РАЗДЕЛ 2
ПРИЕМНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КРУПНО-АПЕРТУРНЫХ РЕКТЕНН МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА.
МОДЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В данном разделе обоснована приближенная модель расчета ПВЭ ректенны, учитывающая влияние паразитных элементов корпуса диода Шоттки и сопротивления потерь. Выяснены предельные возможности ПВЭ микроволнового диапазона, выполненных с применением современных корпусных и бескорпусных диодов Шоттки, а также излучателей разнообразной конфигурации. На основе полученных данных разработаны рекомендации по выбору рациональной структуры ПВЭ миллиметрового диапазона волн, которая использовалась в дальнейших исследованиях крупноапертурных антенн-выпрямителей.
Результаты проведенных исследований опубликованы в работах [26-29]
2.1 Предельный КПД выпрямления современных диодов Шоттки
Ранее в работах [11, 19] модели расчета КПД выпрямления ректенн уже рассматривались. Однако они не пригодны для случая сантиметровых и миллиметровых волн, так как в этих диапазонах сильное влияние на параметры ректенн оказывают паразитные элементы диодов Шоттки. Учтем это влияние путем построения соответствующей математической модели.
Ректенны микроволнового диапазона представляют собой крупноапертурные периодические антенны с нелинейными элементами, что позволяет при их расчете применить приближение бесконечной решетки [118].
Эквивалентная схема одной ячейки Флоке ректенны на основе корпусного диода Шоттки показана на рис. 2.1 а. Здесь излучатель ячейки представлен в виде эквивалентной ЭДС холостого хода ехх, наведенной полем падающей волны в точке питания, и внутренним сопротивлением Za=Ra+Xa, равным входному сопротивлению излучателя. Другие элементы схемы обозначены так: R(u), C(u) - нелинейные сопротивление и емкость диода; Cк, Lк, RП - паразитные емкость, индуктивность и сопротивление потерь диода; Rн - сопротивление нагрузки. Эквивалентная схема одной ячейки Флоке ректенны на основе бескорпусного диода Шоттки показана на рис. 2.2 а. Здесь обозначения такие же, как и на рис. 2.1 а.
а б
Рис. 2.1. Эквивалентная схема ячейки Флоке ректенны с корпусным диодом
а б
Рис. 2.2. Эквивалентная схема ячейки Флоке ректенны с бескорпусным диодом
Нелинейные свойства диода в общем случае определяются параллельным соединением нелинейного сопротивления [119]
(2.1)
и нелинейной емкости , равной
(2.2)
Здесь ; ; - напряжение входного воздействия; - ток насыщения; - постоянный коэффициент; - параметр, выбираемый эмпирическим путем из условия улучшения сходимости итерационного процесса; - емкость диода при ; - емкость диода при ; - напряжение, определяемое из условия ; - контактная разность потенциалов; .
Процесс выпрямления - это процесс нелинейный. Поэтому трудно обосновать способ выбора оптимальной схемы ПВЭ ректенны для получения максимума КПД, используя строгие модели ячеек периодичности ректенны, показанных на рис. 2.1 а и на рис. 2.2 а. Нельзя применять и строгие методы расчета нелинейного режима, так как C(u) зависит от неизвестного уровня возбуждения, а неизвестное сопротивление Rн подключено к паразитной индуктивности. Модель для анализа КПД выпрямления приведенная в работах [94, 97] (см. рис. 1.7 б), четко не обоснована. Здесь излучающая структура настраивалась в резонанс совместно с паразитными реактивными элементами корпуса диода Шоттки. Данная модель неадекватна при анализе ПВЭ в составе КРС, облучаемых неравномерным АР, т.к. резонанс во входной цепи диода будет зависеть и от уровня возбуждения из-за наличия в модели нелинейной емкости C(u) диода.
В связи с этим предлагается проектирование ректенн на первоначальном этапе проводить с применением следующей приближенной модели диода.
Введем два приближения:
1. Нелинейная емкость диода (2.2) заменяется емкостью перехода при нулевом возбуждении (), т.е. . Справедливость этого предположения подтверждается экспериментальными данными, приведенными в [119].
2. Ниже будет показано, что усредненное сопротивление диода на первой гармонике намного больше сопротивления потерь диода (см. рис. 2.20 и рис. 2.23)
Тогда на основании этих двух приближений эквивалентную схему 2.1 а и 2.2 а можно представить в виде, показанном на рис. 2.1 б и 2.2 б. Данное представление позволяет сложную нелинейную задачу проектирования ректенн разбить на две более простые. Одна из них - это задача пересчета параметров антенны Za, exx к клеммам а-а? по формулам:
- для корпусного диода Шоттки
, (2.3)
. (2.4)
- для бескорпусного диода Шоттки
, (2.5)
. (2.6)
В результате эквивалентная схема сводится к рис. 2.1 в и 2.2 в.
Таким образом, используя указанные приближения, методом перебора можно обеспечить быстрый поиск резонансных размеров излучающих структур ПВЭ, при которых . И на этом же этапе определить КПД пассивного четырехполюсника с зажимами а-а/.
Вторая задача - это расчет КПД выпрямления диода при и определение результирующего КПД выпрямления ректенны . То есть результирующий КПД выпрямления определяется произведением КПД выпрямления идеального диода (без учета паразитных элементов и сопротивления потерь) на КПД пассивного четырехполюсника, изображенного на рис. 2.1 б или 2.2 б.
Описанный подход был применен для оценки максимально достижимых КПД выпрямления ПВЭ ректенн миллиметрового диапазона (на частоте 35 ГГц). Исследовалось два варианта ПВЭ. Первый вариант ПВЭ на основе корпусного диода Шоттки [94], второй - на основе бескорпусного диода Шоттки, данные о котором получены в результате переписки с А. Альденом (Научно-исследовательский центр связи, Канада, Оттава). Параметры диодов приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Параметры диодов Шоттки
Тип диодаРд, ВтIs, пA?, B-1RП, ОмC0, пФCк, пФLк, нГнкорпусной0,1