авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Многоэлементных ректенн для приема энергии в диапазоне микроволн

На правах рукописи

ЯН ЧУНЬ

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ РЕКТЕНН

ДЛЯ ПРИЕМА ЭНЕРГИИ В ДИАПАЗОНЕ МИКРОВОЛН

Специальность 01.04.03 -радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

2

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Саввин Владимир Леонидович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Слепков Александр Иванович доктор технических наук, профессор Чуян Ростислав Константинович

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт

Защита диссертации состоится " 22 " марта 2007 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.67 при Московском Государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г.

Москва, Ленинские горы, МГУ, д.1, стр.2, физический факультет, Физическая аудитория им Р.В. Хохлова.

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 секретарь диссертационного совета Д 501.001. кандидат физико-математических наук, доцент А.Ф. Королев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Актуальность диссертационной работы связана с растущим интересом к возможности беспроводной передачи энергии с помощью направленного микроволнового излучения для наземных и космических применений. Микроволновый диапазон дает возможность существенно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличается высоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразования энергии электромагнитного излучения. Ряд перспективных проектов микроволновой передачи энергии разрабатываются в США, Японии и ЕС.

Главное требование к микроволновой передаче энергии заключается в достижении высокого КПД при одновременном обеспечении безопасности, экологической чистоты и электромагнитной совместимости передачи энергии.

Уровень фонового излучения и боковых лепестков передающих антенных систем должны соответствовать требованиям стандартов безопасности. Для эффективного управления уровнем фонового излучения в крупномасштабных проектах солнечной космической энергетики предполагалось использовать коррекцию и оптимизацию амплитудного и фазового распределений на передающей антенне. Разработка проектов микроволновой передачи с существенно меньшим уровнем мощности, рассчитанных на реализацию в ближайшей перспективе, вызывает необходимость детальных исследований их физических свойств, эффективности и экологической безопасности.

Целью работы Целью диссертационной работы является исследование:

- направленности многодипольных приемных антенных решеток и влияние ряда факторов (числа диполей, их конфигурации и взаимного расположения, дефектов отдельных диполей в системах и т.п.);

- диаграмм направленности и эффективности многодипольных приемных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами в зависимости от их конфигурации и взаимного расположения;

- приемных ректенн с микрополосковыми дисковыми антеннами и возможности уменьшения обратного переизлучения гармоник основной частоты.

Научная новизна Впервые предложены многодипольные приемные ректенны для систем микроволновой передачи энергии с неоднородным распределением плотности электромагнитного излучения в плоскости приема. Показано, что их приемные характеристики (диаграмма направленности, эффективность приема излучения) заметно отличаются от характеристик ректенны с полуволновым диполем и зависят от числа диполей в ректенне, их взаимного расположения, диэлектрических свойств подложки, дефектов отдельных диполей и др.

Показано, что выбор оптимального расстояния между диполями, их конфигурации и способа подключения полупроводникового диода обеспечивает высокую эффективность предложенных конструкций ректенн с пространственно развитыми антенными элементами (до 96%).

Установлено, что использование в дисковой микрополосковой антенне щелей, направленных вдоль линий тока для основной моды ТМ11, дает возможность в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения дисковой антенны на удвоенной частоте.

Научная и практическая значимость Результаты диссертационной работы дают возможность прогнозировать приемные характеристики ректенных элементов для экологически безопасных систем микроволновой передачи энергии с неоднородным распределением плотности электромагнитного излучения в плоскости приема.

Применение многодипольных ректенн, содержащих несколько диполей, нагруженных на один полупроводниковый диод, даст возможность повысить эффективность обратного преобразования микроволн в электрический ток в результате увеличения высокочастотной мощности на диоде Шоттки. Однако это потребует более тщательного позиционирования и юстировки приемных систем на передающую антенну.

Применение ректенны с дисковой микрополосковой антенной уменьшает в 4-5 раз уровень переизлучения кратных гармоник рабочей частоты, возникающих на полупроводниковом диоде в процессе преобразования микроволн в постоянный ток. Использование щелей, направленных вдоль линий тока для основной моды ТМ11, дает возможность дополнительно в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения дисковой антенны на удвоенной частоте.



Защищаемые положения 1. Для достижения высокой эффективности наземных микроволновых линий передачи энергии с мощностью 10-100 кВт и безопасным уровнем фонового излучения наиболее рационально использовать ректенны с многодипольными антеннами, обеспечивающие оптимальный уровень входной мощности на диоде Шоттки.

2. Диаграммы направленности многодипольных ректенн сужаются при увеличении числа дипольных элементов (до 15-20° на частоте 2,45 ГГц) и значительно отличаются от диаграммы направленности ректенного элемента с одиночным диполем. Применение многодипольных ректенн в наземных линиях передачи энергии потребует более тщательного позиционирования и юстировки приемных систем на передающую антенну.

3. Выбор оптимального расстояния между диполями, конфигурации диполей и расположения выхода антенного элемента обеспечивает высокую эффективность приема микроволн ректеннами с пространственно развитыми антенными элементами (до 96%).

4. Использование в дисковой микрополосковой антенне щелей, направленных вдоль линий тока для основной моды ТМ11, дает возможность в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения антенны на удвоенной частоте.

Апробация работы и публикации Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались автором на IX Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (24-29.05.2004), X Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (23-28.05.2005), X Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах»

(22-27.05.2006), Научной сессии МИФИ-2005 (24-28.01.2005), Научной сессии МИФИ-2006 (23-27.01.2006), Научной сессии МИФИ-2007 (22-26.01.2007) и опубликованы в трудах этих конференций, а также в препринтах Физического факультета МГУ:

Ян Чунь, В.Л. Саввин, Направленность ректенных решеток с пространственно развитыми антенными элементами//Препринт Физического факультета МГУ, №11/2006, стр.1-29, 2006;

Ян Чунь, В.Л. Саввин, Моделирование дисковых микрополосковых ректенн//Препринт Физического факультета МГУ, №14/2006, стр.1-18, 2006.

Статья «Направленность многодипольных антенн в системах микроволновой передачи энергии» направлена в журнал «Вестник МГУ, серия физика, астрономия».

Материалы работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры радиофизики МГУ им. М.В. Ломоносова.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа (129 страниц) состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (82 ссылки), иллюстрирована 79 рисунками и содержит 14 таблиц.





ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 посвящена обзору научных публикаций по проблемам и перспективам микроволновой передачи энергии. В параграфе 1.1 изложена краткая история развития беспроводной передачи энергии. В параграфе 1. обсуждаются проблемы и перспективы солнечной космической энергетики, включая проекты солнечных космических электростанций. Обзор работ по экспериментальным микроволновым системам передачи энергии проведен параграфе 1.3. Вопросы безопасности микроволновой передачи энергии и плотности потока энергии направленного микроволнового излучения обсуждаются параграфе 1.4.

Глава 2 посвящена теоретической модели для расчета поля излучения на апертуре приемной антенны.

В параграфе 2.2 рассмотрена осе-симметричная модель микроволновой передачи с линейной поляризацией электрической поля. Знание распределения электрического поля на передающей антенне E A дает возможность определить распределение поля в приемной области E : R k r2 R 1 (r) = jk e j (k D+ 2D ) E (r)e j 2D J ( k rr)rdr kr A (1) ER D D где E A = E Ae j A, ER = ER e j R, EA и ER - распределения амплитуды поля в плоскости передающей и приемной антенн;

A и R - соответствующие распределения фазы поля, D – расстояние между антеннами, J 0 ( z ) - функция Бесселя нулевого порядка, r – радиус в цилиндрической системе координат, R - радиус передающей антенны.

Для дискретного распределения амплитуды поля на передающей антенне в виде N концентрических колец распределение поля в приемной области имеет вид:

kR12 N n xn21 (2 xn r / R2 ) ER (r ) = Emax (2) 2 D n= Emax = max { En } ;

n = n n+1;

n = En / Emax xn = rn / R где и относительная амплитуда и радиус n-го кольца.

Полная мощность излучения, перехваченная приемной ректенной, и мощность, излученной передающей антенной, могут быть определены суммированием по соответствующей апертуре:

N N PR = p A R n xn I nm 2 (3) n =1 m = N PT = p A R 2 (4) xn 1 n n = где I nm = xn xm J1( xn z )J 2 ( xm z )z 1dz, p A = Z 0 1Emax (максимальная плотность мощности на передающей антенне), n = n n+1;

n = En / Emax и xn = rn / R1 относительная амплитуда и радиус n-го кольца.

В параграфе 2.3 приведены результаты моделирования поля излучения для наземной линии передачи с мощностью 10 кВт. Плотность мощности падающего излучения заметно изменяется на апертуре приемного антенны (до 10 дБ). На рис. 1 представлены результаты моделирования плотности мощности микроволн в приемной плоскости в зависимости от радиуса. В центре приемной антенны плотность мощности микроволн максимальна и равна 3.0 мВт/см2, к краю антенны (r=17 м) она уменьшается до 0,35 мВт/см2.

Плотность мощности микроволн в максимумах боковых лепестков не превышает 0.02 мВт/см2, что существенно ниже стандарта на безопасное микроволновое излучения как стран Запада, так и стандарта КНР.

Рис. 1. Распределение плотности мощности микроволн в плоскости приемной антенны в зависимости от радиуса.

В параграфе 2.4 обсуждаются проблемы эффективности преобразования микроволнового излучения в электрический ток, вызванные неоднородностью Рис. 2. Ректенный элемент с однополупериодным выпрямителем на диоде с барьером Шоттки, 1- полуволновой диполь, 2- отражающая поверхность, 3 встроенный фильтр нижних частот, 4- диод Шоттки, 5- выходной фильтр, 6 нагрузка в цепи постоянного тока.

распределения плотности мощности микроволн в приемной плоскости. Для приема и преобразования микроволн обычно используются ректенны, содержащие полуволновый диполь в качестве приемной антенны и полупроводниковый диод Шоттки (см. рис. 2).

Для современных СВЧ диодов Шоттки максимальная эффективность преобразования микроволн (до 90%) достигается в оптимальных режимах по уровню входной мощности - 1-2 Вт/диод (см. рис. 3).

Рис. 3. Зависимость КПД ректенны (Рвых/Рвх), потерь на диоде (Рпд/Рвх) и потерь в фильтре от уровня входной мощности (Рвх) для экспериментального образца ректенны с диодом Шоттки При низком уровне входной мощности эффективность диода Шоттки сильно уменьшается. Неоднородность мощности микроволнового излучения в приемной плоскости может вызвать существенное снижение эффективности преобразования при использовании однотипных ректенн на всей апертуре приемной антенны. Одним из решений этой проблемы может быть соединение нескольких диполей в антенный элемент, нагруженный на один СВЧ-диод, при сохранении оптимальной плотности диполей. Диаграмма направленности подобных элементов может заметно отличаться от диаграммы направленности одноэлементного ректенного преобразователя с полуволновой дипольной антенной. Это обстоятельство требует детального исследования, т.к. оно может существенно отразиться на общих энергетических характеристиках микроволновых линий передачи.

Глава 3 посвящена моделированию приемных ректенн с многодипольными антеннами и содержит результаты расчета их диаграмм направленности.

В параграфе 3.2 описана методика моделирования приемных ректенн с многодипольными антеннами. Для анализа характеристик многодипольных антенных элементов использован метод, основанный на дискретизации интегральной формы уравнений Максвелла. Для численного решения область решения разбивается на множество ячеек (сетку), ортогонально к этой первичной сетке создается вторичная сетка ячеек. Распределение компонент электрической напряженности e и магнитной индукции b локализованы на первичной сетке, а распределение компонент магнитной напряженности h и электрической индукции d на вторичной сетке. При этом интеграл по контуру может быть записан с достаточной точностью как сумма четырех напряжений e в узлах сетки, а производная магнитной индукции по времени рассчитывается на первичной сетке. Повторяя эту процедуру для всех доступных ячеек первичной сетки, схема вычислений уравнений Максвелла может быть представлена в матричной формулировке:

d C e= b, (5) dt d ~ Ch = d+ j, (6) dt ~ Sd = q, (7) Sb = 0. (8) d = M e, (9) b = Mµ h, (10) j = M e + j s, (11) % % где C, C, S S - дискретные матричные операторы, состоящие из элементов 0, 1 и -1. Начальные и граничные условия на сеточном пространстве задавались в зависимости от исследуемой конфигурации антенных элементов.

В процессе расчетов вычислялись значения направленности K ( ) = 4 P Po многодипольных антенн и эффективности приема излучения Eff = ( Po Pп ) Po 1, где Po и P - полная мощность и мощность излучения из единичного угла, Pп - мощность потерь излучения в многодипольной антенне.

Параграф 3.3 содержит результаты исследований двух типов дипольных антенных решеток с различным числом элементов, предназначенных для работы в ректенных преобразователях на частоте 2,45 ГГц. Изучались свойства многодипольных 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 отражающей проводящей поверхности, 1,2,3,4 – номера столбцов диполей в решетке.

Исследовано влияние выступающей части отражающей проводящей поверхности за внешний контур дипольных антенн на уровень усиления многодипольной антенной решетки. Расчеты показали, что при размере выступающей части, превышающем значение 2, значения фронтальной и тыльной направленности системы практически не изменяются при изменении размера выступающей части отражателя, уровень боковых лепестков диаграммы направленности при этом изменяется также незначительно. Поэтому в целесообразно ограничить размер выступающей части и в дальнейших расчетах применялось условие =2.

На рисунках 5а – 5г показаны примеры моделирования дипольных антенных решеток и сеточное пространство, в котором решалась поставленная задача. Шаг сетки по осям X и Y выбрался автоматически, в зависимости от изменений граничных условий, и обеспечивал необходимую точность численных вычислений.

a б в г Рис. 5. Модели многоэлементных дипольных антенных решеток, a - элементов (воздух), б - 9 элементов (воздух), в - 16 элементов (тефлон), г - элементов (тефлон).

Пространство между плоскостью диполей и металлическим отражателем заполнено диэлектрической подложкой. В качестве диэлектрической подложки рассматривались воздух, арлон AD320, кварц, аморфный кремний, тефлон. На рис. 6 показаны их диаграммы направленности на частоте 2,45ГГц. При увеличении числа диполей диаграмма направленности сужается.

б a г в Рис. 6. Трехмерные диаграммы направленности многодипольных антенных решеток с воздушной подложкой, a - 5 элементов, б - элементов, в - 16 элементов, г - 18 элементов.

На рис. 7 и рис. 8 показаны рассчитанные диаграммы направленности антенных решеток в плоскости =900 и =00 относительно диполей для нормального падения микроволнового излучения.

Рис. 7. Диаграмма направленности дипольных антенных решеток в плоскости =900 для нормального падения микроволнового излучения. 1- одиночный диполь, 2- решетка из 5 диполей, 3- решетка из 9 диполей, 4- решетка из диполей, 5- решетка из 18 диполей.

Рис. 8. Диаграмма направленности дипольных антенных решеток в плоскости =00 для нормального падения микроволнового излучения. 1- одиночный диполь, 2- решетка из 5 диполей, 3- решетка из 9 диполей, 4- решетка из диполей, 5- решетка из 18 диполей.

При увеличении числа диполей в антенне направленность ректенны увеличивается. Для выбранных расстояний между диполями «треугольное»

расположение диполей является более эффективным и обладает большей направленностью по сравнению с «прямоугольной» конфигурацией. При увеличении расстояний между диполями в «прямоугольной» антенной решетке до величин, дающих плотность расстановку элементов, сравнимой с плотностью элементов для «треугольной» конфигурации, наблюдается сближение значений их направленности и эффективности.

При несинфазном суммировании принятого микроволнового излучения отдельными элементами многодипольной антенной решетки ее диаграмма направленности становится несимметричной (см. рис. 9). Рассмотрены случаи сдвига фазы принятого излучения с формированием волнового фронта, наклонного (в пределах 0-60°) к фронту падающего излучения.

Рис. 9. Диаграмма направленности в плоскости =00 для «треугольной»

антенной решетки с 18-ю диполями при несинфазном суммировании принятого микроволнового излучения. 1- синфазное суммирование, 2- угол наклона волнового фронта - 150, 3- угол наклона волнового фронта - 600.

В параграфе 3.4 приведены результаты расчетов влияния возможных дефектов различных столбцов диполей элементов в «треугольной» решетке с элементами на форму и симметрию диаграммы направленности. Как показали результаты расчетов (см. табл. 1), дефект столбцов может вызвать лишь незначительное уменьшение направленности решетки (на 1-2 дБ).

Таблица 1. Влияние дефектов в многодипольной антенне.

Конфигурация «треугольная», 18 диполей Дефекты диполей нет столбец 1 столбец 2 столбец 3 столбец Направленность, дБ 19,1 18,1 17,9 18,2 17, Ширина диаграммы в плоскости =900 18 19,2 20,2 19,3 20, в плоскости =0 20 21,6 22,5 21,7 22, В параграфе 3.5 изучено влияние материала подложки на характеристики многодипольных антенн. В качестве модели выбрана 18-элементная дипольная решетка, описанная выше. В качестве исследуемых материалов были выбраны тефлон (PTFE), арлон (AR 320), плавленный кварц, аморфный кремний.

Результаты показаны на таблице 2.

Таблица 2. Влияние диэлектрических свойств материала подложки на характеристики 18-элементной дипольной решетки.

Диэлектрик Воздух Тефлон Арлон Кварц Кремний PTFE AR 320 Плавл. аморфн.

1,0 2,08 3,2 3,78 11, µ 1,0 1,0 1,0 1,0 1, tang 0,00 0,0004 0,0003 0,0001 0, Направленность, дБ 19,1 18,7 18,6 18,3 15, осн.максимум 18 18 18 18 (=90 ) КПД, % 0,98 0,98 0,97 0,97 0, осн.максимум 20 20 20 20 (=0 ) Расчеты показали, что в случае применения материалов с значением в пределах 1- 4 и малыми потерями направленность 18-элементных дипольных решеток практически не отличаются друг от друга. Применение в качестве диэлектрической подложки кремния ( =11,9, tang =0,004) приводит к видимому ухудшению КПД и направленности решетки.

Глава 4 посвящена изучению направленности приемных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами. Ректенна с пространственно развитым диполем (диполь Н-типа) была предложена для использования в микроволновой линии передачи, разрабатываемой во Франции, с целью снижения плотности приемных элементов. В диссертационной работе рассматриваются три типа предложенных ректенн с пространственно развитыми диполями и проводится их сравнение с ректенной с диполем Н-типа.

Параграф 4.2 содержит описание моделирования приемных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами, схемы которых показаны на рис. 10.

б a г в Рис. 10. Модели 5-элементных антенных решеток с пространственно развитыми диполями, a - H тип, б - H1 тип, в - H2 тип, г - H3 тип.

Параграф 4.3 содержит результаты расчета диаграмм направленности многодипольных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами. На рис. 11 приведены трехмерные диаграммы направленности единичного диполя с пространственно развитыми антенными элементами, соответственно а – для H типа, б – для H1 типа, в – для H2 типа и г – для H типа.

В параграфе 4.4 проведен сравнительный анализ диаграмм направленности ректенн с различной конфигурацией антенных элементов. На рис. 12 показаны диаграммы направленности 5-элементых антенных решеток с «треугольным»

расположением элементов, образованных диполями типа Н, Н1, Н2 и Н3 в =900.

плоскости Наибольшим значением направленности среди рассмотренных 5-элементных антенных решеток обладает решетка, образованная диполями типа Н, однако ей же присуща самая узкая угловая область приема излучения – менее 150 по уровню –3 дБ в плоскости =900.

б a г в Рис. 11. Трехмерные диаграммы направленности ректенн с пространственно развитым 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 соответственно) в плоскости =900.

Решетки, образованные диполями типа Н1, Н2 и Н3, имеют угловую ширину приема в 2 раза больше. Одновременно они обладают меньшим уровнем боковых лепестков по сравнению с решеткой, образованной диполями типа Н. На рис. 13 показаны диаграммы направленности 18-элементых антенных решеток с «треугольным» расположением элементов, образованных диполями Рис. 13. Диаграммы направленности 18-элементых антенных решеток, образованных диполями типа Н, Н1, Н2 и Н3 (кривые 1, 2, 3 и соответственно) в плоскости =900.

типа Н, Н1, Н2 и Н3 в плоскости =900. Диаграммы направленности 18-элементных антенных решеток обладают свойствами, характерными для решеток с «треугольным» расположением элементов. Уровень боковых лепестков существенно ниже, чем у решеток с «прямоугольным»

расположением элементов. Наибольшим значением направленности среди рассмотренных 18-элементных решеток обладает решетка, образованная диполями типа Н, однако ей же присуща самая узкая угловая область приема излучения – менее 100 по уровню –3 дБ в плоскости =900. Решетки, образованные диполями типа Н1, Н2 и Н3, имеют угловую ширину приема в 2- раза больше.

Параграф 4.5 содержит результаты исследования влияние взаимного расположения антенных элементов на направленность ректенн. Сравнение диаграмм направленности рассмотренных решеток демонстрирует важность выбора расстояния d между диполями. При увеличении расстояния между диполями КПД решетки уменьшается одновременно с ухудшением направленности и сужением основного лепестка.

Глава 5 посвящена исследованию ректенн с дисковыми микрополосковыми антеннами.

В параграфе 5.2 обсуждаются резонансные свойства дисковых микрополосковых антенн. Дисковая микрополосковая антенна (ДМА) представляет собой двухслойную композицию круглой формы из тонкого металлического диска и диэлектрической подложки, нанесенную на плоскую металлическую поверхность (см. рис. 14). Резонансные частоты круглой ДМА можно определить из решений уравнения J n (kn a ) = 0, (12) k = 2 f o o µo, (13) где J n ( k n a ) - производная функции Бесселя первого рода n -го порядка, a – Рис. 14. Дисковая микрополосковая антенна, 1- металлический диск, 2 диэлектрическая подложка, 3- металлический отражатель, 4- коаксиальный вывод.

радиус круглого диска, f o - рабочая частота, - относительная подложки, o, µo - диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума.

Радиус диска выбирался из условия резонанса для основной моды ТМ на рабочей частоте f o. Как следует из решения уравнений (12-13) резонансные частоты круглой ДМА для других мод не совпадают с частотами кратных гармоник рабочей частоты f o, возникающих в процессе выпрямления на диоде (см. рис. 15). Поэтому интенсивность переизлучения на частотах кратных гармоник у ректенн с ДМА будет существенно ниже, чем у ректенн с полуволновым диполем.

Рис. 15. Резонансные частоты круглой ДМА относительно частот кратных гармоник рабочей частоты f o.

Параграф 5.3 содержит результаты моделирования приемной ректенны с дисковой микрополосковой антенной. Шаг сетки по осям X и Y выбрался автоматически, в зависимости от изменений граничных условий, и обеспечивал необходимую точность численных вычислений. Минимальное значение шага сетки равнялось 0,08мм. Максимальное общее число ячеек сетки превышало 1,5 млн. На рис. 16 приведены результаты расчета диаграммы направленности ДМА 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. Максимальное расчетное значение направленности дисковой антенны составило 7,0 дБ.

Рассчитанное значение КПД антенны достигает 84% и ограничено потерями в диэлектрике. Распределение плотности тока по поверхности диска антенны для доминантной 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 А/м для выбранного уровня мощности на рабочей частоте. В области коаксиального вывода наблюдается искривление линий тока на поверхности диска.

Результаты расчета плотности тока по поверхности диска антенны для удвоенного значения рабочей частоты ( f1 = 2 f o = 4,9 ГГц) представлены на рис.

18. На удвоенной частоте f1 возбуждается, главным образом, мода ТМ01.

Рис. 18. Распределение плотности тока на поверхности ДМА ( f1 = 4,9 ГГц).

Линии тока направлены, в основном, по радиальным направлениям от центра антенны. Однако из-за разницы между частотой возбуждения и резонансного значения частоты для моды ТМ01 амплитуда плотности тока на поверхности диска не превышает уровня 22 А/м, т.е. в четыре раза ниже уровня для частоты f o = 2,45 ГГц. Тем самым подтверждается предположение о подавлении переизлучения кратных гармоник рабочей частоты в дисковой микрополосковой антенне.

В параграфе 5.4 приведены результаты расчетов изменения амплитуды поля на удвоенной частоте при введении щелевых отверстий на поверхности диска. Модель дисковой микрополосковой антенной с щелевыми отверстиями и сеточное пространство приведены на рис. 19.

Рис. 19. Модель дисковой антенны со щелями.

Распределение линий тока на поверхности ДМА со щелями, возбуждаемых на частоте f o = 2,45 ГГц, представлено на рис. 20. Введение дополнительных щелей в диск антенны не вносит значительных изменений в распределение тока на поверхности антенны на рабочей частоте. Амплитудное значение плотности тока практически не изменилось и осталось на уровне 88 А/м, несмотря на некоторое несоответствие выбранного радиуса кривизны щелей форме линий тока. Таким образом, введение щелей не скажется на интенсивности моды ТМ11, возбуждаемой на рабочей частоте f o.

Рис. 20. Распределение плотности тока на поверхности ДМА со щелями на частоте f o = 2,45 ГГц.

На рис. 21 показано распределение плотности тока на удвоенной частоте 4,9 ГГц. В области антенны, где щели пересекали радиальные линии тока для моды ТМ01, плотность тока падает практически до нуля. Максимальный уровень плотности тока наблюдается в районе коаксиального вывода и не превышает уровня 5,6 А/м, т.е. практически в четыре раза ниже по сравнению с уровнем для антенны без щелей.

Рис. 21. Распределение линий тока на поверхности антенны ДМА со щелями на удвоенной частоте 4,9 ГГц.

Таким образом, проведенные моделирование показало, что введение в конструкцию антенны щелей, направленных вдоль линий тока для основной моды, дает возможность заметно (в четыре раза) уменьшить интенсивность возбуждения антенны на удвоенной частоте по сравнению с обычной ДМА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выбор оптимальных параметров наземной микроволновой линии передачи энергии (уровня передаваемой мощности, профиля поля на передающей антенне, параметра передачи tau и др.) дает возможность обеспечить эффективную (с КПД 80% и более) и экологически безопасную передачу энергии направленным микроволновым излучением.

2. Для достижения высокой эффективности наземных микроволновых линий передачи энергии с мощностью 10-100 кВт и экологически безопасным уровнем фонового излучения наиболее рационально использовать ректенны с многодипольными антеннами, обеспечивающие оптимальный уровень входной мощности на диоде Шоттки.

3. Диаграммы направленности многодипольных ректенн сужаются при увеличении числа дипольных элементов (до 15-20° на частоте 2,45 ГГц) и значительно отличаются от диаграммы направленности ректенного элемента с одиночным диполем. Применение многодипольных ректенн в наземных линиях передачи энергии потребует более тщательного позиционирования и юстировки приемных систем на передающую антенну.

4. Выбор оптимального расстояния между элементами, конфигурации диполей и расположения выхода антенны обеспечивает высокую эффективность приема микроволн ректеннами с пространственно развитыми антенными 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 раз из-за несовпадения их частот с резонансными частотами круглой ДМА.

6. Использование в дисковой антенне щелей, направленных вдоль линий тока для основной моды ТМ11, дает возможность дополнительно в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения антенны на удвоенной частоте.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Казарян Г.М., Саввин В.Л., Ян Чунь, Экологические аспекты беспроводной передачи энергии СВЧ пучком// Сб. тр. конф. «Научная сессия МИФИ-2004», Т. 8, 2004, С. 25-26.

2. Казарян Г.М., Рудаков А.В., Саввин В.Л., Ян Чунь, Радиофизические и экологические аспекты наземной микроволновой линии передачи энергии//Тр.

IX Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах»,Секция 6, 2004, Звенигород Моск. обл., С.86-87.

3. Казарян Г.М., Рудаков А.В., Саввин В.Л., Ян Чунь, Экологическая безопасность 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 излучателей микроволн//Тр. X Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн», 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 передачи энергии// Сб. тр. конф. «Научная сессия МИФИ-2006», Т. 8, 2006, С. 12-14.

6. Саввин В.Л., Ян Чунь, Расчет поля излучения фазированной антенной решетки в микроволновой передаче энергии// Сб. тр. конф. «Научная сессия МИФИ-2006», Т. 8, 2006, С. 14-15.

7. Саввин В.Л., Ян Чунь, Многодипольные антенны в системах микроволновой передачи энергии// Тр. X Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Секция 7, 2006, Звенигород Моск.

обл., С.72-74.

8. Ян Чунь, Саввин В.Л., Направленность ректенных решеток с пространственно развитыми антенными элементами//Препринт Физического факультета МГУ, №11/2006, стр.1-29, 2006.

9. Ян Чунь, Саввин В.Л., Моделирование дисковых микрополосковых ректенн//Препринт Физического факультета МГУ, №14/2006, стр.1-18, 2006.

10. Саввин В.Л., Ян Чунь, Многоэлементные антенные решетки в микроволновой линии передачи энергии// Сб. тр. конф. «Научная сессия МИФИ-2007», Т. 8, 2007, С. 16-17.

Подписано к печати Тираж Заказ Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.