Способ соединения приемновыпрямительных ячеек ректенны Советский патент 1993 года по МПК H02J17/00 

оо

Ј

g

OJ

диняющей выходы ячеек 3 по постоянному току с нагрузкой А и представляющей собой комбинации из параллельных и последовательных соединений выходов ячеек, схема сбора составлена так, что из кольцевых зон 2 сформировано N последовательно соединенных групп 5 из Mt ячеек 3. которые принадлежат 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.

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - повышение эффективности ректенны путем уменьшения потерь в рсемах сбора энергии постоянного тока рек- тенн 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 рек- тенне, 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

Изобретение 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 ректен- ны, 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 соединения 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 RH, то КПД сбора

энергии 1/о определяется следующим соотношением

5 Р

нр

2 EJ/RJ

2 R, j i

1 д о/ д+ч

т

где Рнр - мощность постоянного тока группы в нагрузке Ннр,

Рмах - максимальная мощность постоянного тока, которая равна сумме мощностей постоянного тока М ячеек, при условии работы каждого из них на свою- оптимальную нагрузку;

RJ - внутреннее сопротивление ячейки, как генератора постоянного тока.

Если N групп соединить последователь- но с нагрузкой Рнр, то КПД сбора в этом случае будет равен

нр

2 EI/I 2 RI + RHP

tjo

2 ( Rl)

. x

(2)

Входящие в выражения (1), (2) величины Ei, Ej, RI, RJ функционально зависят от плотности потока падающего поля П|, П. В связи с этим даже при оптимальной нагрузке КПД ректекны 7)0 1. Так, например, при оптимальном соотношении нагрузки выражения (1), (2) преобразуются к виду

7о

(1)2

$ I/RJ 2 Ef/R,

j 1 J 1

1

(3)

1Jo

№

§ Ri f (,)

Причиной потерь мощности в схемах сбора при соединении неидентичных генераторов является рассеяние части мощности на внутренних сопротивлениях Rj, RI. При этом величина рассеиваемой мощности зависит от перепадов значений ЭДС Ej, Ё или перепадов значений соседних генераторов тока Ij. li (I) Ej/Rj, И Ei/Ri).

Избежать потерь энергии в параллельной схеме сбора, как следует из (3), можно лишь при выполнении условия

Ej(nj) const

(5)

Для выяснения условий отсутствия потерь в последовательной схеме сбора запишем выражение (4) в другом виде, полагая, что каждая группа приемно-выпрямитель- ных ячеек представлена эквивалентным генератором тока

(Ь)2

- V-1

N---N „

2

(в)

„Из (6) следует, что в последовательной схеме сбора полная передача мощности в нагрузку реализуется только при ёыполне- нии условия

1|(П,)

const

(7)

В силу неравномерного облучения рек- тенны условия (5), (7) на практике не могут быть точено выполнены, т.е. в реальных устройствах потери схем сбора всегда будут иметь место. Очевидно, что существует максимально допустимый перепад ЭДС в параллельной схеме и токов в последовательной схеме сбора, при которых потери не будут превышать требуемую величину.

Многочисленные расчеты показали, что для типовых одно- и двухполупериодных приемно-выпрямительных элементов потери мощности не превышают 25% в схемах .сбора ректенн с применением комбинаций параллельных и последовательных соединений, если перепады ЭДС и токов не превышают 30%.В результате проведенных патентных исследований не выявлены решения, в кото

рых уменьшение потерь сбора осуществлялось бы за счет формирования параллельно соединяемых по постоянному току приемно-выпрямительных ячеек апертуры рек- 5 тенны с допустимыми перепадами эквивалентных ЭДС и последовательного соединения групп ячеек с допустимыми перепадами эквивалентных токов.

На фиг. 1 показан принцип разбиения на

10 концевые зоны ректенны с круглой апертурой, заполненной ячейками квадратной формы (приемно-выпрямительные ячейки, принадлежащие к одной кольцевой зоне, нумерованы одинаковыми цифрами); на

15 фиг.2 - пример схемы приемно-выпрями- тельной ячейки квадратной формы, выполненной в виде модуля, состоящего из двухполупериодных петлевых приемно-выпрямительных элементов; на фиг.З -схема

20 сбора ректенн ы круглой апертуры, осуществляющей данный способ, где через Enm, Rnm обозначены эквивалентные генераторы ЭДС, которые индексированы двумя числами - первое число обозначает номер зоны,

25 к которой они принадлежат, а второе - количество параллельно соединенных ячеек; на фиг.4 -зависимости КПД сбора от перепада ЭДС в параллельной схеме (кривая 1) и от перепада токов в последовательной

30 схеме (кривая 2).

Ректенна состоит из облучаемой по закону Гаусса апертуры 1, составленной из L : кольцевых зон 2 (на фиг. ), в пределах каждой из которых плотность потока пада35 ющего поля можно считать постоянной и заполненной ячейками 3, предназначенными для извлечения СВЧ энергии из свободного пространства и преобразования ее в энергию постоянного тока (фиг.2), и схемы

40 сбора мощности постоянного тока (фиг.З), соединяющей выходы ячеек 3 по постоянному току с нагрузкой 4 и представляющей собой комбинации из параллельных и последовательных соединений, причем схема

45 сбора составлена так, что из кольцевых зон 2 сформировано N последовательно соединенных групп 5 из MI ячеек 3, которые принадлежат одной или соседним зонам и соединены внутри группы 5 параллельно, при этом

50 группы 5 сформированы так, что перепад ЭДС в пределах каждой группы 30% и Перепад токов групп также 30%.

Работу устройства, реализующего спо- . соб, рассмотрим на примере ректенны

55 (фиг. 1.) диаметром 3,8 м, состоящей из однотипных модулей (ячеек) (фиг.2). В модуле применяются диоды с параметрами: допустимая входная мощность Рвх 1 Вт, допустимое обратное напряжение Уобр 40 В,

емкость перехода Сд 0,25 пФ. Двухполу- периодные приемно-выпрямительные элементы расположены в узлах равносторонней треугольной сетки размером 0,5Ао(Ло 12,2 см). Размеры резонансных петлевых вибраторов следующие: И . 1,36; kb - 0,205; где k 2 лгЛо. Габаритные размеры модуля - 267 х 240 мм2. Падающая на ректенну СВЧ-энергия распределена по поперечному сечению пучка по закону Гаусса с максимальной плотностью потока мощности у апертуры ректенны 200 Вт/м2 при волновом параметре f 2. С учетом габаритных размеров апертуры 1 ректенны ячейки 3 (модуля) и осесимметричностй падающего пучка на апертуре 1 можно выделить 26 кольцевых зон 2. Модули 3, лежащие в пределах этих зон облучаются потоком СВЧ-мощности с одной итой же плотностью Пп. Для каждой зоны в табл.1 указаны значения Пп, эквивалентные ЭДСЕ, токи li и Мощности постоянного тока P0j модулей, а также мощности Роз и эквивалентные токи 1оз каждой зоны.v

Эквивалентные токи зон 1ЭЗ рассчитывались в предположении, что в пределах зоны модули соединяются параллельно, аналогично прототипу. Из табл. 1 следует, что мак- симальное и минимальное значения эквивалентных токое зон существенно отли- чаются (перепад токов составляет 80%). За счет этого возникают потери мощности при сборе энергии. Количественно величину потерь можно оценить по графикам фиг А рассчитанным для данного способа повышения эффективности ректенны. Если выходы зон ректенны соединить по постоянному току последовател ьно (так же, как и у прототипа), то получим КПД сбора 79%. Этот результат является неудовлетворительным, т.к. потери сбора составляют 21 %.

Воспользовавшись информацией, приведенной на фиг.4, нетрудно установить, что потери менее 2% гарантируются при перепадах ЭДС и токов менее 30%. Применяя данное правило, составим схему сбора по заявляемому способу следующим образом:

а) комплектуем группы из параллельно соединенных модулей, при условии, что перепады ЭДС в пределах группы не превышают указанных, а значение тока группы равно заданному;

б) порядок включения модулей в группы следующий - сначала в группу включим модули первой зоны, если заданное значение тока не достигнуто, в группу включаются модули со следующей зоны; по достижению заданного значения тока сформируем следующую группу, лри этом для обеспечения минимального перепада ЭДС в группе номера зон, из которых берутся модули, должны следовать в порядке убывания значений Пп;- ... . .- . . . .; ; ; : . .в) сформированные группы соединим по постоянному току последовательно.

В качестве примера такого построения на фиг.З показана схема сбора ректенны, рассчитанная на эквивалентный ток 53

А. Значения ЭДС EI и токов h групп этой ректенны приведены в табл.2.

Как следует из табл.2, перепады то ков между группами в предлагаемом способе ( 24%) существенно меньше, чем

перепады зон прототипа. При составлении схемы сбора допускался перепад ЭДС модулей в пределах группы AEI не более 22%. За счет указанных двух факторов расчетный КПД схем сбора заявляемой ректенны составляет 99%, что на 20% больше, чем у прототипа. :; ; : - ...- ./;. v-..;/.,:/: Полученный положительный эффект позволяет рекомендовать к использованию предлагаемый способ при построении ректенн наземных систем передачи энергии с помощью СВ Ч-луча.- Формула и з о б р е т е н и я Способ соединения приемнр-выпрями- тельных ячеек ректенны, апертура которой

состоит из кольцевых зон, облучаемых потоком СВЧ-мощнОсти по закону Гаусса, заключающийся в параллельном соединении ячеек в группы, последовательном соединении групп и подключении их выходов по

постоянному току к нагрузке, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при параллельном соединении приемопередающих ячеек в группы перепад ЭДС приемопередающих ячеек в каждой групne AEj 30%, где Д Ej ( - Е|мин)/Е|макс, макс, EJMHH - максимальное и минимальное значения ЭДС, при этом приемопередающие ячейки принадлежат.одной или смежным кольцевым зонам, а перенад токов в группах, соответствующих кольцевым зонам, Д1 30%, где Ah Оыакс - 1|мин)/1макс; 1|мзкс, 1)мин - максимальное и минимальное значения эквивалентных токов групп.

Таблиц t

- i .-1 . - .

Энергетические параметры модулей ректенны круглой апертуры

. I .- Ч - т :::Ш ; :2№:-5Щ ШВШ :. ;.vi - ::; Значение энергетических параметров групп модулей

ТаблицаЗ