениями:2222⎛ kR12 ⎞ ⎡ N⎛ kR12 ⎞ ⎡ N⎤⎤2⎟ ⎢∑ Δε n xn 2 ⎥ .⎟⎜pR (r) = p A ⎜Δε n x n Λ 1 ( 2τx n r / R2 )⎥ , pR (0) = p A ⎜⎜∑⎢⎟⎟⎦⎦⎝ 2 D ⎠ ⎣ n=1⎝ 2 D ⎠ ⎣ n =1(4)Передаваемая и принимаемая мощности определяются путем интегрированиясоответствующих плотностей мощности по всей поверхности антенны.NPT = p AπR12 ∑ Δε n xn2 ,(5)n=1NNPR = p AπR12 ∑∑ Δε n xn2 I nm ,(6)n =1 m=12τгде I nm = xn xm ∫ J1 ( xn z ) J 2 ( xm z ) z −1dz,0ε n = 0.5(ε n + ε n+1 ) .9КПД передачи определяется как отношение принимаемой (6) и передаваемой(5) мощности.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
