一種基于能量分布特性的提高能量傳輸效率的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于能量分布特性的提高能量傳輸效率的系統(tǒng)及方法，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在模塊航天器間微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)研究過(guò)程中，能量傳輸效率是衡量系統(tǒng)性能優(yōu)良的關(guān)鍵指標(biāo)。微波無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)主要包括微波發(fā)射組件、微波接收組件及空間傳輸三部分，具體電路由微波發(fā)射機(jī)、微波發(fā)射天線、微波接收天線和微波整流電路4個(gè)分系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
[0003]微波無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)鏈路效率主要由三大部分組成:DC到RF的轉(zhuǎn)換效率、RF到DC的轉(zhuǎn)換效率以及收發(fā)天線能量傳輸效率(受限于發(fā)射天線、接收天線及傳輸環(huán)境等因素)。為了提高系統(tǒng)能量傳輸效率，需要實(shí)現(xiàn)每一部分能量的效率最大化。從能量接收角度考慮，在發(fā)射機(jī)功率、發(fā)射天線形式和傳輸距離一定的情況下，理論上接收天線面積越大，接收到的射頻能量越多，但同時(shí)要考慮天線尺寸等原因，在獲得最大傳輸效率的同時(shí)，盡量減小系統(tǒng)尺寸。
[0004]在微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)研究中，廣泛采用的接收整流電路如圖2所示。其中圖2(a)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電站的能量接收端，該接收天線及整流形式具有大功率接收以及便于陣列組合等優(yōu)點(diǎn)，然而由于中間連接較多，能量損耗較多，導(dǎo)致射頻到直流的能量轉(zhuǎn)換效率降低，系統(tǒng)直流到直流的傳輸效率只能達(dá)到5%以下(電源給微波發(fā)射機(jī)供電的直流功率到直流合成模塊輸出的直流功率，簡(jiǎn)稱DC到DC)。圖2(b)所示的整流天線形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，然而由于沒(méi)有考慮能量的不均勻分布等因素而采用均勻的接收方式，導(dǎo)致大部分整流電路沒(méi)有達(dá)到最佳效率狀態(tài)，系統(tǒng)直流到直流的傳輸效率只能達(dá)到10%以下(電源給微波發(fā)射機(jī)供電的直流功率到直流合成模塊輸出的直流功率)，從而難以獲得最佳的整流效率。
[0005]因此，需要采用一種能量傳輸效率的系統(tǒng)，通過(guò)分析天線接收端能量分布特性以及整流電路特性，尋求微波無(wú)線能量轉(zhuǎn)換的最佳效率狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題為:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于能量分布特性的提高能量傳輸效率的系統(tǒng)及方法，考慮到接收端能量分布的不均勻性，以及整流電路的最佳效率與輸入功率存在一個(gè)最佳匹配狀態(tài)，根據(jù)能量分布特性，在不同的能量分布區(qū)域采用不同數(shù)量的天線單元接收能量進(jìn)入整流電路，同時(shí)盡量減少不同部件之間的連接損耗，從而實(shí)現(xiàn)射頻能量的最大化接收，完成整流效率的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升了系統(tǒng)鏈路的微波無(wú)線能量傳輸效率。
[0007]本發(fā)明解決的技術(shù)方案為:一種基于能量分布特性的提高能量傳輸效率的系統(tǒng)，包括:電源、微波發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收天線、整流電路、直流合成模塊；
[0008]接收天線包括多個(gè)接收天線單元；
[0009]電源給微波發(fā)射機(jī)供電后，微波發(fā)射機(jī)產(chǎn)生射頻能量，形成射頻信號(hào)饋入發(fā)射天線，通過(guò)發(fā)射天線向空間發(fā)射射頻信號(hào)；
[0010]接收天線的口徑面劃分為多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域設(shè)置4個(gè)接收天線單元，從空間接收射頻信號(hào)；
[0011]若接收天線的子區(qū)域的每I個(gè)接收單元從空間接收到的射頻信號(hào)功率與設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率相對(duì)比，射頻信號(hào)的功率達(dá)到設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率，則該接收天線單元將接收到的射頻信號(hào)送至整流電路；
[0012]若接收天線的子區(qū)域的每I個(gè)接收單元從空間接收到的射頻信號(hào)功率達(dá)不到設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率，將子區(qū)域的4個(gè)接收天線單元分為2組，每組的2個(gè)接收天線單元接收的射頻信號(hào)的功率合成后，得到合成信號(hào)1，將合成信號(hào)I與設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率相對(duì)比，若合成信號(hào)I達(dá)到設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率，則將該合成信號(hào)I送至整流電路；
[0013]若接收天線的子區(qū)域的每2個(gè)接收單元從空間接收到的射頻信號(hào)功率合成后的合成信號(hào)I達(dá)不到設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率，則將子區(qū)域的4個(gè)接收天線單元接收的射頻信號(hào)的功率合成后，得到合成信號(hào)2，將合成信號(hào)2與設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率相對(duì)比，若合成信號(hào)2達(dá)到設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率，則將該合成信號(hào)2送至整流電路；若合成信號(hào)2達(dá)不到設(shè)定的整流電路的最佳輸入功率，則此處天線單元空置；
[0014]整流電路，對(duì)接收天線饋入的射頻信號(hào)進(jìn)行整流處理后，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量，送至直流合成模塊，直流合成模塊對(duì)該直流能量進(jìn)行合成處理，得到最終的直流輸出功率送至外部直流負(fù)載。
[0015]選擇空氣微帶天線作為所述接收天線的接收天線單元，多個(gè)接收天線單元組成微帶天線陣列，將微帶天線陣列的口徑面分為中心區(qū)域、次外圍區(qū)域，外圍區(qū)域，次外圍區(qū)域在中心區(qū)域與外圍區(qū)域之間，將微帶天線陣列的中心區(qū)域分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，每I個(gè)微帶天接收線單元直接與整流電路連接；將微帶天線陣列的次外圍區(qū)域分為多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將微帶天線陣列的外圍區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；接收天線陣列的口徑尺寸選為2.4米*2.4米。
[0016]選擇空氣微帶天線作為所述接收天線的接收天線單元，微帶天線陣列的口徑為正方形，將微帶天線陣列的口徑劃分為十三行和十三列的子單元，劃分后產(chǎn)生多個(gè)大小相同的子單元，多個(gè)大小相同的子單元組成微帶天線陣列；
[0017]將第一行第一列至第四列的子區(qū)域、第一行的第五列左半部分的子區(qū)域、第一行的第九列右半部分的子區(qū)域和第一行第十列至第十三列的子區(qū)域空置，將第一行的第五列的右半部分子單元至第一行的第九列左半部分的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；
[0018]將第二行第一列至第三列的子區(qū)域和第二行第十一列至第十三列的子區(qū)域空置，將第二行的第四列至第十列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；
[0019]將第三行第一列至第二列的子區(qū)域和第三行第十二列至第十三列的子區(qū)域空置，將第三行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第三行的第六列至第八列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；
[0020]將第四行第一列的子區(qū)域和第四行第十三列的子區(qū)域空置，將第四行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將第四行的第七列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率分別饋入4路整流電路；
[0021]將第五行第一列的子區(qū)域的上半部分、第十三列的子區(qū)域的上半部分的子區(qū)域空置，將第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將第五行的第六列至第八列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率分別饋入4路整流電路；
[0022]將第一列的第五行子區(qū)域的下半部分至第九行子區(qū)域的上半部分的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；
[0023]將第十三列的第五行子區(qū)域的下半部分至第九行子區(qū)域的上半部分的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；
[0024]將第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第六行的第四列和第十列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將第六行的第五列至第九列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率分別饋入4路整流電路；
[0025]將第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第七行的第四列和第十列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將第七行的第五列至第九列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率分別饋入4路整流電路；
[0026]將第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第八行的第四列和第十列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將第八行的第五列至第九列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率分別饋入4路整流電路；
[0027]將第九行第一列的子區(qū)域的下半部分、第十三列的子區(qū)域的下半部分的子區(qū)域空置，將第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將第九行的第六列至第八列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率分別饋入4路整流電路；
[0028]將第十行第一列的子區(qū)域和第十行第十三列的子區(qū)域空置，將第十行的第二列至第四列和第四行的第十列至第十二列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；將第十行的第七列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率分別饋入4路整流電路；
[0029]將第十一行第一列至第二列的子區(qū)域和第十一行第十二列至第十三列的子區(qū)域空置，將第十一行的第三列至第五列和第三行的第九列至第十一列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電路；將第十一行的第六列至第八列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，將這4個(gè)微帶接收天線單元分成兩組，每組微帶接收天線單元接收到的功率合成后分別饋入I路整流電路；
[0030]將第十二行第一列至第三列的子區(qū)域和第十二行第十一列至第十三列的子區(qū)域空置，將第十二行的第四列至第十列的每個(gè)子區(qū)域放置4個(gè)微帶接收天線單元，這4個(gè)微帶接收天線單元接收的功率合成后饋入I路整流電