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基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn).pdf

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基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn).pdf

<p>第 34卷 &nbsp; 第 16期 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;V ol.34 &nbsp;N o.16 214 &nbsp; &nbsp;2018年 &nbsp; &nbsp;8月 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;Aug. 2018 &nbsp; &nbsp; &nbsp;基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)王立舒,劉 &nbsp;雷,王錦鋒,文競(jìng)晨,喬帥翔,王書(shū)宇 &nbsp;(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院,哈爾濱 150030) 摘 &nbsp;要:為解決日光溫室內(nèi)部傳感器驅(qū)動(dòng)電路的供電受有線(xiàn)供電制約的問(wèn)題,使傳感器安裝及其供電設(shè)計(jì)模 塊化、簡(jiǎn)單化,該文運(yùn)用無(wú)線(xiàn)輸電及微波傳輸技術(shù),將磁控管 CK-620A 產(chǎn)生的微波作為溫室內(nèi)傳感器驅(qū)動(dòng)電 路的供電電源。以所搭建的光伏微波無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ),探究從發(fā)射端到接收端的傳輸過(guò)程中,植被 散射、空間電磁波環(huán)境對(duì)傳輸效率的影響。以冬季哈爾濱市 12 月份一天內(nèi)不同距離、不同時(shí)間段下以黃瓜為 主的日光溫室為試驗(yàn)對(duì)象,測(cè)試并分析了其對(duì)光伏微波無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)接收功率的影響。探究了提高日光 溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)傳輸效率的方法,提出了低功率損耗的微波發(fā)射源設(shè)計(jì)方案,給出了理論電路圖。試驗(yàn)結(jié) 果表明,當(dāng)發(fā)射功率 500 W 時(shí),系統(tǒng)能夠?qū)?8 m范圍內(nèi)的傳感器設(shè)備進(jìn)行有效供電。但距離場(chǎng)源較近的位置, 易受散射的影響。采用 6×7 結(jié)構(gòu)的微帶天線(xiàn),最大輻射方向的增益與采用矩形喇叭天線(xiàn)的方式相比提高了 0.28 dB,即天線(xiàn)的定向性要好一些,在 08 m內(nèi)接收功率平均可提高 1.58 W。 &nbsp;關(guān)鍵詞:溫室;微波;試驗(yàn);無(wú)線(xiàn)輸電;散射;微帶天線(xiàn) &nbsp;doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028 &nbsp;中圖分類(lèi)號(hào):TN015 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 文章編號(hào):1002-6819(2018)-16-0214-11 &nbsp;王立舒,劉 &nbsp;雷,王錦鋒,文競(jìng)晨,喬帥翔,王書(shū)宇. 基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2018,34(16):214224. &nbsp; &nbsp;doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028 &nbsp; &nbsp;http:/www.tcsae.org &nbsp;Wang Lishu, Liu Lei, Wang Jinfeng, Wen Jingchen, Qiao Shuaixiang, Wang Shuyu. Design and test of wireless power &nbsp;transmission system in solar greenhouse based on microwave transmission technologyJ. Transactions of the Chinese Society of &nbsp;Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 214224. (in Chinese with English abstract) &nbsp; &nbsp;doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028 &nbsp; &nbsp;http:/www.tcsae.org 0 &nbsp;引 &nbsp;言自從 70 年代中國(guó)出現(xiàn)日光溫室以來(lái),人們就沒(méi)有停 止過(guò)研究的步伐。其中溫室的環(huán)境因素及溫室的設(shè)計(jì)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(dòng)等環(huán)境因素的分析及電氣設(shè)備的設(shè)計(jì) 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(xiàn)供電束縛,降低了其安裝的 靈活性。無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)與日光溫室的結(jié)合能夠解決上述 問(wèn)題。與此同時(shí)帶來(lái)的新問(wèn)題便是傳輸效率的問(wèn)題 5 。針 對(duì)此問(wèn)題,在國(guó)內(nèi)最近的學(xué)術(shù)研究中,無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)的 研究取得了不少成果。在小功率微波無(wú)線(xiàn)裝置研究領(lǐng)域, 李曉寧等進(jìn)行了 1 W 微波無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計(jì) 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(duì)小功率無(wú)線(xiàn)輸電試驗(yàn)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(xiàn)的前提下,距 離 10 cm的位置所測(cè)得的最大電壓為 0.325 V。理論設(shè)計(jì) 上, 研究人員設(shè)計(jì)了基于變次級(jí)補(bǔ)償參數(shù)的感應(yīng)式無(wú)線(xiàn) 充電系統(tǒng) 8 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池恒流恒壓切換充電。并在此基收稿日期:2018-04-09 &nbsp; &nbsp;修訂日期:2018-07-13 &nbsp;基金項(xiàng)目:黑龍江省教育廳科技課題(12521038) ;教育部春暉計(jì)劃 (Z2012074) &nbsp;作者簡(jiǎn)介:王立舒,教授,博士,博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自 動(dòng)化;電力新能源開(kāi)發(fā)與利用。Email:wanglishuneau.edu.cn &nbsp; 礎(chǔ)上對(duì)無(wú)線(xiàn)充電在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用上充電負(fù)荷進(jìn)行了評(píng)估 9 。 在充電功率方面,提出了雙初級(jí)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)輸電控制策略 12 。在諧振頻 率 85 kHz 的條件下,推導(dǎo)了無(wú)線(xiàn)輸電中的有功無(wú)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(wèn)題。這也是無(wú)線(xiàn)輸電 技術(shù)與日光溫室結(jié)合的過(guò)程中要研究的問(wèn)題。特別是溫 室內(nèi)部植被的散射及環(huán)境電磁波對(duì)傳輸效率都有一定的 影響。本文通過(guò)所搭建的基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室 無(wú)線(xiàn)輸電試驗(yàn)平臺(tái),在試驗(yàn)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(yàn)對(duì)象,通過(guò)理論及試驗(yàn)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(duì)傳輸效率 的影響。并提出運(yùn)用微帶天線(xiàn)陣提高傳輸效率。 &nbsp;1 &nbsp;光伏發(fā)電微波無(wú)線(xiàn)電力傳輸試驗(yàn)系統(tǒng) &nbsp;1.1 &nbsp;系統(tǒng)組成及工作原理 &nbsp;本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)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(yáng) 極最大工作電流 13 A,選擇合適的發(fā)射電流大小有利于 第 16期 王立舒等:基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 215 &nbsp;磁控管頻譜噪聲抑制 17 ,試驗(yàn)中選取陽(yáng)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(yàn)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(duì)試驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并且將最終采集的數(shù)據(jù)傳至上位 機(jī)。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)選取 3030 鋁型材搭建。系統(tǒng)組成如 圖 1 所示。 1. 拋物面天線(xiàn) 2. 光伏板 3. 光伏控制器 4 (8,9) . 矩形喇叭天線(xiàn) (CK-620A 磁控管, YMD-852T高壓變壓器) 5. 200 A.h 蓄電池 6. 1 000 W逆變器 7. 數(shù) 據(jù)采集電路 &nbsp; 1.Parabolic antenna 2.Photovoltaic panel 3. Photovoltaic controller 4(8,9). &nbsp;Rectangular horn antenna (Magnetron CK-620A, YMD-852T high voltage &nbsp;transformer) 5. 200 A.h battery 6. 1 000 W inverter 7. Receiver and data &nbsp;acquisition circuit &nbsp; 圖1 &nbsp;系統(tǒng)組成 &nbsp;Fig.1 &nbsp;System composition 具體器件參數(shù)如表 1、表 2 所示。 表1 &nbsp;磁控管 CK-620A參數(shù) &nbsp;Table 1 &nbsp;Parameters of magnetron CK-620A &nbsp;參數(shù) Parameters 值 Va l u e &nbsp;發(fā)射頻率 Transmitting frequency/MHz 2 450 &nbsp;微波最大輸出功率 Microwave maximum output power/kW 5 &nbsp;陽(yáng)極直流電壓 Anode DC voltage/V 650 &nbsp;預(yù)熱時(shí)間 Preheat time/min &gt;3 &nbsp;負(fù)載電壓駐波比 Load voltage standing wave ratio 4 &nbsp;陽(yáng)極最大工作電流 Anode maximum operating current/A 13 表2 &nbsp;YMD-852T高壓變壓器參數(shù) &nbsp;Table 2 &nbsp;Parameters of YMD-852T high voltage transformer &nbsp; 參數(shù) parameters 值 Va l u e &nbsp;初級(jí)繞組 Primary winding/ 1.45 &nbsp;次級(jí)繞組 Secondary winding/ 85112 &nbsp;燈絲繞組 Filament winding/ 700 &nbsp;輸入電壓 Input voltage/V 220 &nbsp;輸出電壓 Output voltage/V 1 000 系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電力傳輸過(guò)程主要是光伏板通過(guò)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(chǎng)的作用下獲得動(dòng)能。一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為震蕩體系 的交變電場(chǎng),頻率為 2 450 MHz。最后通過(guò)天線(xiàn)耦合輸出 至矩形喇叭天線(xiàn)。接收端天線(xiàn)選取拋物面天線(xiàn),接收到的 信號(hào)經(jīng)過(guò)選頻電路后, 通過(guò) 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(jī)。 &nbsp;1.2 &nbsp;微波無(wú)線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)的尺寸確定 &nbsp;矩形喇叭天線(xiàn)的口徑尺寸會(huì)影響天線(xiàn)輻射場(chǎng)方向 性 18 。天線(xiàn)尺寸決定了發(fā)射天線(xiàn)的性能。試驗(yàn)設(shè)計(jì)所選 用的矩形喇叭天線(xiàn)是最簡(jiǎn)單的面天線(xiàn)。初始場(chǎng)取決于波 導(dǎo)中所傳輸?shù)碾姶挪P?19 。天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)輸電試驗(yàn)系 統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán),需要確定其尺寸。天線(xiàn)的尺寸結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 注: a,b,a 1 ,b 1 分別為矩形喇叭天線(xiàn)的內(nèi)外口徑長(zhǎng)度、寬度,cm;R e 、 R h 為矩形喇叭天線(xiàn)長(zhǎng)度,且 R e =R h ,cm。 &nbsp;Note: a, b, a 1 , b 1are the inner and outside diameter length and width of the &nbsp;rectangular horn antenna respectively, cm; R eand R hare the antenna lengths, &nbsp; and R e =R h , cm. &nbsp;圖2 &nbsp;矩形喇叭天線(xiàn)尺寸與結(jié)構(gòu)圖 &nbsp;Fig.2 &nbsp;Size and structure diagram of rectangular horn antenna 對(duì)于矩形喇叭天線(xiàn),其口徑場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)可以表示為 20 。 22 e ys 0 1 cos e h x y j x RR x EE a -+ = (1) &nbsp;式中 E ys 為矩形喇叭天線(xiàn)口徑場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng),W/m 2 ; 01 2 e EA kR = ,為矩形喇叭天線(xiàn)口徑中心的場(chǎng)輻射, W/m 2 ;A 1 是取決于激勵(lì)長(zhǎng)度的常數(shù);k 為自由空間的電 磁波波數(shù), 00 2 k = 。在最佳增益設(shè)計(jì)時(shí),矩形 喇叭天線(xiàn)的增益 1911 2 4 0.5 Ga b , 1 3 e aR , 1 2 h bR (2) &nbsp;矩形喇叭天線(xiàn)的尺寸關(guān)系為 1921 1 h a Raa = -(3) &nbsp;由式(2) 、 (3)可以得出 1 1 3 eh aa RR a - = (4) 2 1 1 () 2 e b= b+b+8 l R (5) &nbsp;根據(jù)式(2) 、 (3) 、 (5)可以得出矩形喇叭天線(xiàn)的尺 寸,由于矩形喇叭天線(xiàn)饋電點(diǎn)與短路板之間的距離為 1 4 , 所以波導(dǎo)的長(zhǎng)度選取時(shí)要大于矩形喇叭天線(xiàn)饋電點(diǎn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)(http:/www.tcsae.org) &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;2018年 &nbsp; 216 與短路板之間的距離,這里選取波導(dǎo)的長(zhǎng)度 5 4 r = 。具 體參數(shù)如表 3 所示。 &nbsp;表3 &nbsp;矩形喇叭天線(xiàn)尺寸參數(shù) &nbsp;Table 3 &nbsp;Size parameters of rectangular horn antenna &nbsp;cm &nbsp;參數(shù) Parameters 值 Va l u e &nbsp;波導(dǎo)長(zhǎng)度 Waveguide length r 6.25 &nbsp;波導(dǎo)寬度 Waveguide width a 5 &nbsp;波導(dǎo)高度 Waveguide height b 2.8 &nbsp;外口徑長(zhǎng)度 Length of outside diameter a 120.1 &nbsp;外口徑高度 Width of outside diameter b 115.7 &nbsp;喇叭口長(zhǎng)度 Length of horn R h20.23 2 &nbsp;傳輸系統(tǒng)接收功率的影響因素分析 &nbsp;2.1 &nbsp;試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái) &nbsp;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(yàn)對(duì)象,研究?jī)?nèi)部植被的散射及環(huán)境電磁波對(duì)無(wú)線(xiàn)傳 輸系統(tǒng)接收功率 P out 的影響。 &nbsp;測(cè)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(shí)間間隔。如圖 3 為測(cè)試系 統(tǒng)裝置組成圖。 圖3 &nbsp;測(cè)試系統(tǒng)組成圖 &nbsp;Fig.3 &nbsp;Test system composition diagram 試驗(yàn)選用采集單元為 NRF24L01+PA+LNA 的無(wú)線(xiàn)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(cè)量電路、NRF24L01+PA+LNA 無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K、陀螺 儀、外部 5 V 供電電源電路、STM32 主控電路構(gòu)成。整 個(gè)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(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K完成。 終端無(wú)線(xiàn)透?jìng)?模塊將采集端無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K發(fā)送的數(shù)據(jù)由串口傳至上位 機(jī)。通信方式為 I 2 C,頻率為 115 200 MHz。為了便于觀 察及安全起見(jiàn),試驗(yàn)全程由 ZC301 攝像頭實(shí)時(shí)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。 &nbsp;由于研究的是水平向前的無(wú)線(xiàn)電力傳輸過(guò)程,所以 試驗(yàn)時(shí),通過(guò)陀螺儀進(jìn)行水平矯正來(lái)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(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集端如圖 4 所示。 &nbsp;表4 &nbsp;CS5460電壓電流檢測(cè)傳感器參數(shù) &nbsp;Table 4 &nbsp;Parameters of CS5460 voltage and &nbsp; current detection sensor &nbsp;參數(shù) Parameters 值 Va l u e &nbsp;動(dòng)態(tài)線(xiàn)性度 Dynamic linearity/% 0.1 &nbsp;功耗 Power consumption/mW &lt;12 &nbsp;最大溫漂 Maximum temperature drift/(ppm. -1 ) 60 &nbsp;片內(nèi)參考電壓 On-chip reference voltage/V 2.5 &nbsp;電流測(cè)量精度 Current measurement accuracy ±0.001 &nbsp;電壓測(cè)量精度 V oltage measurement accuracy ±0.001 表5 &nbsp;ADIS16365陀螺儀參數(shù) &nbsp;Table 5 &nbsp;Parameters of ADIS16365 gyroscope &nbsp;參數(shù) parameters 值 Va l u e &nbsp;工作電壓 Operating voltage/V 4.755.25 &nbsp;功耗 Power consumption/mW &lt;0.1 &nbsp;耐溫范圍 Temperature range/ -4085 &nbsp;測(cè)量范圍 Measuring range/s ±300 &nbsp;LSB靈敏度 LSB sensitivity/s 0.05 a. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) &nbsp;a. Test site b. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集端 &nbsp;b. Test data acquisition terminal 圖4 &nbsp;試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及數(shù)據(jù)采集端 &nbsp;Fig.4 &nbsp;Test site and data acquisition terminal &nbsp;2.2 &nbsp;接收距離對(duì)系統(tǒng)接收功率的影響 &nbsp;為了探究影響光伏發(fā)電微波無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)接收 功率的因素。根據(jù)所設(shè)計(jì)發(fā)射天線(xiàn)的尺寸參數(shù),運(yùn)用 Ansoft HFSS軟件對(duì)天線(xiàn)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 1.72.8 GHz,掃描類(lèi)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(dòng)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 。矩形喇叭天線(xiàn)增益仿真結(jié)果如 第 16期 王立舒等:基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 217 &nbsp;圖 5 所示。 注:周向刻度代表天線(xiàn)的水平輻射角度, (°) ;等高線(xiàn)刻度代表增益值,dB; 內(nèi)側(cè)曲線(xiàn)代表天線(xiàn)在對(duì)應(yīng)方向上的增益,dB。 &nbsp;Note: Circumferential scale represents the horizontal radiation angle of antenna, &nbsp;(°); The contour scale represents the gain value, dB; The inner curve represents the &nbsp;antenna gain in corresponding direction, dB. 圖5 &nbsp;矩形喇叭天線(xiàn)在發(fā)射頻率 2 450 MHz 下的 &nbsp;電磁波水平面輻射增益圖 &nbsp;Fig.5 &nbsp;Electromagnetic wave horizontal radiation gain diagram of &nbsp;rectangular horn antenna at transmitting frequency of 2 450 MHz 從仿真結(jié)果可以看出,本試驗(yàn)所用到的矩形喇叭天 線(xiàn)的輻射主要集中在-60°60°范圍內(nèi),天線(xiàn)的最大增益 出現(xiàn)在水平方向,即輻射角位 0°,所對(duì)應(yīng)的輻射增益 G=19 dB。 因?yàn)檠芯繉?duì)象為水平方向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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 22 max 0 | EG E = 14 ,其中 E max 為最大 方向上的輻射電場(chǎng),W/m 2 。E 0 為理想無(wú)方向性的天線(xiàn)處 于同一位置的輻射電場(chǎng),W/m 2 。假定理想矩形喇叭天線(xiàn) 的輸入功率 P in 與輻射功率 P r 相等。 在水平方向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dòng) 0.5°內(nèi)的輻射能量作為研究, 則 in in 0 2 2 60 = 0.5 4 360 PP E L L (6) &nbsp;式中 L 為接收距離,m;P in 為矩形喇叭天線(xiàn)的輸入功率, W。 &nbsp;由此可以得出 in max 60 | GP E r = &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;代入式(1)得 22 22 ys max 1 in 1 | c o se 60 cos e eh eh xy j xRR xy j xRR x EE a GP x ra -+ -+ = (7)矩形喇叭天線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)振幅的歸一化方向性函數(shù)的直角 坐標(biāo)形式為 22max () () Ex ,y Fx ,y E = (8) &nbsp;式中 E(x,y)為矩形喇叭天線(xiàn)在任意方向上的場(chǎng)強(qiáng), W/m 2 &nbsp;。 &nbsp;將式(7)代入式(8)可以得出 22 1 ()c o s e eh x y j x RR x Fx ,y a -+ = (9) &nbsp;矩形喇叭天線(xiàn)的功率密度(W/m 2 ) 23-2422 max | | () | () 240 EF x , y px ,y= (10) &nbsp;由式(10)可以得出天線(xiàn)矩形口徑面輻射功率 11 11 11 22 11 11 22 /2 /2 max /2 /2 22 max /2 /2 1 /2 /2 () d d | | () | dd 240 | | c o se | dd 240 ab eh r S ab ab xy j xRR ab ab Pp x , y x y EF x , y yx x E a yx - -+ - = = = (11)假設(shè)口徑場(chǎng)作為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)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(guò)程中總電場(chǎng)功率輻射 P r 不變,因此可以得出距離為 L 處的電場(chǎng)輻射密度 on 2 = 12 r P P L ,W/m 2 。接收端天線(xiàn)采用拋物面天線(xiàn),為了 得到接收端最終的接收功率,需要考慮拋物面天線(xiàn)所接 收電磁波的有效面積。 其有效面積 S AB 大小為拋物面外口 徑 R 1 所對(duì)應(yīng)的面積 S A 去除內(nèi)口徑 R 2 所對(duì)應(yīng)圓形面積 2 2 4 B SR = 后的區(qū)域,即 S AB =S A -S B 。則距離 L 處的接收 端天線(xiàn)所接收到的功率 P out =P on S AB 。 建立直角坐標(biāo)系可以 得出天線(xiàn)拋物面面積 S A為 2 11 1 22 00 sin 2 2 00 3 1 4d d 4 dd 6 RRx A R xy Sx y f fp R - + =× =× = (12) &nbsp;式中 R 1 為拋物面外口徑,m; f 為天線(xiàn)拋物面焦距,m。 x,y 為拋物面上任一點(diǎn)。 &nbsp;由 AB A B SSS = - 可以推出 32 AB 1 2 4 6 Sf RR = - (13) &nbsp;式中 R 2 為拋物面天線(xiàn)內(nèi)口徑,m &nbsp;距離 L 處的接收端天線(xiàn)所接收到的功率 &nbsp;11 11 32 out 1 1 2 2 2 22 2 max 32 1 12 22 2 22 () 4 6 12 | c o s 4 6 dd 240 12 eh r r xy j xR R ab ab P PPL R f R R L x Ee a fR R yx L -+ - =- = - , &nbsp;(14)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)(http:/www.tcsae.org) &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;2018年 &nbsp; 218 由式(14)可知,接收端天線(xiàn)所接收到的功率大小 與發(fā)射端的輻射效率 r P ,發(fā)射端與接收端的距離 L 以及 天線(xiàn)的尺寸有著直接的關(guān)系。在保證光照強(qiáng)度一定,外 部環(huán)境理想化的前提下,選取接收天線(xiàn)外口徑 R 1 =0.5 m, 內(nèi)徑 R 2 =0.04 m。針對(duì)日光溫室的占地尺寸,在距離 L上 選取的距離范圍在 020 m 之間,在發(fā)射功率 500 W 的 前提下,運(yùn)用 MATLAB繪制出接收功率 out P 與 L 的關(guān)系 曲線(xiàn)如圖 6 所示。 圖6 &nbsp;接收功率與接收距離的關(guān)系 &nbsp;Fig.6 &nbsp;Relationship between received power and distance 從圖 6 可以看出,在接收天線(xiàn)尺寸選定的情況下, 接收功率最大可以超過(guò) 130 W;在 07 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 1220 m的研究范圍內(nèi)趨于一個(gè)固定值。 &nbsp;在 R 2 不變的前提下,距離 L的取值范圍不變,R 1 的 取值在 0.31.5 m之間,所得出的接收功率 out P 與 L、R 1 的關(guān)系函數(shù)圖像如圖 7 所示。 圖7 &nbsp;接收功率與接收距離、拋物面天線(xiàn)外口徑的關(guān)系 &nbsp;Fig.7 &nbsp;Relationship between received power, receiving distance, &nbsp;and outside diameter of parabolic antenna 當(dāng)距離在 05 m之間時(shí),隨著天線(xiàn)口徑的增加,接 收功率明顯增加。當(dāng)距離超過(guò) 8 m 時(shí),隨著天線(xiàn)尺寸的 增加,接收功率增速較慢。 &nbsp;2.3 &nbsp;溫室內(nèi)植被散射作用對(duì)接收功率的影響 &nbsp;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(guò)程中不考慮功率的損耗,不考慮 天線(xiàn)饋線(xiàn)的內(nèi)阻。然而,實(shí)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^(guò)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 。 &nbsp;試驗(yàn)前,需要明確日光溫室的粗糙面(如植被)對(duì) 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 &nbsp;1 1 ( ) exp( )d 4c o s L xz L i abixix L - =+ (15 ) &nbsp;其中 &nbsp;( 1 )sin ( 1 )sin is aR R =-+ +; &nbsp;(1 )cos (1 )cos is bR R =+- -; &nbsp;(sin sin ) x is vk = - ; &nbsp;(cos cos ) zis vk =-+; &nbsp;s 為散射角, (°) ; 30 L = 為粗糙面長(zhǎng)度,m; 為粗 糙面高度,m; i 為入射角, (°) ;k取 1 27 ;R 為菲涅耳 反射系數(shù)。 &nbsp;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(yàn)對(duì)象,其內(nèi)部環(huán)境如圖 8 所示。 圖8 &nbsp;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(chǎng)景 &nbsp;Fig.8 &nbsp;Interior scene of a greenhouse in Northeast &nbsp; Agricultural University of Harbin in winter 由前面 Ansoft HFSS分析, 所設(shè)計(jì)天線(xiàn)的入射角范圍 在-60°60°, 因此選取 =60 i °, 散射角 s 的范圍 0°90°, 從式(15)可以看出,由于入射角 i 、L是定值。所以散 射系數(shù)是一個(gè)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(duì)于黃瓜等有一定高度的植被對(duì)電磁波散射在各個(gè)散 射方向上的散射程度即散射系數(shù)。如圖 9 所示。 圖9 &nbsp;黃瓜等植被的散射在不同散射角度下所對(duì)應(yīng)的散射系數(shù) &nbsp;Fig.9 &nbsp;Scattering coefficient of scattering of vegetation such as &nbsp;cucumber at different scattering angles &nbsp;第 16期 王立舒等:基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 219 &nbsp;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(duì)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(duì)接收功率影響,建立植被對(duì)電磁波散 射的幾何模型,如圖 10 所示。接收點(diǎn)的電磁波除了來(lái)自 于場(chǎng)源 A 點(diǎn)的水平直射,還有一部分來(lái)自于植被的散射 而產(chǎn)生的功率 P s 。B、C點(diǎn)總接收功率 P o = P out +P s 。 注: A為發(fā)射場(chǎng)源,B、C、N為接收點(diǎn)。M為散射點(diǎn),OM與 AN垂直。G、 F為散射面的 2 個(gè)端點(diǎn)。 &nbsp;Note: A is the source of transmitting field. B, C and N are receiving points. M &nbsp; is the scattering point. OM is perpendicular to AN. G, F are 2 endpoints of &nbsp;scattering surface. 圖10 &nbsp;黃瓜等一定高度植被對(duì)電磁波散射的幾何模型 &nbsp;Fig.10 &nbsp;Mathematical model of electromagnetic wave scattering &nbsp;from vegetation at a certain height such as cucumber 為了求得 P s ,在散射面上任取一點(diǎn) M,連接 AM,連 線(xiàn)與散射面的夾角,即入射角設(shè)為 Q,散射角為 Q 1 。則 有 Q 1 =2Q,反射波與水平直射波的焦點(diǎn)為 N。從圖 9 中 可知,接收點(diǎn) N接收到的散射功率為 P MN 的水平分量,假 設(shè)電磁波在反射的過(guò)程中沒(méi)有波損耗的前提下,即 P AM =P MN 。則可將散射過(guò)程分為 AM 的直射段與 MN 的直 射段。在研究過(guò)程中,場(chǎng)源 A 與待測(cè)點(diǎn) N 之間的距離, 即直射距離 L 為已知。 &nbsp;通過(guò)圖 10 所示的幾何關(guān)系得 2cos AM MN L LL Q = (16)由公式(16)可以得出點(diǎn) N處的輻射功率32 r 1A B 2 2 32 r 12 2 =4 6 12 ( ) 4 6 12 cos NA B AM MN P Pf R S S S R LL P fR R L Q =- + =- (17) &nbsp;令 32 12 4 6 fRRk - = ,則 2 1 48 cos r N Pk P L Q = (18)其中散射角 Q 1 的范圍為09 0 Q ° °,k 為常數(shù)。 &nbsp;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(guò)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 P N 考慮在內(nèi)。 &nbsp;2.4 &nbsp;試驗(yàn)結(jié)果與分析 &nbsp;選取試驗(yàn)記錄時(shí)間為 2017年 12月 15日 13時(shí) 27分。 試驗(yàn)前,通過(guò)陀螺儀進(jìn)行裝置水平角度的校驗(yàn),使發(fā)射 端與接收端保持水平一致,手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射端與接收端之 間的距離,采用上位機(jī)軟件采集不同接收距離所接收到 的電壓、電流的數(shù)值。測(cè)量數(shù)據(jù)如表 6 所示。 表6 &nbsp;日光溫室內(nèi)不同接收距離下的接收端采集數(shù)據(jù) &nbsp;Table 6 &nbsp;Datas collected by receivers at different &nbsp; received distances in solar greenhouse &nbsp;接收距離 Receiving &nbsp;distance /cm &nbsp;電壓 V oltage/V 電流 Electric current/A 200 7.146 4.764 &nbsp;300 7.940 6.352 &nbsp;400 6.292 5.588 &nbsp;500 9.528 4.764 &nbsp;600 7.146 3.176 &nbsp;700 5.558 1.588 &nbsp;800 3.176 0.794 &nbsp;900 2.382 0.382 &nbsp;1 000 1.588 0.079 4 &nbsp;1 100 0.794 0 將圖 6 的理論功率值與表 6 中電壓、電流計(jì)算出的 實(shí)際功率值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖 11 所示。 圖11 &nbsp;接收功率理論值與實(shí)測(cè)值 &nbsp;Fig. 11 &nbsp;Theoretical and measured value of received power 由圖 11 可知,當(dāng)接收距離在 36 m 之間時(shí),由于 電磁波散射的影響,實(shí)際功率與理論接收功率相比較有 明顯的波動(dòng)。由前文對(duì)散射的分析及式(20)可知,近 地監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接收功率除了直射部分,還有來(lái)自于散射產(chǎn) 生的輻射功率 P N 的水平分量的作用, 實(shí)測(cè)功率在 23 m、 45 m范圍內(nèi)波動(dòng)較大。接收距離為 3 m處的理論接收 功率約為 25 W,而實(shí)際功率約為 37 W。存在大約 12 W 的波動(dòng)。接收距離 4 m 處的實(shí)測(cè)功率波動(dòng)有所下降。這 符合前文所得出的散射作用對(duì)接收功率的影響規(guī)律。但 是 45 m范圍內(nèi)實(shí)測(cè)功率的波動(dòng)存在明顯上升。所以, 實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,除了散射,也要考慮周?chē)姶挪▽?duì)接 收功率的影響。由于環(huán)境電磁波是隨時(shí)間變化的。因此 引入時(shí)間變量,分析不同時(shí)間下的接收功率變化。維持 發(fā)射及接收端天線(xiàn)的位置高度不變。 設(shè)置上位機(jī)采集數(shù) 據(jù)時(shí),每一個(gè)時(shí)間段里采集 10次,采集間隔為 6 min。 選取其平均值作為該時(shí)間段的最終值,結(jié)果如表 78 所示。 &nbsp;從表 78 中可以看出,同一接收距離、不同時(shí)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(dòng)。 7:0017:00 內(nèi)各接收距離所接收到的電壓、電流的數(shù)值 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)(http:/www.tcsae.org) &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;2018年 &nbsp; 220 整體呈逐漸下降的趨勢(shì),即接收功率逐漸降低;通過(guò)對(duì) 同一接收距離、不同時(shí)間段下所采集的電壓與電流的數(shù) 值與其平均值對(duì)比,可以看出不同接收距離所接收到的 實(shí)際功率在 3 m處的波動(dòng)較大,最大波動(dòng)為 17 W。接收 距離在 48 m 時(shí),波動(dòng)趨于穩(wěn)定。所以,針對(duì)所研究的 日光溫室,最佳的接收區(qū)域在 38 m之間。 表7 &nbsp;一天內(nèi)不同時(shí)刻、不同接收距離的電壓測(cè)試結(jié)果 &nbsp;Table 7 &nbsp;Voltage test results at different times and different receiving distances in one day &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; V &nbsp;時(shí)間 &nbsp;Time &nbsp;3 m &nbsp;處接收電壓 &nbsp;Receiving &nbsp;voltage at 3 m &nbsp;4 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 4 m &nbsp;5 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 5 m &nbsp;6 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 6 m 7 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 7 m 8 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 8 m 9 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 9 m &nbsp;10 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 10 m 11 m &nbsp;處接收電壓 Receiving &nbsp;voltage at 11 m 7:008:00 5.31 5.63 5.14 4.12 3.76 2.14 0 0 0 &nbsp;9:0010:00 5.70 5.19 4.25 3.94 3.2 2.71 0 0 0 &nbsp;11:0012:00 5.49 9.22 4.17 3.57 3.18 2.25 0 0 0 &nbsp;14:0015:00 6.12 4.18 4.42 3.80 3.47 2.47 0 0 0 &nbsp;15:0016:00 5.75 4.67 3.95 3.92 3.05 1.93 0 0 0 &nbsp;16:0017:00</p>

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