Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Проблемы и перспективы микроволновой передачи энергии 10
1.1 История и развитие беспроводной передачи энергии 10
1.2 Проблемы и перспективы солнечной космической энергетики 13
1.3 Микроволновые системы передачи энергии 27
1.4 Плотность потока энергии, проблема безопасности 37
ГЛАВА II. Поле излучения в плоскости приемной антенны 40
2.1 Введение 40
2.2 Модель микроволновой передачи энергии 40
2.3 Результаты моделирования поля излучения для наземной линии передачи 43
2.4 Плотность микроволнового излучения и эффективность ректенного элемента 51
2.5 Выводы 54
ГЛАВА III. Направленность приемных ректенн с многодипольными антеннами 56
3.1 Введение 56
3.2 Метод моделирования приемных ректенн с многодипольными антеннами 56
3.3 Направленность многоэлементных ректенн с полуволновыми диполями 59
3.4 Изменение направленности многоэлементных ректенн в случае возможных дефектов антенной решетки 68
3.5 Влияние диэлектрических свойств материала подложки 69
3.6 Выводы 71
ГЛАВА IV. Направленность приемных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами 73
4.1 Введение 73
4.2 Моделирование приемных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами 74
4.3 Направленность многодипольных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами 79
4.4 Сравнительный анализ направленности ректенн с различной конфигурацией антенных элементов 88
4.5 Влияние взаимного расположения антенных элементов на направленность ректенны 97
4.6 Выводы 101
ГЛАВА V. Моделирование дисковых микрополосковых ректенн 103
5.1 Введение 103
5.2 Резонансные свойства дисковых микрополосковых ректенн 105
5.3 Моделирование дисковой микрополосковой антенны для приемной ректенны 107
5.4 Изменение амплитуды поля на удвоенной частоте при введении щелевых отверстий на поверхности диска 113
5.5 Выводы 118
Заключение 120
Список литературы 122
- Проблемы и перспективы солнечной космической энергетики
- Плотность микроволнового излучения и эффективность ректенного элемента
- Направленность многоэлементных ректенн с полуволновыми диполями
- Направленность многодипольных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованиям приемных антенных элементов в наземных системах микроволновой передачи энергии методами численного моделирования. Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета МГУ им, М.В. Ломоносова.
Актуальность темы
Актуальность диссертационной работы связана с растущим интересом к возможности беспроводной передачи энергии с помощью направленного микроволнового излучения для наземных и космических применений. Микроволновый диапазон дает возможность существенно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличается высоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразования энергии электромагнитного излучения. Ряд перспективных проектов микроволновой передачи энергии разрабатываются в США, Японии и ЕС.
Главное требование к микроволновой передаче энергии заключается в достижении высокого КПД при одновременном обеспечении безопасности, экологической чистоты и электромагнитной совместимости передачи энергии. Уровень фонового излучения и боковых лепестков передающих антенных систем должны соответствовать требованиям стандартов безопасности. Для эффективного управления уровнем фонового излучения в крупномасштабных проектах солнечной космической энергетики предполагалось использовать коррекцию и оптимизацию амплитудного и фазового распределений на передающей антенне. Разработка проектов микроволновой передачи с существенно меньшим уровнем мощности, рассчитанных на реализацию в ближайшей перспективе, вызывает необходимость детальных исследований их физических свойств, эффективности и экологической безопасности.
Цель работы
Целью диссертационной работы является исследование:
направленности многодипольных приемных антенных решеток и
влияние ряда факторов (числа диполей, их конфигурации и
взаимного расположения, дефектов отдельных диполей в
системах и т.п.);
диаграмм направленности и эффективности многодипольных
приемных ректенн с пространственно развитыми антенными
элементами в зависимости от их конфигурации и взаимного
расположения;
приемных ректенн с микрополосковыми дисковыми антеннами и
возможности уменьшения обратного переизлучения гармоник
основной частоты.
Научная новизна
Впервые предложены многодипольные приемные ректенны для систем микроволновой передачи энергии с неоднородным распределением плотности электромагнитного излучения в плоскости приема. Показано, что их приемные характеристики (диаграмма направленности, эффективность приема излучения) заметно отличаются от характеристик ректенны с полуволновым диполем и зависят от числа диполей в ректенне, их взаимного расположения, диэлектрических свойств подложки, дефектов отдельных диполей и др.
Показано, что выбор оптимального расстояния между диполями, их конфигурации и способа подключения полупроводникового диода обеспечивает высокую эффективность предложенных конструкций ректенн с пространственно развитыми антенными элементами (до 96%).
Установлено, что использование в дисковой микрополосковой антенне щелей, направленных вдоль линий тока для основной моды ТМц, дает
возможность в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения дисковой антенны на удвоенной частоте.
Научная и практическая значимость
Результаты диссертационной работы дают возможность прогнозировать приемные характеристики ректенных элементов для экологически безопасных систем микроволновой передачи энергии с неоднородным распределением плотности электромагнитного излучения в плоскости приема.
Применение многодипольных ректенн, содержащих несколько диполей, нагруженных на один полупроводниковый диод, даст возможность повысить эффективность обратного преобразования микроволн в электрический ток в результате увеличения высокочастотной мощности на диоде Шоттки. Однако это потребует более тщательного позиционирования и юстировки приемных систем на передающую антенну.
Применение ректенны с дисковой микрополосковой антенной уменьшает в 4-5 раз уровень переизлучения кратных гармоник рабочей частоты, возникающих на полупроводниковом диоде в процессе преобразования микроволн в постоянный ток. Использование щелей, направленных вдоль линий тока для основной моды ТМП, дает возможность дополнительно в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения дисковой антенны на удвоенной частоте.
Защищаемые положения
1. Для достижения высокой эффективности наземных микроволновых линий передачи энергии с мощностью 10-100 кВт и безопасным уровнем фонового излучения наиболее рационально использовать ректенны с многодипольными антеннами, обеспечивающие оптимальный уровень входной мощности на диоде Шоттки.
Диаграммы направленности многодипольных ректенн сужаются при увеличении числа дипольных элементов (до 15-20 на частоте 2,45 ГГц) и значительно отличаются от диаграммы направленности ректенного элемента с одиночным диполем. Применение многодипольных ректенн в наземных линиях передачи энергии потребует более тщательного позиционирования и юстировки приемных систем на передающую антенну.
Выбор оптимального расстояния между диполями, конфигурации диполей и расположения выхода антенного элемента обеспечивает высокую эффективность приема микроволн ректеннами с пространственно развитыми антенными элементами (до 96%).
4. Использование в дисковой микрополосковой антенне щелей,
направленных вдоль линий тока для основной моды ТМц, дает возможность
в четыре раза уменьшить интенсивность возбуждения антенны на удвоенной
частоте.
Апробация работы и публикации
Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались автором на IX Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (24-29.05.2004), X Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (23-28.05.2005), X Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (22-27.05.2006), Научной сессии МИФИ-2005 (24-28.01.2005), Научной сессии МИФИ-2006 (23-27.01.2006), Научной сессии МИФИ-2007 (22-26.01.2007) и опубликованы в трудах этих конференций, а также в препринтах Физического факультета МГУ:
Ян Чунь, В. Л. Саввин, Направленность ректенных решеток с пространственно развитыми антенными элементами/ЛПрепринт Физического факультета МГУ, №11/2006, стр. 1-29, 2006;
Ян Чунь, В.Л. Саввин, Моделирование дисковых микрополосковых ректенн//Препринт Физического факультета МГУ, №14/2006, стр. 1-18, 2006.
Статья «Направленность многодипольных антенн в системах микроволновой передачи энергии» направлена в журнал «Вестник МГУ, серия физика, астрономия».
Материалы работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры радиофизики МГУ им. М.В. Ломоносова.
Содержание работы
Проблемы и перспективы солнечной космической энергетики
Одним из перспективных направлений развития СВЧ - энергетики является создание высокоэффективных систем беспроводной передачи энергии космического и наземного применения с помощью направленного микроволнового излучения [1].
Диапазон микроволн - один из наиболее оптимальных диапазонов электромагнитного излучения для беспроводной передачи энергии в системах космического и наземного применения. Микроволновый диапазон дает возможность существенно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличается высоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразования энергии электромагнитного излучения. Ряд перспективных проектов микроволновой передачи энергии разрабатываются в США, Японии и ЕС.
Главное требование к микроволновой передаче энергии заключается в достижении высокого КПД при одновременном обеспечении безопасности, экологической чистоты и электромагнитной совместимости передачи энергии. Уровень фонового излучения и боковых лепестков передающих антенных систем должны соответствовать требованиям стандартов безопасности (не выше 10 мВт/см для США и ЕС, менее 50 мкВт/см для КНР и менее 10 мкВт/см для Российской Федерации).
Система беспроводной передачи энергии определяется как система, которая эффективно передает электроэнергию от одной точки к другой через безвоздушное космическое пространство или атмосферу Земли без помощи проводов или каких-либо других материалов [2, 3]. Беспроводная передача энергии отличается от системы прямой пространственной связи высокой эффективностью, относительно большими оперируемыми мощностями, а также технологическими и физическими составляющими, которые явно непохожи на используемые в системах связи.
Многие ученые работали в этой области [4-32]. В большинстве приложений микроволновая передача энергии состоит из четырех основных частей: 1 - преобразование энергии постоянного тока в энергию СВЧ колебаний, 2 - передающей антенны для перевода микроволновой энергии в узкий пучок микроволнового излучения, 3 - пространство, в котором распространяется СВЧ излучение, 4 - прием и преобразование энергии СВЧ излучения обратно в энергию постоянного тока в точке приема. Важным и основным параметром беспроводной передачи энергии является используемая для этого частота или длина волны. В атмосфере Земли будет наблюдаться ослабление сигнала на высоких частотах, особенно во время дождя. Что касается истории беспроводной передачи энергии, все ранние работы были проведены в ПНМ (Промышленный, Научный и Медицинский) диапазоне 2,4-2,5 ГГц. Но с недавнего времени все больше и больше экспериментов осуществляется при 35ГТц [20, 33].
W.C.Brown (США) был наиболее значительным ученым в области беспроводной передачи энергии. Еще в 1964 году он продемонстрировал управляемый радиолучом вертолет, приводившийся в движение энергией, собранной в радиолуч с частотой в 2,45 ГГЦ [2,3].
Один из известнейших ученых в этой области, Р.Е. Glaser в 1968 году запатентовал идею солнечной орбитальной электростанции или SPS (Solar Power System) [14]. SPS - это космическая платформа, преобразующая солнечную энергию в электричество в космосе, обычно с положения на геостационарной орбите. Электричество передается приемникам на земной поверхности в форме волн радио- и оптического диапазона частот и используется для обеспечения базовой электроэнергией, а также производства водорода в часы спада нагрузки.
С конца 1990-1991г. лаборатории Rockwell International и the David Sarnoff Laboratory в Принстоне, разработали приводимый в движение СВЧ волнами на частоте 5,86 ГГц вездеход. Три киловатта энергии было передано и 500 Ватт постоянного тока было получено, чтобы привести в действие испытательный вездеход.
В 1987 году Канада продемонстрировала первый свободный полет радиоуправляемого самолета. При содействии Министерства Телекоммуникаций, Канада взяла на себя разработку устройства летательного аппарата с высоким и продолжительным полетом, который мог быть использован как платформа для дистанционной передачи данных. Программа была названа SHARP, сокращенно от стационарная высотная передающая платформа (stationary high altitude relay platform). Этот проект доказал, что самолет, питаемый энергией микроволн на частоте 2,45 ГГц, может с успехом функционировать.
В Европе Франция в первую очередь проявила интерес к беспроводной передаче энергии [8, 25-27, 34, 35]. Одним из самых захватывающих проектов демонстрации подобного вида энергии из недавно спланированных явилась инициатива Франции использовать беспроводную электросеть для передачи 10 кВт полезной мощности через трехкилометровое ущелье на острове Reunion, где длинный сервисный кабель был бы нежелателен как препятствие для авиации и как нечто, портящее пейзаж. Проект находится на этапе планирования, и в него вовлечены EDF, CNES и Университет острова Reunion. Запланированные конференции по проекту была проведены в 1994 и 2001 годах и включала представителей из Франции, США, Японии и России.
За последние 30 лет российские ученые проявляли все возрастающий интерес к этой сфере. Статья 1993 года (М. Бургасов и G. Maryniak) обозначила 17 организаций, вовлеченных в исследования космической энергии [3 6]. Кроме того, Российская Академия Наук создала Координационный Совет под председательством академиков В. Руденко и А. Коротеева для дальнейших исследований в области космической энергии в России. В свое время М. Бургасов предложил проект демонстрации передачи энергии в космосе с использованием космической станции «Мир» и грузового корабля «Прогресс». Согласно этой концепции, энергия микроволн излучалась бы с антенн, установленных на «Мире», в сторону антенны-выпрямителя, присоединенного к грузовому космическому кораблю-танкеру «Прогресс» после выполнения им задачи снабжения космической станции. «Прогресс» мог бы находиться в свободном полете и удаляться от «Мира» на желаемые расстояния.
Плотность микроволнового излучения и эффективность ректенного элемента
Напротив, космическая солнечная электростанция не сталкивается с этими трудностями. Ей не требуется запасать энергию. Есть только одно место, где солнце светит 24 часа в сутки, и место это - космос. Др. P. Glaser предложил более 38 лет назад, что лучше всего поместить солнечные батареи на геостационарную орбиту, почти на 36 000 км над экватором [14].
Основные положения и достоинства этой концепции были использованы при разработке проекта SPS, проведенной в США министерством энергетики и NASA.
Каждая относящаяся к геостационарной орбите SPS, согласно описанию NASA [28], может предоставить постоянный источник энергии базовой нагрузки в 5000 МВт или 5 ГВт. Это может обеспечить в 5 раз больше энергии, чем базисное солнечное оборудование в 1 ГВт, описанное в [47], которое требует коллектор в 13,5 ГВт.
Эта энергия доступна 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, с перерывами лишь на несколько часов в году, когда Земля затмевает каждый из спутников. А это значит, что не нужно запасать энергию. Кроме того, космический коллектор той же площади, что и наземная солнечная батарея на самом деле соберет на 30% больше энергии, т.к. в космосе нет атмосферы, поглощающей солнечные лучи. Поскольку на их пути в космосе не стоят ни Земля, ни атмосфера, ни плохая погода, мы получаем ежегодно в среднем в 6 раз больше энергии в день.
Т.к. в целом конструкция не связана с поверхностью Земли, она может быть обращена к солнцу постоянно, расходуя малое количество топлива для ориентации при использовании ионных или плазменных поворотных механизмов. Так, в ней есть лишь несколько движущихся частей, в основном кронштейн, позволяющий передатчику постоянно быть нацеленным к Земле. А это означает низкие эксплуатационные расходы.
Система SPS эффективно использует материалы, так что ей нужно их меньше на каждый ГВт мощности. Эквивалентные космические структуры могут быть более чем в 400-1000 раз легче земных.
В отличие расположенных на земле установок, система SPS, находясь в вакууме, не подвергаются действию высокой гравитации, ветра, землетрясений, ржавчины или коррозии, пыли, града, дождя или вандалов, так что они никогда не будут чиститься или пылиться.
Энергетические системы, сделанные из многомодульных компонентов, такие как наземные солнечные коллекторы, или SPS и ее ректенна, существенно отличаются от традиционных источников энергии, поскольку те можно создать очень быстро, или от их совокупности.
Начиная почти от момента создания концепции SPS, критики пытались заявить, что СВЧ энергия от спутника будет вызывать рак, сожжет птиц и станет использоваться в качестве оружия уничтожения городов. Несмотря на подобную критику, исследования последних 35 лет показали, что беспроводная электропередача на самом деле может быть безопаснее, и определенно дешевле, чем передача на длинные расстояния посредством проводов, которую некоторые статьи связали с одной или двумя причинами рака. Серии прямых испытаний не выявили мутагенных или хромосомных повреждений от энергии высокочастотных радиоволн и существенно никаких цитотоксических эффектов, если только их интенсивность не вызывает физический нагрев тканей, как бы было в микроволновой печи. Т.к. максимальная мощность энергии микроволн в центре приемной антенны (230 Вт/м ) составляет 1Л энергии солнечного света, а пучок может быть направлен только туда, где находится специальный направляющий передатчик, эти и другие подобные жалобы технически необоснованны.
Наземная приемная антенна SPS будет использовать менее 10% площади эквивалентной ей наземной солнечной батареи. Система SPS на 5 ГВт будет использовать только 104 км площади, и 204 км , включая буферную зону в форме кольца 5 км шириной вокруг антенны, в сравнении с 3100 миль площади, используемой наземной солнечной батареей (NASA, 1979). На краю буферной зоны плотность мощности микроволн будет порядка 1 Вт/м .
Поскольку рабочее устройство сделано из проводов, а не оптических поверхностей, 80% солнечных лучей пройдут к поверхности земли. Поэтому площадь под приемной антенной может быть использована для выращивания культур или разведения крупного рогатого скота.
В SPS приемная антенна может быть очень эффективна в преобразовании энергии. Более 82% энергии, полученной на Земле, может быть преобразовано из микроволн в пригодное к употреблению электричество с помощью ректенны (выпрямляющей антенны - от слов rectify и antenna), высвобождая в процессе преобразования меньше тепловых отходов (примерно на 7%), чем жилой район, занимающий ту же площадь.
Пучок микроволн в среднем бы имел 8% от энергии солнечных лучей или 75 Вт/м , относительно примерно 1000 Вт/м для солнечного света. Максимальная мощность в центре пучка была бы примерно 230 Вт/м . Полная энергия SPS, приходящая к ректенне, была бы лишь малой частью от выделяемой солнцем.
После того как Министерство Энергетики США и NASA предложили первый проект SPS, японские ученые продолжили работу в этой сфере, и добились больших успехов [19,23, 24, 37-42, 50]. Национальное космическое агентство Японии назвало свой проект SSPS (Space Solar Power Systems). FY 1998 - первая модель SSPS.
Изучение FY1999 дало идею SSPS во время испытания технологии производства основных элементов. Они суммировали достижения прошлого и новые направления исследований, проведенных на SSPS в США, и предложили следующие 3 конструкции[23]:
Направленность многоэлементных ректенн с полуволновыми диполями
Развитие работ в области СВЧ - энергетики создали основу для реализации высокоэффективных систем беспроводной передачи энергии для наземных и космических применений.
В качестве передающих антенн беспроводных линий передачи энергии часто рассматриваются фазированные антенные решетки, образованные системой дипольных излучателей. Подобные антенные решетки целесообразно использовать и в случае микроволновых линий передачи с наземными ректенными системами, для которых плотность микроволнового излучения должна быть снижена до экологически безопасного уровня.
Плотность мощности падающего излучения может заметно изменяться на апертуре приемного комплекса микроволновой линии передачи (до 10 дБ). Для крупномасштабных проектов солнечной энергетики плотность мощности уменьшается от 230 Вт/кв.м в центре приемного комплекса до 23 Вт/кв.м на краю ректенны (для проекта NASA).
При оптимальных значениях плотности диполей (150-200 диполей/кв.м) нагрузка на один диод в центре приемной ректенны будет близка к номинальной мощности диодов Шоттки (1-2 Вт), при которой реализуется максимальный КПД преобразования микроволн в постоянный ток. Для типовых диодов Шоттки, применяемых в ректеннах, КПД преобразования достигает 82% [79]. Наивысшее значение КПД преобразования ректенны было достигнуто в лабораторных условиях - 91,4% при входной мощности микроволн до 10 Вт на единичном экземпляре диода Шоттки (см. рис. 2.11)[2].
Однако уменьшение уровня входной мощности приводит к росту потерь на диоде и значительному снижению КПД преобразования. Так при значениях Рвх 100 мВт и ниже КПД преобразования не превышает 60% (см. рис. 2.11). Таким образом, использование однотипных ректенн на всей площади приемного комплекса приведет к заметному уменьшению КПД всей системы.
Наиболее рациональным решением для поддержания уровня входной мощности ректенны, близкого к номинальной мощности диода, может быть использование ректенн с многодипольными антеннами. В таких ректеннах мощность микроволн, принятых каждым диполем, суммируется и направляется на один общий диод. Суммирование мощности даст возможность реализовать оптимальный режим работы диода Шоттки.
При этом число диполей в отдельном ректенном преобразователе может варьироваться от одного (в центре приемного комплекса для проекта NASA) до десяти (на краю приемного комплекса). Проекты наземных линий микроволновой передачи энергии рассчитаны на более безопасный уровень плотности мощности - 30 Вт/кв.м в центре и 3 Вт/кв.м на краю ректенны. В этом случае, наиболее целесообразно также использовать многоэлементные ректенные преобразователи, содержащие несколько (5-25) диполей, нагруженных на один полупроводниковый диод с мощностью 1 -2 Вт. Диаграмма направленности подобных элементов может заметно отличаться от диаграммы направленности одноэлементного ректенного преобразователя с полуволновой дипольной антенной, используемого в большинстве проектов беспроводной передачи энергии. Это обстоятельство требует детального исследования, т.к. оно может существенно отразиться на общих энергетических характеристиках микроволновых линий передачи. Кроме того, необходимо учитывать влияние ряда факторов (числа диполей, их конфигурации и взаимного расположения, дефекта отдельных диполей в системах и т.п.). Выбор оптимальных параметров наземной микроволновой линии передачи энергии (уровня передаваемой мощности, профиля поля на передающей антенне, параметра передачи tau и др.) дает возможность обеспечить эффективную (с КПД 80% и более) и экологически безопасную передачу энергии направленным микроволновым лучом. Плотность мощности фонового излучения за пределами наземной приемной ректенны может удовлетворять стандарту на безопасное микроволновое излучение, как стран Запада (10 мВт/кв.см), так и КНР (50 мкВт/кв.см) и Российской Федерации (10 мкВт/кв.см). Плотность мощности падающего излучения может заметно изменяться на апертуре приемной антенны микроволновой линии передачи (до -10 дБ). Для достижения высокой эффективности наземных микроволновых линиий передачи энергии с мощностью 10-100 кВт и безопасным уровнем фонового излучения наиболее рациональным решением является использование ректенн с многодипольными антеннами, обеспечивающих уровень входной мощности, близкий к оптимальной мощности диода. В таких ректеннах мощность микроволн, принятых каждым диполем, суммируется и направляется на один общий диод. Суммирование мощности даст возможность реализовать оптимальный режим работы диода Шоттки. Число диполей в отдельном ректенном элементе может варьироваться в зависимости от уровня плотности падающего излучения, обеспечивая оптимальный режим работы выпрямляющего диода (с КПД 80% и более). Диаграмма направленности подобных элементов может заметно отличаться от диаграммы направленности одноэлементного ректенного преобразователя с полуволновой дипольной антенной, используемого в большинстве проектов беспроводной передачи энергии. Это обстоятельство требует детального исследования, т.к. оно может существенно отразиться на общих энергетических характеристиках микроволновых линий передачи.
Направленность многодипольных ректенн с пространственно развитыми антенными элементами
С ростом числа элементов диаграмма направленности решетки сужается, возникают боковые лепестки, величина которых достигает 10 дБ и более для решетки из 18 элементов.
Основные результаты расчета (КПД антенны и направленность основного лепестка) для решеток с антенными элементами типа Н сведены в таблицу 4.2:
Как видно из таблицы 4.2, при увеличении числа диполей направленность антенной решетки увеличивается и может достигать более 24 дБ при очень малом угле приема. Также показано, что КПД решеток с диполями варианта Н остается малым даже при увеличении числа диполей в решетке до 18. Эти обстоятельства делают довольно проблематичным применение данных решеток в практических системах.
Проведено моделирование многодипольных ректенных решеток с пространственно развитыми антенными элементами типа HI и рассчитаны их диаграммы направленности в случае нормального падения микроволнового излучения. Результаты расчета диаграмм направленности в плоскостях Ф =90 и Ф =0 показаны на рис. 4.9 и рис. 4.10.
С ростом числа элементов диаграмма направленности решетки сужается, возникают боковые лепестки, величина которых достигает 15 дБ и становится сравнимой с основным лепестком. Как наглядно показывает рис. 4.9, в плоскости Ф =90 амплитуда бокового лепестка антенных решеток из 9 и из 16 элементов гораздо выше боковых лепестков решеток из 5 и из 18 элементов. Необходимо также отметить, что в случае решеток с косоугольным расположением диполей диаграмма направленности несколько шире по сравнению с решетками с прямоугольным расположением диполей.Основные результаты расчета (КПД антенны и направленность основного лепестка) для решеток с антенными элементами типа HI сведены в таблицу 4.3:
Как видно из таблицы 4.3, при увеличении числа диполей направленность антенной решетки увеличивается и может достигать более 19 дБ при угле приема менее 30. КПД антенной решетки остается довольно высоким, что делает достаточно перспективным их применение в практических системах.
Проведено моделирование многодипольных ректенных решеток с пространственно развитыми антенными элементами типа Н2 и рассчитаны их диаграммы направленности в случае нормального падения микроволнового излучения. Результаты расчета диаграмм направленности в плоскостях Ф =90 и Ф =0 показаны на рис. 4.11 и рис. 4.12. С ростом числа элементов диаграмма направленности решетки также сужается, однако величина боковых лепестков не превышает 8-9 дБ в плоскости Ф =90 и заметно меньше основного лепестка. В плоскости Ф =0 боковые лепестки не превышают уровня 7 дБ даже для решетки из 18 элементов. Ширина диаграммы направленности заметно увеличена по сравнению с рассмотренными выше типами элементов. Необходимо также отметить, что в случае решеток с косоугольным расположением диполей диаграмма направленности несколько шире по сравнению с решетками с прямоугольным расположением диполей.
Основные результаты расчета (КПД антенны и направленность основного лепестка) для решеток с антенными элементами типа Н2 сведены в таблицу 4.4:
Как видно из таблицы 4.4, при увеличении числа диполей направленность антенной решетки увеличивается и может достигать более более 20 дБ при угле приема 30 - 40. КПД антенных решеток остается довольно высоким, существенно выше, чем у решеток Н-типа, что делает весьма перспективным их применение в практических системах.
Проведено моделирование многодипольных ректенных решеток с пространственно развитыми антенными элементами типа НЗ и рассчитаны их диаграммы направленности в случае нормального падения микроволнового излучения. Результаты расчета диаграмм направленности в плоскостях Ф =90 и Ф =0 показаны на рис. 4.13 и рис. 4.14.
