基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電系統(tǒng)設(shè)計與試驗

王立舒，劉 雷，王錦鋒，文競晨，喬帥翔，王書宇

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引 言

自從70年代中國出現(xiàn)日光溫室以來，人們就沒有停止過研究的步伐。其中溫室的環(huán)境因素及溫室的設(shè)計是研究分析的兩大方向。包括溫濕度、通風(fēng)量、傳熱特性、空氣流動等環(huán)境因素的分析及電氣設(shè)備的設(shè)計[1-4]。然而，隨著日光溫室技術(shù)的發(fā)展，其內(nèi)部包含了眾多的傳感器，這些傳感器的安裝受到有線供電束縛，降低了其安裝的靈活性。無線輸電技術(shù)與日光溫室的結(jié)合能夠解決上述問題。與此同時帶來的新問題便是傳輸效率的問題[5]。針對此問題，在國內(nèi)最近的學(xué)術(shù)研究中，無線輸電技術(shù)的研究取得了不少成果。在小功率微波無線裝置研究領(lǐng)域，李曉寧等進(jìn)行了1 W微波無線輸電系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計[6]。有效距離為20 cm，最大接收電壓4.22 V，電流8.2 mA。申世軍等也對小功率無線輸電試驗裝置進(jìn)行了研究[7]，在發(fā)射頻率2.45 GHz，接收端采取微帶天線的前提下，距離10 cm的位置所測得的最大電壓為0.325 V。理論設(shè)計上，研究人員設(shè)計了基于變次級補償參數(shù)的感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)[8]，實現(xiàn)對電池恒流恒壓切換充電。并在此基礎(chǔ)上對無線充電在電動汽車應(yīng)用上充電負(fù)荷進(jìn)行了評估[9]。在充電功率方面，提出了雙初級線圈并繞的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的功率分配方法[10]以及變結(jié)構(gòu)模式的寬負(fù)載恒壓感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)[11]等。劉晨蕾等提出了在確保零相位角下的雙向諧振式無線輸電控制策略[12]。在諧振頻率85 kHz的條件下，推導(dǎo)了無線輸電中的有功無功功率與相位角之間的關(guān)系。得出相位角能改變傳輸能量的方向和大小。其次，趙靜等在系統(tǒng)硬件的控制及優(yōu)化上提出了不同的策略[13-16]。從這些研究中不難發(fā)現(xiàn)，接收距離與傳輸效率仍然是需要解決的問題。這也是無線輸電技術(shù)與日光溫室結(jié)合的過程中要研究的問題。特別是溫室內(nèi)部植被的散射及環(huán)境電磁波對傳輸效率都有一定的影響。本文通過所搭建的基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電試驗平臺，在試驗系統(tǒng)的發(fā)射功率500 W、發(fā)射頻率2.42 GHz的前提下，選取東北農(nóng)業(yè)大學(xué)以黃瓜為主的日光溫室作為試驗對象，通過理論及試驗分析了溫室內(nèi)部的電磁波環(huán)境、黃瓜等植被的散射作用對傳輸效率的影響。并提出運用微帶天線陣提高傳輸效率。

1 光伏發(fā)電微波無線電力傳輸試驗系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本文設(shè)計的無線傳輸系統(tǒng)以磁控管CK-620A產(chǎn)生的電磁波作為溫室內(nèi)設(shè)備的電力能源。工作電壓650 V，陽極最大工作電流13 A，選擇合適的發(fā)射電流大小有利于磁控管頻譜噪聲抑制[17]，試驗中選取陽極工作電流6 A、光伏板4片，每片輸出電壓24 V，功率100 W。蓄電池選用200 A×h。磁控管屬于大功率器件，所以工頻逆變器選用1 000 W，24 V。光伏控制器選用24 V，30 A。高壓變壓器選用1 000 V，700 W。系統(tǒng)試驗需要結(jié)合日光溫室的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選取ZC301攝像頭對試驗現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)測，并且將最終采集的數(shù)據(jù)傳至上位機。整個試驗平臺選取 3030鋁型材搭建。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

具體器件參數(shù)如表1、表2所示。

表1 磁控管CK-620A參數(shù)Table 1 Parameters of magnetron CK-620A

表2 YMD-852T高壓變壓器參數(shù)Table 2 Parameters of YMD-852T high voltage transformer

系統(tǒng)無線電力傳輸過程主要是光伏板通過控制器充電至蓄電池，蓄電池經(jīng)逆變器接入發(fā)射端內(nèi)部高壓變壓器。高壓變壓器將220 V電壓升至1 000 V，以此作為微波源的電源。磁控管的陰極通電后發(fā)射電子，在外加直流電場的作用下獲得動能。一部分動能轉(zhuǎn)化為震蕩體系的交變電場，頻率為2 450 MHz。最后通過天線耦合輸出至矩形喇叭天線。接收端天線選取拋物面天線，接收到的信號經(jīng)過選頻電路后，通過BQ25530能量采集電路輸出至數(shù)據(jù)采集電路，最終發(fā)送至終端上位機。

1.2 微波無線發(fā)射天線的尺寸確定

矩形喇叭天線的口徑尺寸會影響天線輻射場方向性[18]。天線尺寸決定了發(fā)射天線的性能。試驗設(shè)計所選用的矩形喇叭天線是最簡單的面天線。初始場取決于波導(dǎo)中所傳輸?shù)碾姶挪Ｐ蚚19]。天線作為無線輸電試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，需要確定其尺寸。天線的尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 矩形喇叭天線尺寸與結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Size and structure diagram of rectangular horn antenna

對于矩形喇叭天線，其口徑場的場強可以表示為[20]。

式中Eys為矩形喇叭天線口徑場的場強，W/m2；為矩形喇叭天線口徑中心的場輻射，W/m2；A1是取決于激勵長度的常數(shù)；k為自由空間的電磁波波數(shù)，在最佳增益設(shè)計時，矩形喇叭天線的增益[19]

矩形喇叭天線的尺寸關(guān)系為[19]

由式（2）、（3）可以得出

根據(jù)式（2）、（3）、（5）可以得出矩形喇叭天線的尺寸，由于矩形喇叭天線饋電點與短路板之間的距離為所以波導(dǎo)的長度選取時要大于矩形喇叭天線饋電點與短路板之間的距離，這里選取波導(dǎo)的長度具體參數(shù)如表3所示。

表3 矩形喇叭天線尺寸參數(shù)Table 3 Size parameters of rectangular horn antenna cm

2 傳輸系統(tǒng)接收功率的影響因素分析

2.1 試驗系統(tǒng)平臺

選取12月份哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)日光溫室為試驗對象，研究內(nèi)部植被的散射及環(huán)境電磁波對無線傳輸系統(tǒng)接收功率Pout的影響。

測量的主要參數(shù)有：發(fā)射與接收端之間的距離、接收端的輸出電壓與電流、散射與環(huán)境電磁波影響下的接收端輸出功率、數(shù)據(jù)采集的時間間隔。如圖 3為測試系統(tǒng)裝置組成圖。

圖3 測試系統(tǒng)組成圖Fig.3 Test system composition diagram

試驗選用采集單元為NRF24L01+PA+LNA的無線透傳模塊，接收距離為 1 100m。數(shù)據(jù)處理控制器選取STM32F103芯片。數(shù)據(jù)采集電路由CS5460A電壓電流電量測量電路、NRF24L01+PA+LNA無線透傳模塊、陀螺儀、外部5 V供電電源電路、STM32主控電路構(gòu)成。整個采集電路的數(shù)據(jù)發(fā)送及控制指令的接收由采集電路中接收距離為1 100 m的無線透傳模塊完成。終端無線透傳模塊將采集端無線透傳模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)由串口傳至上位機。通信方式為I2C，頻率為115 200 MHz。為了便于觀察及安全起見，試驗全程由ZC301攝像頭實時監(jiān)控。攝像頭放置在發(fā)射端。傳感器具體參數(shù)如表4、表5所示。

由于研究的是水平向前的無線電力傳輸過程，所以試驗時，通過陀螺儀進(jìn)行水平矯正來保持發(fā)射端與接收端水平放置，保持發(fā)射裝置水平，攝像頭所采集的試驗現(xiàn)場及試驗數(shù)據(jù)采集端如圖4所示。

表4 CS5460電壓電流檢測傳感器參數(shù)Table 4 Parameters of CS5460 voltage and current detection sensor

表5 ADIS16365陀螺儀參數(shù)Table 5 Parameters of ADIS16365 gyroscope

圖4 試驗現(xiàn)場及數(shù)據(jù)采集端Fig.4 Test site and data acquisition terminal

2.2 接收距離對系統(tǒng)接收功率的影響

為了探究影響光伏發(fā)電微波無線電力傳輸系統(tǒng)接收功率的因素。根據(jù)所設(shè)計發(fā)射天線的尺寸參數(shù)，運用Ansoft HFSS軟件對天線進(jìn)行建模分析[21]。由于微波源的發(fā)射頻率為2 450 MHz，仿真的掃描頻率應(yīng)將其頻率包含在內(nèi)。所以設(shè)置掃描頻率為1.7～2.8 GHz，掃描類型為快速掃描。頻率步進(jìn)為0.1 GHz。即每掃描完一次，掃描頻率自動增加0.1 GHz。自適應(yīng)網(wǎng)格剖分最大次數(shù)設(shè)置為50次。輸入端口阻抗50 W。矩形喇叭天線增益仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 矩形喇叭天線在發(fā)射頻率2 450 MHz下的電磁波水平面輻射增益圖Fig.5 Electromagnetic wave horizontal radiation gain diagram of rectangular horn antenna at transmitting frequency of 2 450 MHz

從仿真結(jié)果可以看出，本試驗所用到的矩形喇叭天線的輻射主要集中在-60°～60°范圍內(nèi)，天線的最大增益出現(xiàn)在水平方向，即輻射角位 0°，所對應(yīng)的輻射增益G=19 dB。因為研究對象為水平方向點對點直射方向的輻射，所以選取圖5中輻射范圍0.5°即-0.25°～0.25°內(nèi)的能量作為研究。由于其中Emax為最大方向上的輻射電場，W/m2。E0為理想無方向性的天線處于同一位置的輻射電場，W/m2。假定理想矩形喇叭天線的輸入功率Pin與輻射功率Pr相等。在水平方向點對點直射的前提下，由圖3可知，輻射能量主要集中0°附近，選取輻射范圍上下限浮動0.5°內(nèi)的輻射能量作為研究，則

式中L為接收距離，m；Pin為矩形喇叭天線的輸入功率，W。

由此可以得出

代入式（1）得

矩形喇叭天線場強振幅的歸一化方向性函數(shù)的直角坐標(biāo)形式為[22]

式中E(x,y)為矩形喇叭天線在任意方向上的場強，W/m2。將式（7）代入式（8）可以得出

矩形喇叭天線的功率密度（W/m2）[23-24]

由式（10）可以得出天線矩形口徑面輻射功率

假設(shè)口徑場作為遠(yuǎn)區(qū)場的源，則根據(jù)能量守恒定律，在理想條件下，微波在空間傳播過程中總電場功率輻射Pr不變，因此可以得出距離為L處的電場輻射密度W/m2。接收端天線采用拋物面天線，為了得到接收端最終的接收功率，需要考慮拋物面天線所接收電磁波的有效面積。其有效面積SAB大小為拋物面外口徑R1所對應(yīng)的面積SA去除內(nèi)口徑R2所對應(yīng)圓形面積后的區(qū)域，即SAB=SA-SB。則距離L處的接收端天線所接收到的功率Pout=PonSAB。建立直角坐標(biāo)系可以得出天線拋物面面積SA為

式中R1為拋物面外口徑，m；f為天線拋物面焦距，m。x，y為拋物面上任一點。

式中R2為拋物面天線內(nèi)口徑，m

距離L處的接收端天線所接收到的功率

由式（14）可知，接收端天線所接收到的功率大小與發(fā)射端的輻射效率rP，發(fā)射端與接收端的距離L以及天線的尺寸有著直接的關(guān)系。在保證光照強度一定，外部環(huán)境理想化的前提下，選取接收天線外口徑R1=0.5 m，內(nèi)徑R2=0.04 m。針對日光溫室的占地尺寸，在距離L上選取的距離范圍在0～20 m之間，在發(fā)射功率500 W的前提下，運用MATLAB繪制出接收功率outP與L的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 接收功率與接收距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between received power and distance

從圖 6可以看出，在接收天線尺寸選定的情況下，接收功率最大可以超過130 W；在0～7 m的范圍內(nèi)接收功率隨著距離的增加急劇下降到18W左右；在7 m之后緩慢下降，在12～20 m的研究范圍內(nèi)趨于一個固定值。

在R2不變的前提下，距離L的取值范圍不變，R1的取值在0.3～1.5 m之間，所得出的接收功率與L、R1的關(guān)系函數(shù)圖像如圖7所示。

圖7 接收功率與接收距離、拋物面天線外口徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between received power, receiving distance,and outside diameter of parabolic antenna

當(dāng)距離在0～5 m之間時，隨著天線口徑的增加，接收功率明顯增加。當(dāng)距離超過 8 m時，隨著天線尺寸的增加，接收功率增速較慢。

2.3 溫室內(nèi)植被散射作用對接收功率的影響

前面推導(dǎo)所得出的函數(shù)關(guān)系圖像是建立在理想環(huán)境下，即電磁波的傳輸過程中不考慮功率的損耗，不考慮天線饋線的內(nèi)阻。然而，實際日光溫室中復(fù)雜的環(huán)境及障礙物的影響，使得電磁波在傳輸?shù)倪^程中功率損耗是不可避免的[25-26]。所以，需要考慮日光溫室地面植被的散射[27]。

試驗前，需要明確日光溫室的粗糙面（如植被）對電磁波散射的影響程度。粗糙地面的電磁波散射系數(shù)基爾霍夫近似解[28-29]為s

q為散射角，（°）；30Ll=為粗糙面長度，m；z為粗糙面高度，m；iq為入射角，（°）；k取1[27]；R為菲涅耳反射系數(shù)。

從式（15）可以看出，植被越高，散射影響越大。因此選取黃瓜、豆角等具有一定高度的植被覆蓋的日光溫室作為試驗對象，其內(nèi)部環(huán)境如圖8所示。

圖8 冬季哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)某溫室內(nèi)部場景Fig.8 Interior scene of a greenhouse in Northeast Agricultural University of Harbin in winter

由前面Ansoft HFSS分析，所設(shè)計天線的入射角范圍在因此選取散射角的范圍0°～90°，從式（15）可以看出，由于入射角是定值。所以散射系數(shù)是一個與散射角有關(guān)的函數(shù)，反應(yīng)了在某一特定方向上電磁波的散射程度。為了研究植被在水平面上的前向散射特性，選取不同的散射角度，參考文獻(xiàn)[20]，得出對于黃瓜等有一定高度的植被對電磁波散射在各個散射方向上的散射程度即散射系數(shù)。如圖9所示。

圖9 黃瓜等植被的散射在不同散射角度下所對應(yīng)的散射系數(shù)Fig.9 Scattering coefficient of scattering of vegetation such as cucumber at different scattering angles

由圖9可知，傳播距離越靠近發(fā)射源即散射角越大，散射的影響越大。日光溫室內(nèi)部的植被在散射角為 90°方向上對電磁波的散射最明顯。結(jié)合圖 9進(jìn)一步分析植被的電磁波散射對接收功率影響，建立植被對電磁波散射的幾何模型，如圖10所示。接收點的電磁波除了來自于場源A點的水平直射，還有一部分來自于植被的散射而產(chǎn)生的功率Ps。B、C點總接收功率Po= Pout+Ps。

圖10 黃瓜等一定高度植被對電磁波散射的幾何模型Fig.10 Mathematical model of electromagnetic wave scattering from vegetation at a certain height such as cucumber

為了求得Ps，在散射面上任取一點M，連接AM，連線與散射面的夾角，即入射角設(shè)為Q，散射角為Q1。則有Q1=2Q，反射波與水平直射波的焦點為N。從圖9中可知，接收點N接收到的散射功率為PMN的水平分量，假設(shè)電磁波在反射的過程中沒有波損耗的前提下，即PAM=PMN。則可將散射過程分為AM的直射段與MN的直射段。在研究過程中，場源A與待測點N之間的距離，即直射距離L為已知。

通過圖10所示的幾何關(guān)系得

由公式（16）可以得出點N處的輻射功率

其中散射角Q1的范圍為k為常數(shù)。

從式（18）及圖9可以得出：隨著傳播距離的增加，散射角由90°變化到0°的過程中，由黃瓜等植被的散射所產(chǎn)生的輻射功率增量逐漸減小，分析這些位置的總接收功率需要將PN考慮在內(nèi)。

2.4 試驗結(jié)果與分析

選取試驗記錄時間為2017年12月15日13時27分。試驗前，通過陀螺儀進(jìn)行裝置水平角度的校驗，使發(fā)射端與接收端保持水平一致，手動調(diào)節(jié)發(fā)射端與接收端之間的距離，采用上位機軟件采集不同接收距離所接收到的電壓、電流的數(shù)值。測量數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 日光溫室內(nèi)不同接收距離下的接收端采集數(shù)據(jù)Table 6 Datas collected by receivers at different received distances in solar greenhouse

將圖6的理論功率值與表6中電壓、電流計算出的實際功率值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖11所示。

圖11 接收功率理論值與實測值Fig. 11 Theoretical and measured value of received power

由圖11可知，當(dāng)接收距離在3～6 m之間時，由于電磁波散射的影響，實際功率與理論接收功率相比較有明顯的波動。由前文對散射的分析及式（20）可知，近地監(jiān)測點的接收功率除了直射部分，還有來自于散射產(chǎn)生的輻射功率PN的水平分量的作用，實測功率在2～3 m、4～5 m范圍內(nèi)波動較大。接收距離為3 m處的理論接收功率約為25 W，而實際功率約為37 W。存在大約12 W的波動。接收距離4 m處的實測功率波動有所下降。這符合前文所得出的散射作用對接收功率的影響規(guī)律。但是4～5 m范圍內(nèi)實測功率的波動存在明顯上升。所以，實際測試過程中，除了散射，也要考慮周圍電磁波對接收功率的影響。由于環(huán)境電磁波是隨時間變化的。因此引入時間變量，分析不同時間下的接收功率變化。維持發(fā)射及接收端天線的位置高度不變。設(shè)置上位機采集數(shù)據(jù)時，每一個時間段里采集10次，采集間隔為6 min。選取其平均值作為該時間段的最終值，結(jié)果如表 7～8所示。

從表7～8中可以看出，同一接收距離、不同時間段下所采集的電壓與電流在數(shù)值上存在不同程度的波動。7:00～17:00內(nèi)各接收距離所接收到的電壓、電流的數(shù)值整體呈逐漸下降的趨勢，即接收功率逐漸降低；通過對同一接收距離、不同時間段下所采集的電壓與電流的數(shù)值與其平均值對比，可以看出不同接收距離所接收到的實際功率在3 m處的波動較大，最大波動為17 W。接收距離在4~8 m時，波動趨于穩(wěn)定。所以，針對所研究的日光溫室，最佳的接收區(qū)域在3～8 m之間。

表7 一天內(nèi)不同時刻、不同接收距離的電壓測試結(jié)果Table 7 Voltage test results at different times and different receiving distances in one day V

表8 一天內(nèi)不同時刻、不同接收距離的電流測試結(jié)果Table 8 Current test results at different times and different receiving distances in one day A

3 提高日光溫室無線傳輸效率的方法探究

前文分析與試驗表明，接收距離為3 m處所接收到的平均功率不足27 W。在滿足接收距離的前提下，轉(zhuǎn)化效率是接下來需要解決的主要問題，通過增加發(fā)射功率來提高轉(zhuǎn)化效率的方式是不可行的。無線電力傳輸過程中的散射、空間電磁波等環(huán)境因素不可改變，接收電路體積也不宜過大。因此，提高轉(zhuǎn)化效率最可能在發(fā)射端尋求改變。對于發(fā)射端，需解決在有限的輸入功率前提下，提高發(fā)射效率。這就需要在發(fā)射源、發(fā)射天線、發(fā)射頻率、硬件設(shè)計上入手。

3.1 微帶天線陣列及變?nèi)荻O管自動調(diào)相器設(shè)計方案探究

微帶天線陣列是通過波的干預(yù)使其發(fā)射定向性。如圖12a所示為微帶天線陣的結(jié)構(gòu)圖。高頻信號通過微波源連接頭與RC自動調(diào)相器連接，經(jīng)過RC自動調(diào)相器(圖12b)使輸入的高頻信號同相位，最終通過饋線、阻抗變換器與微帶天線陣相連，信號最終由輻射貼片發(fā)射到空間。

如圖12所示，參考信號、發(fā)射信號經(jīng)過模擬乘法器得到2個信號間的相位差。該相位差反饋作用于RC變?nèi)荻O管調(diào)相器，由RC變?nèi)荻O管調(diào)相器對發(fā)射信號調(diào)相后，由于有反饋環(huán)節(jié)的參與。此過程重復(fù)進(jìn)行，直至參考信號與發(fā)射信號同相位，以此達(dá)到自動調(diào)相的目的。

在各組陣元信號間同相的前提下，對圖 13a所示的6×7結(jié)構(gòu)的微帶天線陣列運用ANSYS對其進(jìn)行仿真分析[30]，其輻射增益結(jié)果如圖13b所示。

由圖13可知，6×7結(jié)構(gòu)的微帶天線最大輻射方向的增益G=19.28 dB，由前文圖5可知，采用矩形喇喇天線的最大輻射增益為19 dB，最大輻射方向的增益與采用矩形喇叭天線的方式相比提高了0.28 dB。使用微帶天線陣列與矩形喇叭天線相比，天線的輻射增益有所提升，即天線的定向性要好一些。

圖12 微帶天線陣結(jié)構(gòu)發(fā)射系統(tǒng)Fig.12 Launch system of microstrip antenna array structure

圖13 6×7微帶天線陣列及其增益仿真Fig.13 Microstrip antenna array of 6×7 structure and its radiation gain simulation

將系統(tǒng)的發(fā)射天線換成圖13的6×7微帶天線陣列，采用第 2節(jié)的試驗方法，得出接收功率隨接收距離的變化曲線，并與前文采用矩形喇叭天線所得出的接收功率曲線對比。結(jié)果如圖14所示。

圖14 改進(jìn)前后接收功率對比Fig.14 Comparison of received power before and after structure improvement

從圖14可以看出，采用微帶天線陣列的方式使得系統(tǒng)的接收功率與改進(jìn)前采用矩形喇叭天線相比，有所提高。對曲線各處的功率增量取其均值，可以看出采用微帶天線陣列所接收到的功率比改進(jìn)前平均提高了大約1.58 W。

3.2 低功率損耗的微波發(fā)射源設(shè)計方案探究

傳統(tǒng)的微波發(fā)射端構(gòu)成如圖15a所示。由外部電源電路、振蕩環(huán)節(jié)與功率放大環(huán)節(jié)構(gòu)成。振蕩環(huán)節(jié)用于產(chǎn)生高頻信號，一般產(chǎn)生的功率很小，需要經(jīng)功率放大電路進(jìn)行功率放大。振蕩選頻電路將輸入信號進(jìn)行選頻，濾除與選頻網(wǎng)絡(luò)頻率不一致的信號。只保留與其頻率一致的信號，經(jīng)功率放大器輸出。可以看出，此過程中的能量在選頻過程中有很大損失。而且需要外部電源提供額外的能量。減少發(fā)射源的功率損耗可從這部分的損耗入手，將其進(jìn)行利用。由此提出圖 15b所示的低功率損耗微波發(fā)射源結(jié)構(gòu)。為了減少選頻網(wǎng)絡(luò)中的能量損耗，選用倍頻器代替?zhèn)鹘y(tǒng)微波發(fā)射端的振蕩選頻環(huán)節(jié)。信號經(jīng)倍頻電路轉(zhuǎn)化為帶有直流分量的高頻信號，可用 T型網(wǎng)絡(luò)收集其產(chǎn)生的直流分量，并將此直流分量作為功率放大環(huán)節(jié)的電源。

圖15 傳統(tǒng)與低功率損耗的微波發(fā)射電路構(gòu)成Fig.15 Composition of conventional and low power loss microwave transmitting circuit

4 應(yīng)用前景展望

本文所研究的基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電系統(tǒng)及試驗分析的結(jié)果不僅適用于日光溫室，在能源的供應(yīng)方式、傳輸方式上，對于其他領(lǐng)域都具有很大的優(yōu)勢。例如，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)田、溫室內(nèi)的照明、傳感器等一些電子設(shè)備可以用無線輸電的方式進(jìn)行供電。隨著微波無線輸電技術(shù)的研究，在實際生活中，我們所使用的電子設(shè)備也可以運用微波無線輸電的方式供電。在空間領(lǐng)域，微波無線輸電方式使宇宙中的太陽能傳至地球表面已成為可能。

但是，無線輸電技術(shù)目前仍處于初級發(fā)展階段，如何設(shè)計出高效的發(fā)射裝置仍是急需攻克的難題。例如，微波發(fā)生器的創(chuàng)新型設(shè)計需解決在有限的輸入功率前提下提高發(fā)射效率。這就需要在發(fā)射天線、發(fā)射頻率、硬件設(shè)計上入手，提出或改進(jìn)現(xiàn)有的微波產(chǎn)生方式。比如，如何降低微波發(fā)生器在產(chǎn)生微波的過程中造成的能量損耗、如何進(jìn)一步提高發(fā)射天線的定向性、如何降低無線輸電過程中帶來的電磁波輻射等等，這些都是需要優(yōu)化和解決的問題。

5 結(jié) 論

本文通過所搭建的基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電試驗平臺。在保持試驗系統(tǒng)的發(fā)射功率500 W，發(fā)射頻率2.42 GHz的前提下，選取東北農(nóng)業(yè)大學(xué)以黃瓜為主的日光溫室作為試驗對象，首先，在假設(shè)日光溫室內(nèi)部環(huán)境理想的前提下，運用微波傳輸技術(shù)及能量守恒定律，理論及仿真分析表明：

1）接收天線尺寸固定的前提下，在 0～7 m 的范圍內(nèi)接收功率隨著接收距離的增加急劇下降；接收距離大于7m后緩慢下降，在12～20 m范圍內(nèi)趨于一個固定值。

2）接收距離在 0～5 m 之間時，隨著天線口徑的增加，接收功率明顯增加。當(dāng)接收距離大于8 m時，隨著天線尺寸的增加，接收功率增速較慢。

其次，分析了溫室內(nèi)部植被的散射作用、環(huán)境電磁波對接收功率的影響，并通過試驗得出：

① 距離場源較近的位置，接收功率易受散射的影響。在0～8 m范圍內(nèi)所接收到的電磁波在1 d內(nèi)存在著不同程度的波動。在3～5 m內(nèi)波動較明顯，5～8 m之間趨于平緩。分析這些位置的總接收功率需要將散射所產(chǎn)生的影響考慮在內(nèi)。

② 無線輸電所能覆蓋的有效范圍在 0～8 m 之間。在此范圍內(nèi)所能接收到的功率隨著接收距離的增加而降低，其范圍在30～0W之間；所接收到的電壓在6～1 V之間，電流在5～0 A之間。

再次，本文針對日光溫室無線傳輸效率問題展開探究，從微波發(fā)射源及發(fā)射天線入手，在微波發(fā)射源設(shè)計問題上，提出了相應(yīng)的設(shè)計方案，仿真說明了其工作原理。在探究微帶天線陣列對傳輸效率提高的過程中，進(jìn)一步通過試驗說明微帶天線陣列對日光溫室無線傳輸效率的提高。

① 6×7結(jié)構(gòu)的微帶天線陣列最大輻射方向的增益G=19.28 dB，微帶天線陣列與矩形喇叭天線相比，增益有所提升，即天線的定向性要好一些。

② 采用微帶天線陣列對系統(tǒng)進(jìn)行測試表明，在 0～8 m的范圍內(nèi)，采用微帶天線陣列的發(fā)射方式比改進(jìn)前采用矩形喇叭天線的發(fā)射方式所接收到的功率平均提高約1.58 W。

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