Повышение эффективности передачи, приема микроволнового излучения с преобразованием в постоянный ток (1104433), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Коэффициенты использования площади передающей и приемнойантенн (КИПА и КИПR) имеют видNКИПА = 2∑ Δε n ε n xn2,КИПR =N2∑∑ Δε n Δε m I nmn =1 m =1Nτ {∑ Δε n xn2 Λ1 (2τxn Rmax2n =1R2 }2Распределение амплитуды поля в плоскости приемной антенны для случаярадиальной поляризации поля на передающей антенне:2π Emax R2AE (u ) =r2λD1F ( u ) , F ( u ) = ∫ A( ρ ) J ( u ρ ) ρ d ρ ,10Aгде u = 2π R2 r / λ D , A( ρ ) и Emax - нормированное АР и максимальное значениенапряженности электрического поля на передающей антенне, J1 (u ρ ) - функцияБесселя первого порядка, r – радиальная координата в плоскости приемнойантенны.В параграфе 2.3 приведены результаты численного моделирования для наземноймикроволновой линии передачи на примере проекта Grand-Bassine (на островеРеюньон, Франция). Определены энергетические и экологические характеристики,показано, что уменьшение поля излучения вдоль радиуса передающей антенны даетвозможность заметно снизить уровень фонового излучения (рис.1-2, таблица 1).Таблица 1.Вид распределенияГауссовоРавномерное10-ступенчатоеОслабевающееОптимальноепо краямдвухступенчатоеКПД линии88.22 %81.25 %87 %86.5 %Уровень I-го лепестка0.07 Вт/м20.29 Вт/м20.15 Вт/м20.11 Вт/м2(-23.4дБ)(-17.5дБ)(-20.0дБ)(-21.2дБ)31.9 м29.3 м32.0 м31.1 мРадиус I-го лепесткаПолучено оптимизированное двухступенчатое распределение поля на передающейантенне, что дает возможность не только облегчить техническую реализацию такойсистемы, но и обеспечить высокоэффективную передачу энергии микроволновымпучком (КПД до 86%).10Рис.
1. Амплитудное распределение наРис. 2. Плотность мощности в плоскостипередающей антенне: 1-однородное АР, 2-приемной антенны: 1-десятиступенчатое, 2-гауссовское оптимальное АР (распределениеравномерное, 3-оптимальное двухступенчатое,вида E(r)=575exp(-0.2r2) В/м), 3-простейшее4-усеченное гауссово распределениедвухступенчатое АР, 4-десятиступенчатое АРE(r)=575exp(-0.2r2)В/м , 5-предельнодопустимая медицинская норма РФПоказанавозможностьобеспечиваниеуровняфоновогоизлучениянижемедицинского стандарта РФ на длительное и безопасное СВЧ–облучение (10мкВт/см2) так и на электромагнитную совместимость (0.27 мкВт/см2).Параграф 2.4 посвящен синтезу диаграмм направленности с максимальнымкоэффициентом использования поверхности (КИП) приемной антенны.Исследование свойств рядов Шлемильха показало, что ряды вида12Γ(ν + 1)N+ ∑ (−1) m J ν (m × u )n =12ν=0(m × u )νдля u на интервале − π p u p π осциллируют между значениями ±1/2, а знак зависитот четности или нечетности числа членов ряда.
Эффективное погашениеосцилляций достигается использованием наложения двух рядов снечетным числом членов. Для числа колец N=1010∑ 2(−1) n−1n =1J 1 (n ⋅ u ) 9J (n ⋅ u )+ ∑ 2(−1) n −1 1=1n⋅un⋅un =1и диаграмма направленности имеет видчетными119g (u ) = ∑ 4(−1) n −1n =1J1 (n ⋅ u ) J1 (10 ⋅ u )−.n⋅u5⋅u(7)Все кольца возбуждены в противофазе и имеют одинаковую ширину. Из выражений(7) и (3) следует2E R ( r ) = E maxkR1 9( ∑ Δ ε n x n2 Λ 1 ( 2τ x n r / R2 ) − Λ 1 ( 2τ r )) .R22 D n =1Результаты расчета параметров системы приведены в таблице 2.Таблица 2.Rr, мpRмВт/см1Rt, м Pt, МВтPr, МВтEeffI-ый2боковой КИПА КИПRлепесток дБ/м17.53.50.00270.003870.5%-11.96дБ/18.3м0.80.98Результаты проведенных расчетов для N=10 при уровне передаваемоймощности 27 кВт, pR(0)=10 мВт/см2 , Rt=3,5 м показывают, что распределение поляимеет выраженный столообразный характер, уровень осцилляций плотностимощности на приемной апертуре (Rr=13 м) не превышает 15%.
КПД передачидостигает 70.5% (рис.3).Первый боковой лепесток достигает максимума (–11.9 дБ) на расстоянии18.3 м от центра ректенны. Уровень второго бокового лепестка не превышает–14,4дБ. Увеличение числа колец до 30 дает возможностьэффективнее погаситьосцилляции – до 3-5% (рис.4).Рис. 3. Нормированные значения ER(r) от радиусаприемной антенны при 10 кольцахПоказано,чтодлярассмотреннойРис. 4. Нормированные значения ER(r) отрадиуса приемной антенны при 30 кольцахвышедвухступенчатойантенныКИПА=0.72, КИПR=0.38, а для столообразного распределения КИПА=0.8,12КИПR=0,98.
Конструктивно приемная антенна может состоять из равноудаленныходнотипных ректенных элементов. При столообразном распределении уровеньпервого бокового лепестка составляет –12dB, КПД 70%.Параграф 2.5 посвящен анализу СПЭЭЛ с точки зрения экологическойбезопасности и электромагнитной совместимости. Показано, что путем некоторогоужесточения требований к параметрам передающей антенны можно обеспечитьуровень боковых лепестков <0.27 мкВт/см2.В параграфе 2.6 определеныдопустимыемощностисистемысоптимизированными параметрами при сохранении высоких значений КПД инизкого уровня фонового излучения с точки зрения экологии. ПоказанавозможностьреализацииэкологическибезопаснойназемнойСПЭЭЛсмаксимальной мощностью передачи PT=3.66 МВт и КПД 88.7%.В Главе 3 исследуются физические процессы в ректенном элементе ипроводится оптимизация его параметров.
В параграфе 3.1 анализируетсяэквивалентнаясхемаректенногоэлементасДБШ.Вибраторзамененэквивалентным генератором тока с внутренним сопротивлением RS. Входнойфильтр с резонансом на основной частоте ω препятствует передаче энергиигармоник, генерируемых диодом, к генератору. Выходной фильтр выбран в видедостаточно большой индуктивности LН, при которой пульсации тока IН черезнагрузку RН практически отсутствуют. В эквивалентную схема диода включенытакие параметры, как вольтамперная характеристика барьера Iб(Vб); переменнаяемкостьбарьераполупроводникаСБ(VБ);RПП(VБ);переменнаяфиксированноевысокоомнаяобщеечастьсопротивлениясопротивлениеподложки,омических контактов и подводящих проводов диода RФ; емкость корпуса CК ииндуктивность проводов LП.Система уравнений Кирхгофа для электрической схемы имеет вид:V ВХ = V Г ⋅ sin( wt ) − I ВХ R Г ,СWdVСdVВХ= CW− I ВХ ,dtdtLПdI Д= V Д − VБ − I Д ( RПП (VБ ) + RФ ) ,dtLWdI ВХ= VC − V Д ,dt13СКdV Д= I ВХ − I Д − I Н ,dtC Б (VБ )LНdI Н= V Д − I Н RН ,dtdVБ= I Д − I Б (VБ ) ,dtгде ω – частота СВЧ колебаний, VБ – напряжение на барьере.d − W (VБ )eV,I Б (VБ ) = IS (exp( Б ) − 1) , RПП (VБ ) =eμNSkT0eεNs 2C Б (VБ ) =,2(Vbi − VБ )где I – плотность обратного тока насыщения через барьер, s – площадь барьера, N –концентрация доноров в полупроводнике, Vbi – высота барьера со стороныпроводника, d – толщина полупроводника, μ −подвижность электронов вε − диэлектрическаяполупроводнике,проницаемостьполупроводника,k–постоянная Больцмана, T0 – абсолютная температура, W(VБ) – ширина обедненногослоя, которую можно определить какW (VБ ) =2ε (Vbi − VБ ).eNВысокие значения эффективности в реальных диодах предполагают введениеограниченийпо токам и напряжениям: W (VБ ) p d , VБ ≤ Vbi , VБ ≤ Vпр , где Vпр –напряжение пробоя для диодов Au-GaAs, равное 500(N/1021)-3/4 ([N]=м-3, [ Vпр ]=В).Полученная система уравнений позволяет численно анализировать процесспреобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока в элементе ректеннойсистемы.
Численное решение находится применением метода Рунге-Куттачетвертого порядка.Выражаем КПД через потери ректенного выпрямителя: с учетом потерь ПR напоследовательных сопротивлениях RФ и RПП(VБ) и потерь ПБ на диоде1ПБ =Tξ +T∫ξ I V dt ,бб1ПR =Tξ +T∫ξ I2Д( RФ + Rпп (V Б ))dt .Величина ПR складывается из потерь ( RФ + Rпп (0) ) Rн (диод открыт) ипотерь ( RФ + Rпп (−VБ ) ) Rн (1 wC Б (−VБ )) 2 , обусловленных утечкой токаIД черезблокирующую емкость барьера (диод закрыт).Имея в виду, что мощность на входе входного фильтра выражается в видеР ВХ = PВЫХ + П Б + П R , для КПД будет справедливо выражение14КПД =1.ПRПБ1++PВЫХ Р ВЫХПоказано, что повышениеэффективности схемы возможно путем уменьшенияпотерь на барьере. На рисунках 5-6 приведены типичные зависимости напряженийи токов в схеме ректенны.Рис.
5. Зависимости напряжений от времениРис. 6. Зависимости от времени токов через диод(напряжение на барьере VБ, входноеIД и барьер диода IБ, входного тока IВХ, тока черезнапряжение VВХ, напряжения на диоде VД и нанагрузку IН, емкостных токов через корпус IСК инагрузке VН)барьер диода IСБПриVБ>0 диод открыт, ток диода течет полностью через переход (IД=IБ), анапряжение на барьере слабо меняется. При установившемся режиме к барьеруШоттки прикладывается постоянное обратное напряжение. Здесь же действуетнапряжение основной частоты генератора ω. В случае VБ< 0 (диод закрыт) токи инапряжения будут меняться с основной и резонансной частотой эквивалентнойсхемы диода. Проведенный Фурье-анализ спектра переизлучения показал, чтопотери мощности на второй гармонике составляют до 25%мощности первойгармоники.В параграфе 3.2 анализируется модифицированная схема ректенного элементас дополнительными фильтрами (рис.
7).15Рис 7. Эквивалентная схема модифицированного элемента ректенной системыРис. 8.Фурье-анализ тока через диод (1- простая схема без фильтров 2,3,4,5 – рис. 7,2- модифицированная схема, 3-модифицированная схема без фильтров 5 и 4)Введенные дополнительные фильтры ослабляют спектральные компоненты2ω, 3ω, 4ω и 5ω до уровня –40дБ (рис. 8). При замене выходного фильтра отрезкомлинии передачи с длиной λ/4 и при достаточно высоких значениях С0осуществляется режим короткого замыкания (Zн=0) на частотах ω, 3ω, 5ω,..., а при2ω, 4ω,…, линия разомкнута.В параграфе 3.3 изучается применение дисковой микрополосковой антеннывместополуволновогодиполя.Выведеноаналитическоерешениедляраспределения электрических и магнитных полей.
Дисковый резонатор с радиусомr1 подсоединен к нагрузочному элементу через тонкий металлический контакт с16радиусом δ в точке r2<r1. Для электрического и магнитного полей в области r2<r<r1получены следующие уравнения в цилиндрической системе координат:E z( 2 ) = − jω np μC n( 2 ) Fn( 2 ) (k np r ) cos nϕ ,H r( 2 ) = −(n / r )C n( 2 ) Fn( 2 ) (k np r )}sin nϕ ,(8)′H ϕ( 2 ) = −k np C2 Fn( 2 ) (k np r ) cos nϕ ,гдеC n( 2 ) = C 2 / N n′ (k np r1 ) ,Fn( 2 ) (k np r ) = J n (k np r ) N n′ (k np r1 ) − J n′ (k np r1 ) N n (k np r ) ,′Fn( 2 ) (k np r ) = J n′ (k np r ) N n′ (k np r1 ) − J n′ (k np r1 ) N n′ (k np r ) ,и в области 0<r<r2:E z(1) = − jω np μC n(1) Fn(1) (k np r ) cos nϕ ,H r(1) = −( n / r )C n(1) Fn(1) ( k np r )} sin nϕ ,′H ϕ(1) = − k np C 2 Fn(1) (k np r ) cos nϕ ,где(9)C n(1) = C1 ,Fn(1) (k np r ) = J n (k np r ) ,′Fn(1) (k np r ) = J n′ (k np r ) .Резонансная частота для диска определяется по формуле:f npq =⎛ qπ r1 ⎞⎟⎝ d ⎠ck np 2 + ⎜2π r1 ε2, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
