Енергетичні характеристики крупноапертурних антен-випрямлячів при неспіввісному розміщенні передавальної та приймальної апертур у зоні Френеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергетичні характеристики крупноапертурних антен-випрямлячів при неспіввісному розміщенні передавальної та приймальної апертур у зоні Френеля

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Крупноапертурні антени-випрямлячі (ректени) входять до складу потужних систем безпроводової передачі енергії (БПЕ) і призначені для перетвореня енергії мікрохвильового променя в постійний струм. Вони складаються з великої кількості виконаних на діодах Шотткі приймально-випрямних елементів (ПВЕ), потужність постійного струму з виходів яких сумуеться схемою збору. Параметри ректени суттево впливають на ефективнисть систем БПЕ, яку прийнято оцінювати результувальним ККД ( - ККД перехоплення енергії мікрохвильового променя апертурою ректени; - ККД випрямлення ректени; - ККД збору потужності постійного струму), питомою поверхневою потужністю P_s (потужність постійного струму, що знімається з одиниці площі апертури ректени) і рівнем побічного випромінювання о.

Сучасний етап розвитку теорії і техніки крупноапертурних ректен характеризується розширенням їх досліджень в міліметровому діапазоні хвиль (ММДХ) з метою створення систем БПЕ для підживлення енергією висотних платформ і космічних апаратів.

Одна із особливостей таких систем полягає в неспіввісному розташуванні апертур передавальної антени і ректени. Друга - в обмежені потенційних можливостей компонентної бази ММДХ (малий ККД випрямлення і мала допустима вхідна потужність Р_д діодів Шотткі, високий рівень побічного випромінювання наявних ПВЕ). Ці чинники призводять до зниження ефективності і загострення проблеми ЕМС систем БПЕ ММДХ.

Таким чином, для реалізації перспективних проектів систем БПЕ необхідно вирішити низку складних завдань. В області теорії: синтез амплітудного розподілу (АР) поля по апертурі ректени, при якому досягається максимум з_?, як добутку парціальних ККД перехоплення, випрямлення і збору; створення методів аналізу ректен, які враховують вплив на їх параметри неспіввісність апертур системи БПЕ і особливостей випрямлячів міліметрового діапазону на діодах Шотткі. В області практики - використання запропонованих методів синтезу і аналізу наукового обґрунтування і розробки рекомендацій по створенню крупноапертурних ректен з характеристиками, близькими до потенційно можливих.

Дослідженню комплексу зазначених перспективних завдань і присвячена дисертація, що засвідчує актуальність її теми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації пов'язані з планом держбюджетних НДР, що фінансуються Міністерством освіти і науки України: №116-1 «Розвиток теорії електродинамічних структур з розподіленими нелінійними елементами та її використання для пошуку шляхів створення безпроводових систем передачі енергії міліметрового діапазону хвиль» №Державної реєстрації 0100U001345, №154-1 «Фундаментальні дослідження мікрохвильових інтегрованих антен в інтересах створення ефективних інформаційних і енергетичних РЕЗ», а також госпдоговірної НДР за контрактом №03-31 «Дослідження параметрів ЕМС проводових антен систем абонентського доступу».

Мета роботи полягає в розвитку методів аналізу енергетичних характеристик крупноапертурных антен-випрямлячів при неспіввісному розміщенні у зоні Френеля приймальної і передавальної апертур систем БПЕ.

Відповідно до поставленої мети в дисертації сформульовані і вирішені такі задачі досліджень.

1. Удосконалення методів дослідження антен-випрямлячів, розміщених співвісно щодо передавальної апертури: розроблення моделі ПВЕ крупноапертурної антени-випрямляча, придатної для їхнього аналізу і проектування в міліметровому діапазоні хвиль; визначення умов досягнення максимуму результувального ККД системи БПЕ; синтез поля збудження джерела випромінювання, що забезпечує в зоні Френеля найбільш близький до рівномірного АР по апертурі ректени.

2. Створення моделей, призначених для аналізу ККД перехоплення, випрямлення і збору, а також потужності побічного випромінювання в зоні Френеля крупноапертурних ректен, при різному ступені несиметрії їх поля збудження, що виникає за рахунок неспіввісного розміщення приймально-випрямної апертури й апертури передавальної антени з незмінним АФР.

3. Використання створених моделей для числових досліджень характеристик ПВЕ і крупноапертурних антен-выпрямлячів міліметрового діапазону хвиль і розроблення на основі цих досліджень рекомендацій з удосконалення систем безпроводової передачі енергії.

Об'єкт дослідження - процес перетворення антенами-випрямлячами енергії падаючого мікрохвильового променя в постійний струм.

Предмет дослідження - моделі крупноапертурних антен-випрямлячів, що враховують: неспіввісне розміщення передавальної і приймальної апертур у системах БПЕ мікрохвильовим променем, а також вплив паразитних елементів корпусу й опору втрат діодів Шотткі; спосіб досягнення максимального результувального ККД у системах БПЕ.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використовувалися методи загальної теорії антен і антен з нелінійними елементами, теорії НВЧ-кіл, а також методи числового і математичного моделювання.

Наукова новизна результатів роботи полягає в удосконаленні методу аналізу енергетичних характеристик крупноапертурних антен-випрямлячів, який заснований на наближенні Гюйгенса-Кірхгофа і представленні крупноапертурних ректенних систем (КРС) у вигляді нескінченної періодичної антенної решітки з нелінійними елементами. Конкретно:

1. Розвинено методи аналізу енергетичних характеристик КРС у випадку співвісних апертур, що є необхідною основою для переходу до вирішення задачі про визначення характеристик КРС із несиметрично збуджуваною неспіввісною апертурою. Новизна цих досліджень полягає ось у чому.

а). Запропоновано наближену модель ПВЕ, як чарунки періодичності ректен. Вона заснована на методі гармонічного балансу, враховує вплив паразитних елементів корпусу діодів Шотткі та їхній опір втрат і в порівнянні з існуючими моделями істотно спрощує вирішення задачі по вибору раціональної структури КРС.

б). Запропоновано ідею досягнення максимального ККД системи БПЕ за рахунок збудження приймально-випрямної апертури (ПВА) полем з АР, максимально близьким до рівномірного. Апертурним методом вирішено задачу синтезу такого амплітудного розподілу при заданій геометрії системи БПЕ.

в). Отримано раніше не відомі формули для розрахунку ККД випрямлення, збору і потужності побічного випромінювання, які одночасно враховують вплив квадратичності фазового розподілу по апертурі ректени і ступінь нелінійності її динамічних характеристик.

2. Уперше вирішено задачу визначення енергетичних характеристик КРС як на основній частоті, так і на частотах гармонік залежно від ступеня неспіввісності апертур системи БПЕ при незмінному АФР передавальної антени.

Практична цінність результатів роботи полягає в тому, що отримано нові знання і розроблено раніше не відомі рекомендації, необхідні для практичної діяльності розроблювачів КРС і систем БПЕ в цілому. А саме:

1. Конкретизовано шляхи побудови ПВЕ ректенн міліметрового діапазону хвиль. Показано, що як випромінювальну структуру антен-випрямлячів краще застосовувати структури типу «сітка» з таких причин:

а) квадратичний фазовий розподіл поля падаючої хвилі слабко впливає на вхідний імпеданс чарунок Флоке сіткової структури, розміщених на різних ділянках апертури ректенної решітки, що істотно спрощує конструкцію ректен, бо відпадає необхідність настроювання в резонанс кожної підрешітки;

б) площа настроєної в резонанс чарунки Флоке сіткової структури набагато менша квадрата довжини хвилі, що дозволяє досягти великих значень потужності постійного струму, яка «знімається» з 1 м² (до 7 кВт/м²);

в) при використанні в сіткових КРС корпусних діодів Шотткі, за рахунок впливу їхніх паразитних елементів, вхідний опір чарунок періодичності на частотах вищих гармонік істотно знижується, що дозволяє досягти гарного рівня подавлення побічного випромінювання (порядку -50 дБ).

2. Запропоновано новий підхід до побудови систем БПЕ з високим результувальним ККД за рахунок реалізації АР на передавальній антені, при якому поле уздовж апертури ректени спадає до країв повільніше в порівнянні з гауссовим АР.

3. Уперше виявлено ступінь впливу неспіввісності приймальної і передавальної антен на ефективність систем БПЕ. З'ясовано, що при неспіввісному розміщенні апертур передавальної антени і ректени на погіршення результувального ККД системи БПЕ кожна з парціальних складових ККД впливає фактично рівноправно. Показано, що при реалізації систем БПЕ не слід допускати неспіввісності апертур понад 40%, тому що при перевищенні цього значення неспіввісності ККД системи БПЕ різко зменшується.

4. Матеріали дисертації використовуються в учбовому процесі кафедри ОРТ ХНУРЕ при виконанні магістерських робіт, курсового та дипломного проектування (акт впровадження від 1.11.2003 р.). Отримані розрахункові співвідношення для визначення поля побічного випромінювання застосовані при виконанні НДР за контрактом №03-31 «Дослідження параметрів ЕМС проводових антен систем абонентського доступу». Це підтверджено актом упровадження від 31.10.2003 р. у Харківського державного регіонального науково-технічного центру по питанням технічного захисту інформації.

Особистий внесок автора: Основні наукові результати отримані автором особисто; узагальнено світовий досвід розвитку теорії і техніки систем БПЕ [1, 2, 9-12]; побудовано модель ПВЕ ММДХ [6-8, 13]; досліджено способи реалізації антен-випрямлячів з високим ККД [5, 14]; розроблено математичну модель для аналізу енергетичних характеристик ректен при їхньому несиметричному збудженні [3, 4, 15-17]. Співавтори в опублікованих роботах брали участь у вирішенні ряду конкретних задач, що виникали при їхній алгоритмізації, у розробці комплекту прикладних програм, проведенні експериментальних досліджень, аналізі результатів і формулюванні узагальнюючих висновків.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені й обговорені на 1-ій Українській конференції по перспективних космічних дослідженнях (Київ, 2001); 3-ій, 4-ій міжнародних науково-практичних конференціях «Сучасні інформаційні й електронні технології» (Одеса, 2002, 2003); 1-му міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладна радіоелектроніка: стан і перспективи розвитку» МРФ-2002 (Харків); 5-му, 6-му, 7-му міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті» (Харків, 2001, 2002, 2003); 12-ій міжнародній Кримській конференції «НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (Севастополь, 2002); 4-ій міжнародній конференції по теорії і техніці антен (Севастополь, 2003).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 8 статтях, виданих у періодичних журналах і збірниках, що входять у перелік ВАК України, і в 10 доповідях, що ввійшли в Праці конференцій різного рангу.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, узагальнюючих висновків, списку використаних джерел із 124 найменуваннями (14 с.). Загальний обсяг дисертації 143 сторінки, з них основного тексту - 125 сторінок, ілюстрованих 56 рисунками (2 с без тексту) і 26 таблицями.

Основний зміст роботи

френель антена випрямляч випромінювання

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, вказується зв'язок роботи з науковими програмами і темами, визначені мета і задачі досліджень, вказується об'єкт, предмет і методи досліджень, викладені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора в роботи, виконані в співавторстві, апробація результатів дисертації та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі, що носить оглядово-концептуальний характер, показано, що в найближчій перспективі основна увага буде приділена розвитку систем БПЕ як засобів космічної енергетики, що дозволяють здійснити в міліметровому діапазоні хвиль (ММДХ) підживлення групи космічних апаратів (КА) (на борті яких встановлені антени-випрямлячі) від енергосупутника, що утилізує енергію сонця і випромінює в напрямку КА мікрохвильовий промінь. Як показав огляд опублікованих робіт, дослідження ПВЕ ректенн ММДХ знаходяться на початковому етапі, тому що схемотехніка ПВЕ розвинута недостатньо, а їхній розрахунок провадиться за наближеними, слабко обґрунтованими моделями.

Не повністю побудовані і моделі, призначені для аналізу енергетичних характеристик крупноапертурних ректен зі співвісним розміщенням апертур. Їм, на наш погляд, властиві такі недоліки. При побудові моделі системи БПЕ в співвісному випадку розглядалося збудження апертури КРС тільки гауссовим пучком, що на нашу думку не приводить до досягнення максимуму ККД усієї системи. Формули для швидкої оцінки ККД випрямлення, збору, а також потужності побічного випромінювання КРС, у які в явному виді входять параметри, що відбивають ступінь нелінійності динамічних характеристик ПВЕ на частотних гармоніках і постійному струмі, отримані у відомих роботах без врахування впливу фазового квадратичного розподілу.

Задача про необхідну точність наведення мікрохвильового променя на апертуру ректени і її вплив на ефективність КРС практично не розглядалася. Потреба у вирішенні цієї задачі виникає при підживленні рухомих об'єктів, коли можливий зсув апертур передавальної і приймальної антен системи БПЕ від співвісного положення.

Виявлені обставини і визначили формування наступної концепції досліджень по дисертації: удосконалення відомих для співвісного випадку моделей ректен, що враховують їхні особливості функціонування у ММДХ, а потім розроблення на базі удосконалених моделей методів аналізу несиметрично збуджуваних (при наявності неспіввісності) апертур ректен.

Другий розділ. Розглядові крупноапертурних ректен передували дослідження ПВЕ на діодах Шотткі (методом еквівалентних схем) як чарунок періодичних антен з нелінійними елементами. Ректени мікрохвильового діапазону являють собою крупноапертурні періодичні антени з нелінійними елементами, що дозволяє при їхньому розрахунку застосувати наближення нескінченних решіток і перейти до розгляду однієї чарунки Флоке.

Запропоновано наближену еквівалентну схему ПВЕ з корпусним (рис. 1, а) і безкорпусним (рис. 2, а) діодом Шотткі, що враховує вплив паразитних елементів корпусу й опір втрат. Випромінювач чарунки представлений у вигляді еквівалентної ЕРС холостого ходу е_хх, наведеної полем падаючої хвилі в точці живлення, і внутрішнім опором Z_a=R_a+X_a, рівним вхідному опору випромінювача. Інші елементи схеми позначені так: R(u), C(u) - нелінійні опір і ємність діоду; C_к, L_к, R_П - паразитні ємність, індуктивність і опір втрат діоду; R_н - опір навантаження.



а б в

Рис. 1. Еквівалентна схема чарунки Флоке ректени з корпусним діодом

а б в

Рис. 2. Еквівалентна схема чарунки Флоке ректени з безкорпусним діодом

Максимум ККД випрямлення діода Шотткі досягається в тому випадку, коли вхідне коло випрямляча настроєне у резонанс і характеризується еквівалентним активним опором R_вх (клеми а-а^/ на рис. 1, а і рис. 2, а), підключеним паралельно резистивній нелінійності діоду R(u), а величина опору навантаження по постійному струму R_н2R_вх.

У загальному випадку величина R_вх залежить від рівня вхідного впливу і значення R_н, тому що динамічна нелінійна ємність C(u) діоду й опір R_н є елементами вхідного кола. На етапі пошуку резонансних розмірів випромінюючих структур R_вх невідоме, а отже невідомий і опір навантаження, що призводить до невизначеності задачі. Для однозначного визначення резонансних розмірів випромінюючої структури на попередніх етапах проектування запропоновано ввести два наближення: нелінійна ємність діоду замінюється ємністю переходу при нульовому збудженні (), тобто (справедливість цього припущення підтверджується експериментальними даними); усереднений опір діоду на першій гармоніці R(f₁) набагато більший опору втрат діоду R_П (підтверджено числовими дослідженнями, проведеними у роботі). У результаті схема рис. 1, а і рис. 2, а перетвориться в схему рис. 1, б і рис. 2, б. При цьому (див. рис. 1, в), наприклад, для корпусного діоду Шотткі

, (1)

. (2)

Визначивши при відомих параметрах діоду значення R_вх, при якому реалізується максимальний ККД випрямлення, можна знайти значення Z_a, при якому вхідне коло випрямляча буде настроєне у резонанс. Для цього в (1) необхідно покласти X_вх=0.

За допомогою розробленої моделі і відомої моделі ПВЕ, що ґрунтується на методі гармонічного балансу, були виявлені умови досягнення максимального ККД у діодних випрямлячах НВЧ-КВЧ діапазонів частот. На частоті 35 ГГц отримані такі дані: для випадку корпусних діодів - з_в=55%, R_вх=50 Ом, для безкорпусних діодів - з_в=65%, R_вх=80 Ом.

Отримані результати стали орієнтиром при виконанні подальших досліджень, спрямованих на пошук раціональної конфігурації випромінюючої структури ПВЕ, що забезпечує досягнення прийнятних значень трьох його параметрів з_в, P_s, і о. Досліджувалися ПВЕ як чарунки періодичності антенних решіток, виконаних на основі симетричних вібраторів, квадруполів і періодичних структур типу «колінеарні проводи» і «сітка». При дослідженнях використовувалися розроблені на кафедрі ОРТ ХНУРЕ програми INFARS і RECT, що реалізують алгоритми розрахунку мікрострічкових нескінченних решіток довільної конфігурації методом інтегральних рівнянь і мікрохвильових нелінійних схем методом гармонічного балансу. Для прикладу в табл. 1 наведені дані розрахунків на частоті 35 ГГц чарунок періодичності квадратної форми (k - хвильовий коефіцієнт, l - довжина сторони чарунки) з корпусними діодами.

Таблиця 1. Параметри досліджених ПВЕ

Тип антенної решітки	klxЧkly	зв, %	Ps, Вт/м2	о, дБ	Rвх, Ом
вібраторна	3,0Ч3,0	51,9	3,10·103	-23,95	36,6
квадрупольна	3,14Ч3,14	51,9	2,83·103	-24,16	38,7
колінеарні проводи	1,5Ч1,5	23,0	5,49·103	-48,8	9,6
сітка	1,5Ч1,5	35,0	6,90·103	-50,0	14

Проведені дослідження показали, що при використанні випромінюючих структур на основі вібратора і квадруполя можна досягти ККД випрямлення, близького до граничного (54%) за рахунок високих значень R_вх, але при цьому параметри P_s і о значно гірші, ніж у випромінюючих структурах типу «колінеарні проводи» і «прямокутна сітка». Значення P_s сітчастої ректени приблизно вдвічі більше, ніж у ректен, виконаних на основі вібратора за рахунок меншої площі чарунки і вона виграє в ККД (тому що має більш високі значення R_вх) у порівнянні зі структурою «колінеарні проводи».

Сітчасті структури разом з паразитними елементами корпусу утворять природний фільтр вищих гармонік. Це дозволяє серед розглянутих структур домогтися найкращого (до -50 дБ) подавлення побічного випромінювання. На підставі перелічених властивостей доцільно вибрати ПВЕ із сітковою випромінюючою структурою, як чарунок періодичності досліджуваних далі КРС.

Вивчалися і ПВЕ ректен, виконаних на основі сітчастих структур з інтегрованими в них безкорпусними діодами Шотткі на лінійній і ортогональних поляризаціях. У розглянутих структурах ректен можна одержати ККД випрямлення порядку 63%, близький до граничного. Досить високий рівень побічного випромінювання (-18,5 дБ) досліджених ПВЕ ректен із безкорпусними діодами Шотткі перешкоджає їхньому практичному використанню. Для усунення цього недоліку необхідно провести додаткові дослідження ректен, оснащених додатковими фільтрами гармонік, наприклад, частотно-селективними поверхнями.

У третьому розділі удосконалено методи аналізу і запропоновано метод синтезу систем БПЕ зі співвісними апертурами. Проведено дослідження, спрямовані на пошук варіантів побудови систем ММДХ із максимальним результувальним ККД. Для досягнення максимального ККД перехоплення амплітудний розподіл уздовж апертури ректени повинен бути істотно нерівномірним і описуватися функцією Гаусса, але це у свою чергу призводить до зменшення ККД випрямлення і збору, що обмежує ефективність системи БПЕ. Для усунення цього протиріччя запропоновано один із способів збільшення ККД випрямлення і збору крупноапертурних антен-випрямлячів за рахунок синтезу поля опромінення їхньої апертури з амплітудним розподілом, максимально близьким до рівномірного. У результаті вирішення цієї задачі апертурним методом при заданій геометрії (радіусах R₁, R₂ апертур і відстані між ними D) і робочій частоті системи БПЕ, було знайдено АР уздовж апертури передавальної антени

(3)

і нормоване поле уздовж апертури ректени

, (4)

де - число Френеля; t - нормований до R₁ поточний радіус передавальної антени; u - нормований до R₂ поточний радіус антени-випрямляча.

Проведені по формулі (4) розрахунки показали наступне. Зі збільшенням значення параметра , що відповідає збільшенню ефективності системи БПЕ, нерівномірність поля опромінення апертури ректени монотонно зростає. Проте, отримане АР уздовж апертури ректени спадає до країв повільніше в порівнянні з гаусовим, що приводить до збільшення результувального ККД системи БПЕ.

Для розрахунку результувального ККД системи БПЕ отримано формулу ККД перехоплення і виведено нові, корисні для практичних розрахунків і досліджень ректен, формули розрахунку ККД випрямлення, збору і потужності побічного випромінювання на частотах гармонік. Формули враховують квадратичність фазового розподілу і залежність енергетичних параметрів ректен від ступеня нелінійності динамічних характеристик ПВЕ. Отримані співвідношення використано при дослідженнях ефективності систем БПЕ міліметрового діапазону, у яких застосовувалися крупноапертурні ректени із сітчастою випромінюючою структурою, інтегрованою з корпусними і безкорпусними діодами Шотткі. В результаті встановлено ось що (див. табл. 2):

- системи БПЕ із синтезованим полем збудження забезпечують виграш у результувальному ККД у порівнянні з загальноприйнятим випадком збудження полем з гаусовим розподілом; програючи в ККД перехоплення до 10% при великих числах Френеля, ректена із синтезованим полем збудження має більший, приблизно на ту саму величину, ККД випрямлення і збору;

- ректени із сітчастими випромінюючими структурами, інтегровані з безкорпусними діодами, мають високий ККД, але не забезпечують необхідний рівень подавлення побічного випромінювання, що викликає необхідність проведення подальших досліджень щодо поліпшення їхніх характеристик ЕМС.

Таблиця 2. Результати розрахунку ККД ректени з безкорпусними діодами Шотткі

АР	, %	, %	, %	, %
Гаусовський	89,72	45,0	82,0	33,1
Синтезований	89,10	53,5	96,8	46,1

Розвинутий апарат аналізу послужив основою для подальших досліджень крупноапертурних антен-випрямлячів, що збуджуються несиметрично.

У четвертому розділі побудовані математичні моделі для аналізу енергетичних параметрів КРС при осьовому зсуві Х₀ передавальної і приймальної антен і при незмінному АФР передавальної антени.

Отримано співвідношення для розрахунку ККД перехоплення у випадку круглої апертури передавальної антени, круглої (5) і квадратної (6) апертури ректени при відносному її зсуві

(5)

, (6)

де , - постійний коефіцієнт, що характеризує швидкість спадання гауссового АР.

За формулами (5) і (6) побудовані графіки залежності ККД перехоплення від відносного осьового зсуву для ректен з круглою (пунктирна лінія) і квадратною апертурами (суцільна лінія) (рис. 3). При зсувах менших 20% ККД перехоплення зменшується незначно, оскільки промінь при співвісному розміщенні антен сфокусований у центр приймальної апертури. Зі збільшенням неспіввісності понад b>0,4 ККД перехоплення швидко зменшується і при b1 дорівнює приблизно 0,45-0,5, що відповідає фізичним представленням про поширення електромагнітної хвилі між двома апертурами у зоні Френеля.

Порівнювалися результати розрахунків ККД перехоплення при b=var для випадків незмінного АФР на передавальній антені, що забезпечує при b=0, і змінного АФР, що забезпечує при b=var (див. рис. 4). Розрахунки провадилися в припущенні квадратної апертури ректени. Пунктирна крива відповідає випадкові максимізації при b=var. Суцільна крива розрахована за розробленою математичною моделлю. З порівняння наведених результатів можна зробити висновок, що в системах БПЕ при відносних зсувах апертури ректени 0<b<1 не слід змінювати АР поля збудження до оптимальної форми, тому що виграш у величині при цьому фактично відсутній.

Розроблено методику розрахунку ККД випрямлення, збору і потужності побічного випромінювання крупноапертурної ректени радіуса R₂ при її осьовому зсуві Х₀ щодо апертури передавальної антени радіуса R₁ системи БПЕ. Для круглих неспіввісних апертур системи БПЕ розподіл поля у розкриві ректени визначається співвідношенням (7), з якого видно відмінну рису випадку неспіввісних апертур - залежність амплітуди і фази поля збудження ректени від азимутального кута ц. Ця обставина істотно ускладнює задачу розрахунку ККД ректени, тому що амплітудно-фазовий розподіл по апертурі ректени стає несиметричним.

. (7)

На рис. 5 наведений один з можливих варіантів розміщення апертури ректени системи БПЕ щодо поперечного перерізу («плями») падаючого НВЧ-пучка.

Для розрахунку ККД випрямлення, збору і потужності побічного випромінювання крупноапертурної ректени при її осьовому зсуві щодо апертури передавальної антени системи БПЕ запропоновано наступний підхід:

- апертура ректени розбивається на N_з кільцевих зон і N_с секторів, границі яких при перетині утворять N=N_зN_с підрешіток ПВЕ (див. рис. 5);

- за формулою (7) визначається АФР усіх підрешіток при їхніх середніх кутах ц_п;

- виділяється центральний ПВЕ кожної підрешітки, визначаються його координати і всі електродинамічні й енергетичні параметри в припущенні, що кожна підрешітка є нескінченною;

- виконується розрахунок ККД випрямлення, збору і потужності побічного випромінювання ректени за наступними отриманими співвідношенням:

, (8)

де ; - постійний коефіцієнт;

; - коефіцієнт, що характеризує ступінь нелінійності динамічної характеристики ПВЕ; - ККД випрямлення i-того ПВЕ kj-підрешітки при значенні максимальної густини потоку потужності .

, (9)

де ; , - еквівалентна ЕРС і внутрішній опір kj-підрешітки при значенні як генератора постійного струму.

, (10)

де ; n - номер гармоніки; f₀ - робоча частота; - максимальна потужність n-тої гармоніки i-того ПВЕ kj-підрешітки при ; - постійний коефіцієнт, властивий n-тій гармоніці при записі потужності побічного випромінювання у вигляді ; - ККД пасивного чотириполюсника із клемами a-a^/ і b-b^/ (див. рис. 1, б) на n-тій гармоніці.

Використовуючи розроблені моделі крупноапертурних ректен, порівнювалися два варіанти системи БПЕ міліметрового діапазону хвиль (у першому випадку ректена із сітковими випромінювачами збуджується гаусовим, а в другому випадку синтезованим АР) при наявності і відсутності помилки співвісності на частоті 35 ГГц. Оцінено вплив парціальних ККД на результувальну ефективність систем БПЕ при різному ступені неспіввісності апертур. Вперше отримано сукупність даних, що дозволяє прогнозувати ступінь погіршення ефективності систем БПЕ при осьовому зсуві крупноапертурних ректен (див. табл. 3 і рис. 6).

Так, із збільшенням неспіввісності b від нуля до 0,4 радіусу апертури ректени результувальний ККД плавно зменшується. При значеннях величини неспіввісності понад 0,4 результувальний ККД буде різко зменшуватися, тому що при таких величинах неспіввісності відбувається різкий спад ККД перехоплення (див. рис. 3).

Таблиця 3. Результати розрахунку ККД ректени

АР	b	, %	, %	, %	, %
Гаусовський	0	89,72	45,0	82,0	33,1
	0,4	80,2	39,7	77,4	24,6
Синтезований	0	89,10	53,5	96,8	46,1
	0,4	79,6	49,6	88,1	34,8

Показано, що потужність побічного випромінювання помітно падає зі збільшенням ступеня неспіввісності. Це пояснюється зменшенням потужності, добутої ректеною з поля падаючої на її апертуру хвилі.

Проведено числові й експериментальні дослідження лабораторної установки БПЕ на частоті 2,45 ГГц. Розраховувалася і вимірювалася залежність . Отримано гарний збіг цих характеристик, що підтверджує вірогідність запропонованого методу розрахунку енергетичних характеристик КРС при несиметричному їхньому збудженні внаслідок зсуву антен системи БПЕ від співвісного положення.

Висновки

У результаті дисертаційних досліджень вирішено наукову задачу удосконалення методів аналізу крупноапертурних ректен у зоні Френеля, що дозволяють, у порівнянні з раніше відомими, провести достовірні розрахунки їхніх енергетичних характеристик у НВЧ - ВВЧ діапазонах частот при неспіввісному розміщенні щодо передавальної апертури.

У дисертації отримано наступні основні результати:

1. Запропоновано наближену модель чарунки періодичності (ПВЕ) крупноапертурних ректен, що враховує вплив паразитних елементів корпусу й опір втрат діодів Шотткі. Це дозволило провести дослідження ректен у всьому мікрохвильовому діапазоні хвиль, включаючи міліметровий. Зокрема, з'ясувати граничні можливості сучасних діодів Шотткі по ККД і визначити значення вхідних опорів випромінювачів, при яких вони реалізуються. Ці дані є новими і служать певним критерієм при обґрунтуванні вибору того або іншого типу випромінюючої структури ректенн.

2. Детально досліджені ПВЕ антен-випрямлячів міліметрового діапазону хвиль, випромінюючими структурами яких є періодичні решітки вібраторів, квадруполів і періодичні мікрострічкові структури типу «колінеарні проводи», «сітка» з використанням корпусних діодів Шотткі. У результаті проведеного дослідження уперше виявлено, що структури типу «колінеарні проводи» і «сітка», на відміну від вібраторних і квадрупольних решіток, не дозволяють реалізовувати максимальний ККД випрямлення, тому що вхідні опори цих випромінювачів у точках установки діодів у 3-4 рази менші, ніж необхідні для реалізації передачі максимальної потужності від випромінювача до нелінійного елемента. Позитивною якістю згаданих структур є можливість значного подавлення випромінювання на частотах вищих гармонік без застосування додаткових схемних рішень. Інша їхня перевага у порівнянні з вібраторами і квадруполями - можливість досягнення високих значень питомої поверхневої потужності (6,926 кВт/м² проти 3,099 кВт/м²).

3. Досліджено випромінюючі структури типа «сітка» з інтегрованими безкорпусними діодами на арсенід-галієвому підкладні. До переваг таких структур варто віднести можливість реалізації максимального ККД випрямлення і високої питомої поверхневої потужності. Основний їх недолік - це великий рівень побічного випромінювання на частотах гармонік, що погіршує ЕМС і, отже, перешкоджає практичному використанню таких структур без додаткових засобів фільтрації гармонік.

4. Уперше запропоновано спосіб і вирішено задачу збільшення ККД ректени за рахунок синтезу поля опромінення її апертури, максимально близького до рівномірного при відомих геометричних розмірах і робочій частоті системи БПЕ. Виведено необхідні розрахункові формули для визначення розподілів поля по апертурах антен системи БПЕ і ККД перехоплення.

Отримано раніше не відомі співвідношення для аналізу ККД випрямлення, збору і потужності побічного випромінювання, що враховують їхню залежність від ступеня нелінійності динамічних характеристик ПВЕ і вплив квадратичного фазового набігу по апертурі ректени. Дані співвідношення дозволяють швидко визначити граничні можливості крупноапертурних антен-випрямлячів по енергетичних характеристиках. З їхньою допомогою з'ясовано, що максимальний результувальний ККД у системах БПЕ досягається не у випадку збудження апертури ректени гаусовим пучком, як вважали раніше, а у випадку її збудження синтезованим полем. Виграш у ККД при цьому становить 4-16%.

5. Уперше вивчено питання, пов'язані з визначенням енергетичних характеристик крупноапертурних антен-випрямлячів на основній частоті і частотах гармонік, залежно від ступеня відхилення передавальної і приймальної антен від співвісного положення при незмінному АФР передавальної антени. Вирішено задачу про визначення ККД перехоплення ректенн із круглою і квадратною апертурами при різних полях їхнього збудження.

Виведено розрахункові співвідношення для ККД випрямлення, збору і потужності побічного випромінювання при опроміненні ректени несиметричним АФР, за допомогою яких проведено порівняльний аналіз ККД ректени при наявності і відсутності помилки співвісності. Числові дослідження показали, що неспіввісне розміщення апертур передавальної антени і ректени (порядку 40%) суттєво (приблизно на 25% при значенні числа Френеля 1,535) погіршує результувальний ККД системи БПЕ, при цьому кожна зі складових результувального ККД фактично рівноправно впливає на загальний негативний результат.

6. Проведено експериментальні дослідження антен-випрямлячів на частоті 2,45 ГГц. Дані експерименту порівнювалися з даними розрахунку по розроблених моделях. Проведені дослідження підтвердили вірогідність створених моделей.

Мета дослідження дисертаційної роботи, яка пов'язана з розвитком методів аналізу енергетичних характеристик КРС у зоні Френеля, досягнута і всі поставлені часткові задачі вирішені повністю. Перспективними напрямками подальших досліджень можуть бути розроблення ефективних способів подавлення побічного випромінювання крупноапертурних ректен; оцінка поляризаційних втрат, що виникають при нахилі ректени відносно своєї осі; вивчення параметрів ПВЕ і ректени в цілому в перехідному режимі.

Основні роботи, опубліковані за темою дисертації

1. Шокало В.М., Омаров М.А., Грецких Д.В., Лучанинов Ю.А. Моделирование крупноапертурных ректенн космических энергосистем. 1. Модель крупноапертурной ректени для расчета ККД выпрямления при соосном расположении передающей и приемной апертур и изменяющейся дальности передачи энергии // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2001. Вып. 121. - С. 3-10.

2. Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Лучанинов Ю.А., Грецких Д.В. Экспериментальные исследования масштабной модели системы беспроводной передачи энергии микроволновым лучом с максимальным ККД // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2001. Вып. 122. - С. 17-21.

3. Моделирование крупноапертурных ректенн космических энергосистем 2. Расчет коэффициента полезного действия перехвата при несоосном расположении передающей и приемной апертур / Шокало В.М., Рыбалко А.М., Омаров М.А., Грецких Д.В. // Радиотехника. - 2002. - №125. - С. 3-7.

4. Моделирование крупноапертурных ректенн космических энергосистем 3. Расчет ККД выпрямления и сбора крупноапертурной ректенны при несоосном расположении передающей и приемной апертур / Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Грецких Д.В. // Радиотехника. - 2002. - №127. - С. 3-6.

5. Эффективность микроволновых систем беспроводной передачи энергии при неоптимальном ККД перехвата / Шокало В.М., Рыбалко А.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Грецких Д.В. // Радиотехника. - 2002. - №128. - С. 139-144.

6. Омаров М.А., Грецких Д.В. Приближенная модель расчета ККД выпрямления крупноапертурных ректенн // Радиотехника. - 2002. - №129. - С. 43-45.

7. Омаров М.А., Грецких Д.В., Шокало В.М. Потенциальные возможности антенн-выпрямителей миллиметрового диапазона волн // Радиотехника. - 2002. - №130. - С. 24-28.

8. Омаров М.А., Грецких Д.В., Сухомлинов Д.В. Потенциальные характеристики ректенн КВЧ-диапазона // Радиотехника. - 2003. - №131. - С. 211-214.

9. Исследования по беспроводной передаче энергии в Харьковском национальном университете радиоэлектроники / Шифрин Я.С., Шокало В.М., Лучанинов А.И., Коновальцев А.А., Грецких Д.В., Омаров М.А. // Сб. науч. тр. по мат. 1-го междунар. радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника: состояния и перспективы развития», часть 1. - Харьков: МРФ-2002. - 2002. - С. 236-239.

10. Экспериментальные исследования масштабной модели космической энергосистемы, функционирующей на принципе передачи энергии СВЧ-лучом / Шокало В.М., Коновальцев А.А., Омаров М.А., Лучанинов Ю.А., Грецких Д.В. // Труды третьей междунар. научно-практической конф. «Современные информационные и электронные технологии». - Одесса: ОНПУ, 2002. - С. 43.

11. Грецких Д.В., Коновальцев А.А., Лучанинов Ю.А. Численный анализ ККД крупноапертурных ректенн / 5-ый Международный молодёжный форум, апрель 2001 г. - Харьков: ХНУРЭ. Ч. 2. - С. 4-5.

12. Средства проектирования интегрированных антенн с распределенными нелинейными элементами / В.М. Шокало, Д.С. Гавва, Д.В. Грецких, В.В. Журбенко // Труды четвертой междунар. научно-практической конф. «Современные информационные и электронные технологии». - Одесса: ОНПУ, 2003. - С. 217.

13. Omarov. M.A., Gretskih D.V., Sukhomlinov D.V. Investigation into receiving-rectifying elements of EHF rectennas // Proceedings IV-th International conference on «Antenna theory and techniques», Sevastopol, 2003, p. 842-845.

14. Шокало В.М., Рыбалко А.М., Лучанинов Ю.А., Коновальцев А.А., Грецких Д.В. Варианты построения ректенн эффективных систем беспроводной передачи энергии / 12-я международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 2002. - С. 286-287.

15. Shokalo V.M., Gretskih D.V., Rybalko A.M. Efficiency of wireless power transmission system with non-axial arrangement of transmitting and receiving apertures // Proceedings IV-th International conference on «Antenna theory and techniques», Sevastopol, 2003, p. 846-851.

16. Грецких Д.В. Влияние ошибки соосности антенн на ККД перехвата систем передачи энергии СВЧ-лучом / 6-ой Международный молодёжный форум, апрель 2002 г. - Харьков: ХНУРЭ. Ч. 1. - С. 4-5.

17. Грецких Д.В. Расчет ККД ректенны при ее осевом смещении относительно передающей антенны / 7-ой Международный молодёжный форум, апрель 2003 г. - Харьков: ХНУРЭ. - С. 12.

Размещено на Allbest.ru

...