一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的系统及方法，属于微波技术领域。
【背景技术】
[0002]在模块航天器间微波无线能量传输技术研究过程中，能量传输效率是衡量系统性能优良的关键指标。微波无线能量传输系统主要包括微波发射组件、微波接收组件及空间传输三部分，具体电路由微波发射机、微波发射天线、微波接收天线和微波整流电路4个分系统组成，设计方案如图1所示。
[0003]微波无线能量传输系统链路效率主要由三大部分组成:DC到RF的转换效率、RF到DC的转换效率以及收发天线能量传输效率(受限于发射天线、接收天线及传输环境等因素)。为了提高系统能量传输效率，需要实现每一部分能量的效率最大化。从能量接收角度考虑，在发射机功率、发射天线形式和传输距离一定的情况下，理论上接收天线面积越大，接收到的射频能量越多，但同时要考虑天线尺寸等原因，在获得最大传输效率的同时，尽量减小系统尺寸。
[0004]在微波无线能量传输技术研究中，广泛采用的接收整流电路如图2所示。其中图2(a)广泛应用于太阳能电站的能量接收端，该接收天线及整流形式具有大功率接收以及便于阵列组合等优点，然而由于中间连接较多，能量损耗较多，导致射频到直流的能量转换效率降低，系统直流到直流的传输效率只能达到5%以下(电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率，简称DC到DC)。图2(b)所示的整流天线形式，具有结构紧凑等优点，然而由于没有考虑能量的不均匀分布等因素而采用均匀的接收方式，导致大部分整流电路没有达到最佳效率状态，系统直流到直流的传输效率只能达到10%以下(电源给微波发射机供电的直流功率到直流合成模块输出的直流功率)，从而难以获得最佳的整流效率。
[0005]因此，需要采用一种能量传输效率的系统，通过分析天线接收端能量分布特性以及整流电路特性，寻求微波无线能量转换的最佳效率状态。
【发明内容】
[0006]本发明解决的技术问题为:克服现有技术不足，提供一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的系统及方法，考虑到接收端能量分布的不均匀性，以及整流电路的最佳效率与输入功率存在一个最佳匹配状态，根据能量分布特性，在不同的能量分布区域采用不同数量的天线单元接收能量进入整流电路，同时尽量减少不同部件之间的连接损耗，从而实现射频能量的最大化接收，完成整流效率的最优化设计，有效提升了系统链路的微波无线能量传输效率。
[0007]本发明解决的技术方案为:一种基于能量分布特性的提高能量传输效率的系统，包括:电源、微波发射机、发射天线、接收天线、整流电路、直流合成模块；
[0008]接收天线包括多个接收天线单元；
[0009]电源给微波发射机供电后，微波发射机产生射频能量，形成射频信号馈入发射天线，通过发射天线向空间发射射频信号；
[0010]接收天线的口径面划分为多个子区域，每个子区域设置4个接收天线单元，从空间接收射频信号；
[0011]若接收天线的子区域的每I个接收单元从空间接收到的射频信号功率与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，射频信号的功率达到设定的整流电路的最佳输入功率，则该接收天线单元将接收到的射频信号送至整流电路；
[0012]若接收天线的子区域的每I个接收单元从空间接收到的射频信号功率达不到设定的整流电路的最佳输入功率，将子区域的4个接收天线单元分为2组，每组的2个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号1，将合成信号I与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号I达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号I送至整流电路；
[0013]若接收天线的子区域的每2个接收单元从空间接收到的射频信号功率合成后的合成信号I达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则将子区域的4个接收天线单元接收的射频信号的功率合成后，得到合成信号2，将合成信号2与设定的整流电路的最佳输入功率相对比，若合成信号2达到设定的整流电路的最佳输入功率，则将该合成信号2送至整流电路；若合成信号2达不到设定的整流电路的最佳输入功率，则此处天线单元空置；
[0014]整流电路，对接收天线馈入的射频信号进行整流处理后，将射频能量转换为直流能量，送至直流合成模块，直流合成模块对该直流能量进行合成处理，得到最终的直流输出功率送至外部直流负载。
[0015]选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，多个接收天线单元组成微带天线阵列，将微带天线阵列的口径面分为中心区域、次外围区域，外围区域，次外围区域在中心区域与外围区域之间，将微带天线阵列的中心区域分为多个区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，每I个微带天接收线单元直接与整流电路连接；将微带天线阵列的次外围区域分为多个子区域，每个子区域放置4个微带接收天线单元，将4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将微带天线阵列的外围区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；接收天线阵列的口径尺寸选为2.4米*2.4米。
[0016]选择空气微带天线作为所述接收天线的接收天线单元，微带天线阵列的口径为正方形，将微带天线阵列的口径划分为十三行和十三列的子单元，划分后产生多个大小相同的子单元，多个大小相同的子单元组成微带天线阵列；
[0017]将第一行第一列至第四列的子区域、第一行的第五列左半部分的子区域、第一行的第九列右半部分的子区域和第一行第十列至第十三列的子区域空置，将第一行的第五列的右半部分子单元至第一行的第九列左半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；
[0018]将第二行第一列至第三列的子区域和第二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；
[0019]将第三行第一列至第二列的子区域和第三行第十二列至第十三列的子区域空置，将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个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第三行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；
[0020]将第四行第一列的子区域和第四行第十三列的子区域空置，将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个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第四行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将第四行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
[0021]将第五行第一列的子区域的上半部分、第十三列的子区域的上半部分的子区域空置，将第五行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第五行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将第五行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
[0022]将第一列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；
[0023]将第十三列的第五行子区域的下半部分至第九行子区域的上半部分的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；
[0024]将第六行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第六行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将第六行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
[0025]将第七行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第七行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将第七行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
[0026]将第八行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第八行的第四列和第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将第八行的第五列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
[0027]将第九行第一列的子区域的下半部分、第十三列的子区域的下半部分的子区域空置，将第九行的第二列至第三列和第十一列至第十二列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第九行的第四列至第五列和第九列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将第九行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
[0028]将第十行第一列的子区域和第十行第十三列的子区域空置，将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个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第十行的第五列至第六列和第八列至第九列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；将第十行的第七列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率分别馈入4路整流电路；
[0029]将第十一行第一列至第二列的子区域和第十一行第十二列至第十三列的子区域空置，将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个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电路；将第十一行的第六列至第八列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，将这4个微带接收天线单元分成两组，每组微带接收天线单元接收到的功率合成后分别馈入I路整流电路；
[0030]将第十二行第一列至第三列的子区域和第十二行第十一列至第十三列的子区域空置，将第十二行的第四列至第十列的每个子区域放置4个微带接收天线单元，这4个微带接收天线单元接收的功率合成后馈入I路整流电