Способ соединения приемновыпрямительных ячеек ректенны

Способ соединения приемновыпрямительных ячеек ректенны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - повышение эффективности ректенны путем уменьшения потерь в рсемах сбора энергии постоянного тока ректенн при облучении и апертуры по закону Гаусса за счет минимизации относительных1 перепадов значений эквивалентных ЭДС постоянного тока при параллельном соединении приемно-выпрямительных ячеек ректенны в группы и минимизации относительных перепадов значений эквивалентных токев при последовательном соединении этих групп. Повышение эффективности достигается за счет того, что в ректенне, состоящей из облучаемой по закону faycca апертуры 1 .составленной из L кольцевых зон 2, в пределах каждой из которых плотность потока падающего поля можно считать постоянной и заполненной ячейками 3, предназначенными для извлечения СВЧ-энергни из свободного пространства и преобразования ее в постоянный ток и схемы сбора мощности постоянного тока, сое . S . : . . . fe

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлиСтических

РЕСПУБЛИК (505 Н 02 J 17/00

ГОСУДАРСТВЕ1+ОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) дуДф, й;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Ф

Wl

Ф

3в

М

ЪФ (21) 4746701/09 (22) 05.10.89 (46) 07.05.93. Бюл. М 17 (71) Харьковский институт радиоэлектроники им. акад. M.Ê.ßíãåëÿ * (72) В.М.Шокало. 8.8.Нарыжная, А.И.Лучанинов и А,А.Щербина (73) Харьковский инстИтут радиоэлектроники им. акад. М.К.Янгеля (56) Радиотехника и электроника, 1985. вып.4, с,805-811.

-. (54) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ПРИЕМНОВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ЯЧЕЕК PEKTEHHbl (57) Изобретение относится к радиотехнике.

Цель изобретения — повышение эффективности ректенны путем уменьшения потерь в схемах сбора энергии постоянного тока ректенн при облучении их апертуры по закону

„„. Ж„„18 l4746 А3

2, Гаусса за счет минимизации относительными перепадов значений эквивалентных ЭДС постоянного тока при параллельном соединении приемно-выпрямительных ячеек ректенны в группы и минимизации относительных перепадов значений эквивалентных токов при последовательном соединении этйх групп. Повышение эффективности достигается за счет. того, что в ректенне, состоящей из облучаемой ha закону

J aycca апертуры 1. составленной из (кольцевых зон 2, в пределах каждой из которых плотность потока падакицего роля можно считать постоянной и заполненной ячейками 3, предназначенными для извлечения

СВЧ-энергии из свободного пространства и преобразования ее в постоянный ток и схемы сбора мощности постоянного тока, соеФ

1814746

Pí

10 + г.(2) (Е»/4 В ) диняащей выходы ячеек 3 по постоянному току с нагрузкой 4 и представляющей собой комбинации из параллельных и последовательных соединений выходов ячеек, схема самора составлена так, что из кольцевых эон

2 сформировано N последовательно соединенных групп 5 из М» ячеек 3, которые приИзобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для повышения эффективности ректенн, входящих в состав системы передачи энергии СВЧ-лучом.

Целью изобретения является увеличение КПД за счет уменьшения потерь сбора . энергии постоянного тока в неравномерно облучаемых ректеннах.

Поставленная цель достигается тем, что способ повышения эффективности ректенны, приемно-выпрямительные элементы которой объединены в модули, которые размещены в апертуре из. кольцевых зон, облучаемые потоком СВЧ-мощности по закону Гаусса, основанный на комбинации из параллельно-последовательного соедине ния выходов модулей с нагрузкой с помощью схемы сбора мощности постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью увели чения КПД за счет снижения потерь в схеме сбора мощности постоянного тока в пределах каждой из кольцевых зон из параллельно соединенных модулей формируют группы из условия обеспечения заданного значения ЭДС постоянного тока с перепадом ЭДС в пределах группы не более 30%; при этом число модулей в группе выбирают исходя из условия обеспечения заданного значения тока в нагрузке с перепадом тока не более 30%, причем группы между собой соединяют последовательно.

Сущность изобретения состоит в следующем. Ректенны, как известно, облучаются неравномерно с целью достижения высокого КПД перехвата энергии, распространяющейся в свободном пространстве, Неравномерность облучения апертуры приводит к тому, что приемно-выпрямительные ячейки, как генераторы постоянного тока, являются неидентичными (т.е. характеризуются неравным ЭДС постоянного тока и внутренними сопротивлениями), Это неравенство при объединении отдельных ячеек схемой сбора с нагрузкой приводит к существенным потерям энергии постоянного тока, Если М ячеек соединить параллельно в группу с нагрузкой йн, то КПД сбора надлежат одной или соседним зонам и соединены внутри группы 5 параллельно, при этом группы 5 сформированы так, что относительный перепад ЭДС в пределах каждой группы меньше 30% и относительный перепад токов групп также меньше 30%. 2 табл., 4 ил. энергии цо определяется следующим соотношением

ГДЕ Рнр МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО Тока гРуппы в нагрузке R>p, Рмах максимальная мощность постоянного тока, которая равна сумме мощностей постоянного тока Мячеек,,Ьри условии работы каждого из них на свою оптимальную нагрузку;

Rj — внутреннее сопротивление ячейки, как генератора постоянного тока, Если N групп соединить последовательНо с нагрузкой Rpp, To КПД сбора B 3ToM .случае будет равен

35 Входящие в выражения (1), (2) величины

Е», Ej, й», Rj функционально зависят от плотности потока падающего поля П», П». В связи с этим даже при оптимальной нагрузке КПД ректенны yp < 1, Так, например, при опти40 мальном соотношении нагрузки выражения (1), (2) преобразуются к виду

1814746 о. рых уменьшение потерь сбора осуществлялось бы за счет формирования параллельно о — д,„. <1; (4) соединяемых по постоянному току приемр, (pfyR,1 < но-выпрямительных ячеек апертуры рек,Х„Х, 6 тенны с допустимыми перепадами эквивалентных ЭДС и последовательного

Причиной потерь мощности в схемах соединения групп ячеек с допустимыми сбора при соединении неидентичных гене- перепадами эквивалентных тОкОв; раторов является рассеяние части мощно- На фиг.1 показан принцип разбиения на сти нз внутренних сопротивлениях RI, Rl. 10 концевые зоны ректенны с круглой зпертуПри этом величина рассеиваемой мощности рой, заполненной ячейками квадратной зависит от перепадов значений ЭДС Е, Е формы (приемно-выпрямительные ячейки, или перепадов значений соседних генерз- принадлежащие к одной кольцевой зоне, торов тока I, 4(I - EI/RI, Il - El/Rl). нумерованы одинаковыми цифрами); на

Избежать потерь энергии в параллель- 16 фиг,2 — пример схемы приемно-выпряминой схеме сбора, как следует из (3), можно тельной ячейки квадратной формы, выполлишьпривыполненииусловия ненной в виде модуля, состоящего из двухполупериодных петлевых приемно-выЕ (П ) = const (6) прямительных элементов; нз фиг.3 — схема 20 сбораректенныкруглойапертуры,осущестДЛЯ ВЫЯСНЕНИЯ УСЛОВИЙ ОтСУтстВИЯ ПО- ВЛЯЮЩЕй ДаННЫй СПОСОб, ГДЕ ЧЕРЕЗ Е, Rлп1 терь в последовательной схеме сбора запи- обозначены эквивалентные генераторы шем выражение (4) в другом виде, полагая, - ЭДС. которые индексированы двумя числачто каждая группа приемно-выпрямитель-: ми- первое число обозначает номер зоны, ных ячеек представлена:эквивалентным ге- 26 к которой они принадлежат, а второе — конератором тока - личество параллельно соединенных ячеек; на фиг.4 — зависимости КПД сбора от перепада ЭДС в параллельной схеме (кривая 1)

4, . . - и от перепада токов в последовательной (б) . 30 схеме (кривая 2), g,т Реатенна состоит иа оаатиаемоа но аакону Гауссз апертуры 1, составленной из L . кольцевых зон 2(на фиг.1 -26), в пределах

Из (6) следует, что в последовательной каждой из которых плотность потока падасхеме сбора полная передача мощности в 36 ющего ПОЛЯ мбжнб считать постОЯнной и нагрузку реализуетстя только при выполне-. заполненной Ячейками 3, пРедназначеннынии условия: --. - для извлечения СВЧ энергии из свободного пространства и преобразования ее в

„,(П,) „, p) энергию постоянного тока (фиг.2), и схемы

40 сбора мощности постоянного тока (фиг,З), В силу неравномерного облучения рех соеДинЯющЕй выходы ячеек 3 по постояннотенны условия (6), p) на практике не могут МУ току с нагрузкой 4 и представляющей быть то4но выполнены, т.е. в реальных ус- . собой комбинации из параллельных и пОтройствах потери схем сбора всегда будут следовательных соединений, пРичем схема иметь место, Очевидно, что существует 46 сборасостззтак,чтоиз кольцевыхзон2 максимально допустимый перепад ЗДС и сформиРовзно Й последовательно соединенпараллельной схеме и токов в последовз- ных групп 6 es М weel 3, которые принздле тельной схеме сбора, при которых потеРИ не жзт Од"ой или соседним зо"зм и соединены будут превышатьтребуемуювеличину. внутри группЫ 6 параллельно, при этом многочисленные расчеты показали, что 60 рупп 6 сформированы так, что перепад для типовых одно- и двухпьлупериодных . ЗДС е пределах каждой гРУппы <30 ??????????????-???????????????????????????? ?????????????????? ????????- " nepena?? ?????????? ???????? ?????????? ????” -307 ???? ???????????????? ???? ?????????????????? 26 ?? ???????????? ???????????? ????????????????????, ???????????????????????? ??????.?????????? ?????????????? ?? ?????????????????????? ???????????????????? ..??????, .???????????????????? ???? ?????????????? ???????????????? ???????????????????????? ?? ???????????????????????????????? ??????????- 66 (?????? 1)?????????????????? 3,8??, ?????????????????? ???? ??????????????????, ???????? ???????????????? ?????? ??????- . ???????????? ?????????????? (??????????) (??????.2). ?? ???????????? ???????????? 30 ?????????????????????? ?????????? ??????????????????????: ?????????? ???????????????????? ?????????????????????? ?????????????????? ???????????? ?????????????? ???????????????? pax =1 ????, ???????????????????????????????? ???????????????? ??????????????, ????????- ???????????? ???????????????? ???????????????????? uo5p =40 ??, 1814746 ?????????????? ???????????????? ???? =0,25 ????. ????????????????- ???????? ???????????? ????????, ???????????????? ???????????????? ?????????????????? ??????????????-???????????????????????????? ??????- ???????? ????????????????????, ???????????? ???????????????????? ?????????? ?????????????????????? ?? ?????????? ???????????? ???? ?????????????????? ????????; ???? ???????????????????? ???????????????????????????? ?????????????????????? ?????????? ??????????- ?????????????????? ???????????????? ???????????????????? ???????????? 0,5.4 (??- 12,2 ????). ?????????????? ????????????????- 5 ???????????? ????????????, ?????? ???????? ?????? ?????????????????????? ?????? ???????????????? ???????????????????? ??????????????????: ?? -. ???????????????????????? ???????????????? ???????????? ????1;36; kb - 0,205; ?????? ?? =2 ??>

Пл. Для каждой зоны в табл.1 Указаны зна-. 20 перепады зон прототипа. При составлении чения Пп; эквйвалентные ЭДС Ej, токи l и схемы сбора допускался перепад ЭДС момощности постоянного тока Poj модулей, а дулей в.пределах группы b Е не более 22 . . также мощности РОЗ и эквивалентные то- За счет указанных двух факторов расчетный ки 43 каждой эоны. КПД схем сбора заявляемой ректенны соЭквивалентныетокизон 1 рассчитыв6 25 ставляет 99, что íà 20$ больше, чем у лись в предположении, что в пределах зоны прототипа. модули соединяются параллельно, анало-: Полученный положительный эффект погично прототипу, Из табл.1 следует, что мак- эволяет рекомендовать к использованию симальное и минимальное значенмя предлагаемый способ при построении рекэкаивалентныхтоковзонсущественноотли- 30 тенн наземных систем передачи энергии с . чаются (перепад токов составляет 80ф). За помощью СВЧ-луча. счет этого возникают. потери мощности при Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я сборе энергии. Количественно величину по- Способ соединения приемно-выпрямитерь можно оценить по графикам фиг,4„рас- тельных ячеек ректенны, апертура которой считанным для данного способа повышения 35 состоит из кольцевых зон, облучаемых потоэффективности ректенны. Если выходы зон ком СВЧ-мощности по закону Гаусса, заректенны соединить по-постоянному току . ключающийся в параллельном соединении последовательно (так же, как и у прототи- ячеек в группы, последовательном:соединепа),.тополучим КПЦсбора79,Этотрезуль- . нии групп и подключении их выходов по тат является неудовлетворительным, f.к, 40 постоянному току к нагрузке, о т л и ч а юпотери сбора составляют 21$. шийся тем, что, с целью повышения КПД

Воспользовавшись информацией, при- при параллельном соединении приемопеведеннойнафиг.4,нетрудноустановить,что редающих ячеек в группы перепад ЭДС . потери менее 2 гарантируются при пере- приемопередающих ячеек в каждой группадах ЭДС и токов менее 30, ПРименЯЯ 45 пе ЬЕ 307;, где Л Ej = (Е М3кс— данное правило, составим схему сбора по Евнин)/Е1накс, смаке, Еремин — максимальное и заявляемому способу следующим обрээом: минимальйое значения ЭДС, при этом приа) комплектуем группы из параллельно емопередающие ячейки принадлежат. одной соединенных модулей, при условии, что пе- или смежным кольцевым зонам, а перерепады ЭДС а пределах группы не превы- 50 падтоков в группах, соответствующих кольшают указанных, а значение тока группы цевым зонам, Ы 30 ; где h,l = (ljgayc— равно заданному; 11мин)/!макс, !!макс, амин — максимальное и миб) порядок включения модулей в группы нимальное значения эквивалентных токов следующий — сначала а группу включим мо- групп.

1814746

Таблиц» 1 Ъ ( модулей ректенны круглой апертуры

Энергетические парвметры! ээ, А

П, Вт/м

I), А

EI, В

P I, Вт

Р.. В

К-во взоне

Зоны

62,98

60,46

58,09

55,77

53,54

49,33

47,36

15,39

29,53

14,18

27,20

26,08

36,01

23,02

21,18

9,34

20,30

19,47

17,90

60,60

55.80

51,47

47,41

43,64

37,00

34,07

28,89

43,65

38,61

41,89

22,54

26,58

40,20

37,05

24,45

20;75

31;62

16,26

11,65

32,79 27,85

6,69

16,40

14,54

34,16

30,20

26,74

13,7é

10.73

: Х72 .. 6.58

9,88

:. 8,36

6,Я

- 4,72

5,97, 5.И

25,68

10,87

5,62

22,71 ,21 00

25,67

42,32

23,66

20,91

17,81

ЩО1

19,26

17 75

11,33

9,99

8,48

9,55

9,19

Та(блиц».2

-((Значение энергетичеСких йар»МЙЩйе. гффе Модулей

Г пса

36 57

42 07

25 94

48,54

60 50

E,В

4607 56 00

56,03

59 20

53,32

59,08

I,А

2

4

7

9

1l

12

13

14

16 17

18

19

20.

21 .

22, 23

24

26

196,0

180,3

165,6

152,1

139,7

117,8

108,2

91,3

70,7

83,8

76,9

64,9

50,3

35,8

54,8

42,4

32,9

23,4

19,9

30,2

25,5

19;7

14,1

18,1

16;6

140

4

8

12

4

8.»

16

8. . 8.

8

8

3,85

3,69 . 3,54

3,№0

3;26 ., 3.00

; .2,88

2,68, 2,33

2,54

2,43

2,24 . .: 1,98

1,67

2,06 ,, 1,60 .,: 1,36. 1,25, 134 . 1,42-1 25

- 1,06 ,1,20 ..1,И

242,40 446,40

205,88

379,30

349,15

444,60

272,53

231,09

90.18

212;66

195,65

168,98

259,24

46,61

140,84 .109,78

171,67

61,73

26,34

79 05 .67.04

52;23

37,76

47,79

44,23

37 51

1814746

+ °

1814746 тяге Э

Й%

ЮР

Составитель В.Шокало

Редактор В,Трубченко Техред М.Моргентал Кщфектор В.Петраш

Заказ 1846 Тираж - Подвесное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретеййям й-открьгтиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101