第 34卷   第 16期                        農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào)                              V ol.34  N o.16 214    2018年    8月          Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering          Aug. 2018      基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)王立舒，劉  雷，王錦鋒，文競(jìng)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） 摘  要：為解決日光溫室內(nèi)部傳感器驅(qū)動(dòng)電路的供電受有線供電制約的問題，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)用無線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線電力傳輸系統(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)光伏微波無線電力傳輸系統(tǒng)接收功率的影響。探究了提高日光 溫室無線輸電系統(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 67 結(jié)構(gòu)的微帶天線，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，即天線的定向性要好一些，在 08 m內(nèi)接收功率平均可提高 1.58 W。  關(guān)鍵詞：溫室；微波；試驗(yàn)；無線輸電；散射；微帶天線  doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028  中圖分類號(hào)：TN015           文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A           文章編號(hào)：1002-6819(2018)-16-0214-11  王立舒，劉  雷，王錦鋒，文競(jìng)晨，喬帥翔，王書宇. 基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(16)：214224.    doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028    http:/www.tcsae.org  Wang Lishu, Liu Lei, Wang Jinfeng, Wen Jingchen, Qiao Shuaixiang, Wang Shuyu. Design and test of wireless power  transmission system in solar greenhouse based on microwave transmission technologyJ. Transactions of the Chinese Society of  Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 214224. (in Chinese with English abstract)    doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028    http:/www.tcsae.org 0  引  言自從 70 年代中國(guó)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(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(shí)帶來的新問題便是傳輸效率的問題 5 。針 對(duì)此問題，在國(guó)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(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)小功率無線輸電試驗(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)式無線 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    修訂日期：2018-07-13  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）  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；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishuneau.edu.cn   礎(chǔ)上對(duì)無線充電在電動(dòng)汽車應(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(duì)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(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)用微帶天線陣提高傳輸效率。  1  光伏發(fā)電微波無線電力傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)  1.1  系統(tǒng)組成及工作原理  本文設(shè)計(jì)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 第 16期 王立舒等：基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 215  磁控管頻譜噪聲抑制 17 ，試驗(yàn)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(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 2. 光伏板 3. 光伏控制器 4 （8,9） . 矩形喇叭天線 （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   1.Parabolic antenna 2.Photovoltaic panel 3. Photovoltaic controller 4(8,9).  Rectangular horn antenna (Magnetron CK-620A, YMD-852T high voltage  transformer) 5. 200 A.h battery 6. 1 000 W inverter 7. Receiver and data  acquisition circuit   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  參數(shù) Parameters 值 Va l u e  發(fā)射頻率 Transmitting frequency/MHz 2 450  微波最大輸出功率 Microwave maximum output power/kW 5  陽極直流電壓 Anode DC voltage/V 650  預(yù)熱時(shí)間 Preheat time/min >3  負(fù)載電壓駐波比 Load voltage standing wave ratio 4  陽極最大工作電流 Anode maximum operating current/A 13 表2  YMD-852T高壓變壓器參數(shù)  Table 2  Parameters of YMD-852T high voltage transformer   參數(shù) parameters 值 Va l u e  初級(jí)繞組 Primary winding/ 1.45  次級(jí)繞組 Secondary winding/ 85112  燈絲繞組 Filament winding/ 700  輸入電壓 Input voltage/V 220  輸出電壓 Output voltage/V 1 000 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(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(hào)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(jī)。  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(huì)影響天線輻射場(chǎng)方向 性 18 。天線尺寸決定了發(fā)射天線的性能。試驗(yàn)設(shè)計(jì)所選 用的矩形喇叭天線是最簡(jiǎn)單的面天線。初始場(chǎng)取決于波 導(dǎo)中所傳輸?shù)碾姶挪Ｐ?19 。天線作為無線輸電試驗(yàn)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。 注： a，b，a 1 ，b 1 分別為矩形喇叭天線的內(nèi)外口徑長(zhǎng)度、寬度，cm；R e 、 R h 為矩形喇叭天線長(zhǎng)度，且 R e =R h ，cm。  Note: a, b, a 1 , b 1are the inner and outside diameter length and width of the  rectangular horn antenna respectively, cm; R eand R hare the antenna lengths,   and R e =R h , cm.  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(duì)于矩形喇叭天線，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）  式中 E ys 為矩形喇叭天線口徑場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)，W/m 2 ； 01 2 e EA kR = ，為矩形喇叭天線口徑中心的場(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 喇叭天線的增益 1911 2 4 0.5 Ga b ， 1 3 e aR ， 1 2 h bR （2）  矩形喇叭天線的尺寸關(guān)系為 1921 1 h a Raa = -（3）  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）  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(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饋電點(diǎn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org）                                2018年   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。  表3  矩形喇叭天線尺寸參數(shù)  Table 3  Size parameters of rectangular horn antenna  cm  參數(shù) Parameters 值 Va l u e  波導(dǎo)長(zhǎng)度 Waveguide length r 6.25  波導(dǎo)寬度 Waveguide width a 5  波導(dǎo)高度 Waveguide height b 2.8  外口徑長(zhǎng)度 Length of outside diameter a 120.1  外口徑高度 Width of outside diameter b 115.7  喇叭口長(zhǎng)度 Length of horn R h20.23 2  傳輸系統(tǒng)接收功率的影響因素分析  2.1  試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)  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)無線傳 輸系統(tǒng)接收功率 P out 的影響。  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  測(cè)試系統(tǒng)組成圖  Fig.3  Test system composition diagram 試驗(yàn)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(cè)量電路、NRF24L01+PA+LNA 無線透?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的無線透?jìng)髂K完成。 終端無線透?jìng)?模塊將采集端無線透?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，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。  由于研究的是水平向前的無線電力傳輸過程，所以 試驗(yàn)時(shí)，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(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集端如圖 4 所示。  表4  CS5460電壓電流檢測(cè)傳感器參數(shù)  Table 4  Parameters of CS5460 voltage and   current detection sensor  參數(shù) Parameters 值 Va l u e  動(dòng)態(tài)線性度 Dynamic linearity/% 0.1  功耗 Power consumption/mW <12  最大溫漂 Maximum temperature drift/(ppm. -1 ) 60  片內(nèi)參考電壓 On-chip reference voltage/V 2.5  電流測(cè)量精度 Current measurement accuracy 0.001  電壓測(cè)量精度 V oltage measurement accuracy 0.001 表5  ADIS16365陀螺儀參數(shù)  Table 5  Parameters of ADIS16365 gyroscope  參數(shù) parameters 值 Va l u e  工作電壓 Operating voltage/V 4.755.25  功耗 Power consumption/mW <0.1  耐溫范圍 Temperature range/ -4085  測(cè)量范圍 Measuring range/s 300  LSB靈敏度 LSB sensitivity/s 0.05 a. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)  a. Test site b. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集端  b. Test data acquisition terminal 圖4  試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及數(shù)據(jù)采集端  Fig.4  Test site and data acquisition terminal  2.2  接收距離對(duì)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(jì)發(fā)射天線的尺寸參數(shù)，運(yùn)用 Ansoft HFSS軟件對(duì)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 1.72.8 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(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)的日光溫室無線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 217  圖 5 所示。 注：周向刻度代表天線的水平輻射角度， （） ；等高線刻度代表增益值，dB； 內(nèi)側(cè)曲線代表天線在對(duì)應(yīng)方向上的增益，dB。  Note: Circumferential scale represents the horizontal radiation angle of antenna,  (); The contour scale represents the gain value, dB; The inner curve represents the  antenna gain in corresponding direction, dB. 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(yàn)所用到的矩形喇叭天 線的輻射主要集中在-6060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(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-0.250.25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 為理想無方向性的天線處 于同一位置的輻射電場(chǎng)，W/m 2 。假定理想矩形喇叭天線 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）  式中 L 為接收距離，m；P in 為矩形喇叭天線的輸入功率， W。  由此可以得出 in max 60 | GP E r =              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）  式中 E(x,y)為矩形喇叭天線在任意方向上的場(chǎng)強(qiáng)， W/m 2  。  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）  矩形喇叭天線的功率密度（W/m 2 ） 23-2422 max | | () | () 240 EF x , y px ,y= （10）  由式（10）可以得出天線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 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）  式中 R 1 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(diǎn)。  由 AB A B SSS = - 可以推出 32 AB 1 2 4 6 Sf RR = - （13）  式中 R 2 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  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 -+ - =- = - ,  （14）農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org）                                2018年   218 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 r P ，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(qiáng)度一定，外 部環(huán)境理想化的前提下，選取接收天線外口徑 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 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。  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  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 05 m之間時(shí)，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(shí)，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(duì)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(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^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(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  1 1 ( ) exp( )d 4c o s L xz L i abixix L - =+ （15 ）  其中  ( 1 )sin ( 1 )sin is aR R =-+ +；  (1 )cos (1 )cos is bR R =+- -；  (sin sin ) x is vk = - ；  (cos cos ) zis vk =-+；  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)。  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  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  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(jì)天線的入射角范圍 在-6060， 因此選取 =60 i ， 散射角 s 的范圍 090， 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  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)  Fig.9  Scattering coefficient of scattering of vegetation such as  cucumber at different scattering angles  第 16期 王立舒等：基于微波傳輸技術(shù)的日光溫室無線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 219  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)的電磁波除了來自 于場(chǎng)源 A 點(diǎn)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 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)。  Note: A is the source of transmitting field. B, C and N are receiving points. M   is the scattering point. OM is perpendicular to AN. G, F are 2 endpoints of  scattering surface. 圖10  黃瓜等一定高度植被對(duì)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 P s ，在散射面上任取一點(diǎn) 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 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)電磁波在反射的過程中沒有波損耗的前提下，即 P AM =P MN 。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(chǎng)源 A 與待測(cè)點(diǎn) 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 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）  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)。  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 P N 考慮在內(nèi)。  2.4  試驗(yàn)結(jié)果與分析  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  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  接收距離 Receiving  distance /cm  電壓 V oltage/V 電流 Electric current/A 200 7.146 4.764  300 7.940 6.352  400 6.292 5.588  500 9.528 4.764  600 7.146 3.176  700 5.558 1.588  800 3.176 0.794  900 2.382 0.382  1 000 1.588 0.079 4  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  接收功率理論值與實(shí)測(cè)值  Fig. 11  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)試過程中，除了散射，也要考慮周圍電磁波對(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。  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）                                2018年   220 整體呈逐漸下降的趨勢(shì)，即接收功率逐漸降低；通過對(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  一天內(nèi)不同時(shí)刻、不同接收距離的電壓測(cè)試結(jié)果  Table 7  Voltage test results at different times and different receiving distances in one day                   V  時(shí)間  Time  3 m  處接收電壓  Receiving  voltage at 3 m  4 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 4 m  5 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 5 m  6 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 6 m 7 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 7 m 8 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 8 m 9 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 9 m  10 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 10 m 11 m  處接收電壓 Receiving  voltage at 11 m 7:008:00 5.31 5.63 5.14 4.12 3.76 2.14 0 0 0  9:0010:00 5.70 5.19 4.25 3.94 3.2 2.71 0 0 0  11:0012:00 5.49 9.22 4.17 3.57 3.18 2.25 0 0 0  14:0015:00 6.12 4.18 4.42 3.80 3.47 2.47 0 0 0  15:0016:00 5.75 4.67 3.95 3.92 3.05 1.93 0 0 0  16:0017:00