На правах рукописи

Казарян Гоар Мартиросовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ,

ПРИЕМА МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В

ПОСТОЯННЫЙ ТОК

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: член-корр. РАН, доктор физико-математических наук, профессор Диденко Андрей Николаевич доктор технических наук, доцент Мозговой Юрий Дмитриевич

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита диссертации состоится " 24 " мая 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.

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. В результате интенсивного развития СВЧ электроники больших мощностей (особенно в 3- и 10-сантиметровых диапазонах волн) интерес исследователей привлекла задача передачи СВЧ энергии посредством сфокусированных пучков электромагнитных волн ("беспроводная" передача). Такие системы могут открывать перспективы для задач, ранее считавшимися трудноосуществимыми или нерентабельными при стандартных подходах. Системы передачи энергии электромагнитным лучом (СПЭЭЛ) могут найти применение для передачи энергии между объектами в труднодоступных в геолого-климатическом отношении районах Земли (через глубокие каньоны, над водными массивами, болотами, горами), для снабжения энергией летательных аппаратов в атмосфере Земли, для транспортировки энергии с поверхности Земли на космические объекты также и от центральных космических станций производящих энергию на Землю и т.д. Среди достоинств СПЭЭЛ можно выделить возможность изменения направления передачи энергии путем переориентации передающей антенны, малые энергетические потери в достаточно широкой полосе частот при передаче энергии в атмосфере и в околоземном космическом пространстве.

Целью работы является:

1. изучение возможности подавления фонового излучения боковых лепестков за пределами приемной антенны СПЭЭЛ за счет оптимизации дискретного амплитудного распределения электрического поля на передающей антенне;

2. синтез равномерного распределения плотности мощности на плоскости приемной антенны с максимальным коэффициентом использования поверхности (КИП) ректенны, изучение вопросов повышения мощности и эффективности системы;

3. анализ конструкции излучающего элемента и электрической схемы ректенного элемента с диодом Шоттки, оптимизация их параметров с целью улучшения эффективности преобразования микроволн и снижения уровня переизлучения;

4. исследование процессов в реверсивной области циклотронного преобразователя с целью выявления механизмов возбуждения разброса продольных скоростей электронов и возможности повышения КПД преобразования и уровня преобразуемой мощности.

Научная новизна работы • Проанализированы варианты беспроводной линии передачи энергии с дискретным амплитудным распределением напряженности поля на передающей антенне и найдено оптимальное двухступенчатое распределение поля излучения, позволяющее реализовать высокие значение КПД передачи энергии и безопасный уровень фонового излучения за пределами приемной антенны.

• Предложен метод синтеза равномерного распределения напряженности поля на приемной антенне, обеспечивающего максимальное значение коэффициента использования поверхности антенны и высокую эффективность приема.

• Определены характеристики и параметры процессов преобразования энергии микроволн в энергию постоянного тока в ректенных элементах; выявлены основные причины потерь при преобразовании и способы их уменьшения за счет оптимизации параметров диода; предложены методы снижения уровня переизлучения высших гармоник основной частоты.

• Выявлен механизм возбуждения разброса продольных скоростей в электронном пучке под действием сил пространственного заряда и радиального магнитного поля в реверсивной области циклотронного преобразователя; определены условия повышения КПД преобразования и уровня преобразуемой мощности микроволн.

Научная и практическая значимость работы • Получены простые соотношения для расчета характеристик поля излучения в плоскости приемной антенны для случая дискретного амплитудного распределения и оптимальной двухступенчатой аппроксимации гауссовского распределения поля на передающей антенне. Решена задача снижения уровня боковых лепестков за пределами приемной антенны и на примере наземной СПЭЭЛ показана возможность соответствия уровня фонового излучения стандартам РФ на длительное и безопасное СВЧ облучение (10 мкВт/см2) и на электромагнитную совместимость (0.27 мкВт/см2).

• Предложен алгоритм синтеза амплитудно-фазового распределения поля на передающей антенне СПЭЭЛ для обеспечения равномерного распределения поля столообразной формы на приемной антенне, состоящей из однотипных, равноудаленных приемно-преобразующих элементов.

• Определены зависимости КПД преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока в выпрямительном элементе ректенны с диодом Шоттки от уровня входной мощности и сопротивления нагрузки по постоянному току. Решены задачи на получение максимального КПД и подавление высших гармоник основной частоты путем оптимизации параметров диода и фильтров, настроенных на кратные частоты. Предложена микрополосковая дисковая антенна, снижающая уровень переизлучения на кратных резонансных частотах, получены аналитические решения для распределения электрической и магнитной составляющих поля.

электронном пучке циклотронного преобразователя энергии под действием сил пространственного заряда и радиального магнитного поля. Определены режимы достижения максимальной эффективности преобразования и повышения преобразуемой мощности прибора.

• Результаты диссертационной работы применимы для разработки наземных и космических систем беспроводной передачи энергии, включая СКЭС и обмен энергией между летательными аппаратами.

Защищаемые положения 1. Предложенное двухступенчатое распределение поля на передающей антенне микроволновым пучком (до 86%), что незначительно (на 1,6% по КПД) уступает системе с оптимальным гауссовым распределением. При этом уровень фонового излучения (-21,2 дБ для первого бокового лепестка) оказывается в два раза меньше, чем для системы с равномерным распределением поля.

2. Предложен метод синтеза столообразного распределения поля на приемной антенне (с КИП=0,98 и эффективностью приема энергии до 70%), основанный на задании значений амплитуды и фазы поля излучающих элементов передающей антенны в виде рядов Шлемильха.

3. Мощность высших гармоник рабочей частоты, возникающих на диоде Шоттки и переизлучаемых ректенным элементом с полуволновым диполем, может быть снижена до экологически безопасного уровня (-30 дБ и более) путем введения фильтров с кратными резонансными частотами. Предложена структура дисковых микрополосковых антенн, предназначенных для использования в ректенном элементе вместо полуволнового диполя, снижающая уровень переизлучения на кратных резонансных частотах.

4. При повороте электронного пучка с большим начальным радиусом ( =0.5-0.8) вокруг своей оси под действием сил пространственного заряда на угол, кратный 2, и сохранении формы поперечного сечения потока в реверсивной области циклотронного преобразователя относительный разброс продольных скоростей может быть существенно снижен (до 10%), что позволит повысить эффективность преобразования (до 80-85%) и уровень входной мощности (до 150 кВт).

Апробация работы и публикации Результаты диссертации докладывались на VII,VIII,IX и XI Всероссийских школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Красновидово, 2000, 2001, 2002, Звенигород, 2004), на 27 Гагаринских чтениях (Москва 2001), на межвузовской конференции по современным проблемам электроники и радиофизики СВЧ (Саратов, 2001), на научных сессиях МИФИ (Москва, 2002на 4-ой конференции IVEC (Seoul, Korea, 2003) и опубликованы в трудах этих 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 иностранных источников), приложения, иллюстрирована 52 рисунками и содержит 9 таблиц.

В Главе 1 представлен краткий обзор научных публикаций по проблемам и перспективам беспроводной передачи энергии. Параграф 1.1 посвящен современному состоянию проблем, связанных с реализацией систем передачи энергии электромагнитным лучом (СПЭЭЛ) в космическом пространстве и в атмосфере Земли. Выделены исторические этапы развития проектов СПЭЭЛ и перспективные задачи внедрения данных систем. Сформулированы основные характеристики микроволновых и лазерных линий передачи. В параграфе 1. рассмотрены и определены основные физические задачи, возникающие при разработке космических и наземных систем передачи энергии в диапазоне микроволн. В параграфе 1.3 освещены проблемы преобразования энергии микроволн в энергию электрического тока. Рассмотрены приемно-преобразующие системы с полупроводниковыми ректенными элементами и с циклотронным преобразователем СВЧ энергии и произведен их сравнительный анализ.

Сформулированы основные диссертационные задачи.

В Главе 2 изучаются проблемы эффективности и экологической безопасности микроволновой передачи энергии и возможность подавления фонового излучения боковых лепестков за пределами приемной антенны за счет оптимизации дискретного амплитудного распределения по апертуре передающей антенны СПЭЭЛ. В параграфе 2.1 приводится постановка задачи.

Параграф 2.2 посвящен моделированию поля излучения микроволновой линии передачи с радиальной (поляризованной по радиусу) и линейной поляризацией электрического поля на поверхности передающей антенны.

Рассмотрена аксиально-симметричная передающая антенна с линейной поляризацией электрического поля. Характеристики СВЧ-пучка в плоскости приёмной антенны определяются по теории дифракции Френеля-Кирхгофа для апертурных антенн в зоне Френеля. Связь комплексной напряжённости электрического поля на передающей E A и приёмной ER антеннах имеет вид напряжённости электрического поля на передающей и приёмной антеннах, A и R - соответствующие фазовые распределения (ФР), D – расстояние между антеннами, J 0 ( z ) - функция Бесселя нулевого порядка, r – радиус в цилиндрической системе координат, R1 - радиус передающей антенны.

Для дискретного амплитудного распределения поля на передающей антенне 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:

приемной антенны, - длина волны.

Плотность мощности на поверхности приемной антенны выражается соотношениями:

Передаваемая и принимаемая мощности определяются путем интегрирования соответствующих плотностей мощности по всей поверхности антенны.

КПД передачи определяется как отношение принимаемой (6) и передаваемой (5) мощности. Коэффициенты использования площади передающей и приемной антенн (КИПА и КИПR) имеют вид Распределение амплитуды поля в плоскости приемной антенны для случая радиальной поляризации поля на передающей антенне:

где u = 2 R2 r / D, A( ) и Emax - нормированное АР и максимальное значение напряженности электрического поля на передающей антенне, J1 (u ) - функция Бесселя первого порядка, r – радиальная координата в плоскости приемной антенны.

В параграфе 2.3 приведены результаты численного моделирования для наземной микроволновой линии передачи на примере проекта Grand-Bassine (на острове Реюньон, Франция). Определены энергетические и экологические характеристики, показано, что уменьшение поля излучения вдоль радиуса передающей антенны дает возможность заметно снизить уровень фонового излучения (рис.1-2, таблица 1).

Таблица 1.

Уровень I-го лепестка Получено оптимизированное двухступенчатое распределение поля на передающей антенне, что дает возможность не только облегчить техническую реализацию такой системы, но и обеспечить высокоэффективную передачу энергии микроволновым пучком (КПД до 86%).

передающей антенне: 1-однородное АР, 2- приемной антенны: 1-десятиступенчатое, 2гауссовское оптимальное АР (распределение равномерное, 3-оптимальное двухступенчатое, вида E(r)=575exp(-0.2r2) В/м), 3-простейшее 4-усеченное гауссово распределение двухступенчатое АР, 4-десятиступенчатое АР медицинского стандарта РФ на длительное и безопасное СВЧ–облучение ( мкВт/см2) так и на электромагнитную совместимость (0.27 мкВт/см2).

Параграф 2.4 посвящен синтезу диаграмм направленности с максимальным коэффициентом использования поверхности (КИП) приемной антенны.

Исследование свойств рядов Шлемильха показало, что ряды вида для u на интервале p u p осциллируют между значениями ±1/2, а знак зависит от четности или нечетности числа членов ряда. Эффективное погашение нечетным числом членов. Для числа колец N= и диаграмма направленности имеет вид Все кольца возбуждены в противофазе и имеют одинаковую ширину. Из выражений (7) и (3) следует Результаты расчета параметров системы приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты проведенных расчетов для N=10 при уровне передаваемой мощности 27 кВт, pR(0)=10 мВт/см2, Rt=3,5 м показывают, что распределение поля имеет выраженный столообразный характер, уровень осцилляций плотности мощности на приемной апертуре (Rr=13 м) не превышает 15%. КПД передачи достигает 70.5% (рис.3).

Первый боковой лепесток достигает максимума (–11.9 дБ) на расстоянии 18.3 м от центра ректенны. Уровень второго бокового лепестка не превышает осцилляции – до 3-5% (рис.4).

КИПА=0.72, КИПR=0.38, а для столообразного распределения КИПА=0.8, КИПR=0,98. Конструктивно приемная антенна может состоять из равноудаленных однотипных ректенных элементов. При столообразном распределении уровень первого бокового лепестка составляет –12dB, КПД 70%.

Параграф 2.5 посвящен анализу СПЭЭЛ с точки зрения экологической безопасности и электромагнитной совместимости. Показано, что путем некоторого ужесточения требований к параметрам передающей антенны можно обеспечить уровень боковых лепестков 0 диод открыт, ток диода течет полностью через переход (IД=IБ), а напряжение на барьере слабо меняется. При установившемся режиме к барьеру Шоттки прикладывается постоянное обратное напряжение. Здесь же действует напряжение основной частоты генератора. В случае VБ< 0 (диод закрыт) токи и напряжения будут меняться с основной и резонансной частотой эквивалентной схемы диода. Проведенный Фурье-анализ спектра переизлучения показал, что потери мощности на второй гармонике составляют до 25% мощности первой гармоники.

В параграфе 3.2 анализируется модифицированная схема ректенного элемента с дополнительными фильтрами (рис. 7).

Рис 7. Эквивалентная схема модифицированного элемента ректенной системы Рис. 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 компоненты 2, 3, 4 и 5 до уровня –40дБ (рис. 8). При замене выходного фильтра отрезком линии передачи с длиной /4 и при достаточно высоких значениях С осуществляется режим короткого замыкания (Zн=0) на частотах, 3, 5,..., а при 2, 4,…, линия разомкнута.

В параграфе 3.3 изучается применение дисковой микрополосковой антенны распределения электрических и магнитных полей. Дисковый резонатор с радиусом r1 подсоединен к нагрузочному элементу через тонкий металлический контакт с