Mediciones anteriores de una versión de laboratorio de
un sistema total de transmisión por microondas [6] habían
demostrado que se podía lograr una eficiencia general relativamente
alta (54%) de transmisión de energía de entrada a
salida. Sin embargo, el nivel de potencia era sólo de 1/2 kW y
la distancia de 1,7 m. Por lo tanto, el siguiente paso tecnológico
fue comprobar la idoneidad del escalado a un sistema de
mayor alcance y mayor nivel de potencia. Por tanto, las pruebas
de Goldstone, como se describe en la Ref. 7, se
llevaron a cabo.
Dispositivos de conversión y captación de energía RF
La reccena (Fig. 1), junto con su circuito equivalente
[8], es el componente básico del conjunto receptor de
alta potencia. La configuración particular del elemento
rectenna fue desarrollada por Raytheon Co. para JPL bajo el
contrato de la Oficina de Aplicaciones y la Oficina de Programas
de Energía de la NASA.
Los elementos constan de un diodo rectificador de GaAs
conectado mediante un filtro de paso bajo a una antena
dipolo de media onda. Los elementos funcionan con el dipolo
espaciado aproximadamente un cuarto de longitud de onda
sobre un plano de tierra. Una parte del filtro, el diodo y los cables
de CC se proyectan a través de un orificio en el plano de
tierra. Las rectennas están aisladas en CC del plano de tierra para
permitir salidas en paralelo con barras colectoras comunes y
para permitir que grupos de salidas paralelas en serie
aumenten el voltaje de salida del subconjunto a un nivel de trabajo
de ~150 V.
Un grupo de 270 recenas en un subconjunto de 1.162
X 1.207 m se cablearon con conexiones de recolección
detrás del plano de tierra (Fig. 2). Diecisiete de los
La instrumentación para cada subconjunto consta de una
muestra de densidad de potencia de entrada de RF obtenida aislando
el elemento rectenna del subconjunto central y proporcionándole
su propia carga individual, un elemento termistor blindado de
RF fijado a la barra colectora central para monitorear la temperatura
(la barra colectora es la masa predominante y por lo tanto
el disipador de calor para los diodos rectenna), y divisores de
voltaje de salida de precisión y derivaciones de corriente a
través de cada una de las 17 cargas de salida.
Los diodos de muestra de RF incidentes se calibran individualmente
mediante el uso de características de diodo almacenadas en
software de computadora junto con una bocina de RF de ganancia
calibrada que se ve en la parte inferior derecha de la Fig. 3.
La computadora procesa los datos medidos para mostrar
la potencia de RF de entrada (±2,0 % de precisión), la potencia
de salida (±0,5 %) y la eficiencia (±2 %) para cada subconjunto
y para el conjunto total. Además, se muestran las temperaturas
del subconjunto (±1°C) y los voltajes (±0,5%).
Experimentos de rendimiento de matrices
Además de las mediciones normales de potencia
de salida versus entrada de energía o eficiencia (Fig.
5), se llevaron a cabo una serie de experimentos para
determinar el rendimiento del RXCV en diversas condiciones
para proporcionar características operativas no
estándar e identificar áreas de mejora.
El primer experimento consistió en variar la resistencia
de carga de CC de un subconjunto y medir la eficiencia de
conversión RXCV. El subconjunto está diseñado con una carga
de alta impedancia para permitir optimizar el rendimiento de
eficiencia a niveles de densidad de flujo bajos y una carga de baja
impedancia para condiciones seguras de salida de potencia máxima.
Una parte de la carga consta de lámparas en las que se
disipa aproximadamente un tercio de la potencia de salida de CC.
Al cortocircuitar las lámparas y con el interruptor de rango de
alta potencia-baja potencia, se acumularon los datos que se
muestran en la Fig. 6. El rendimiento de la corriente de
cortocircuito se da en la Ref. 7.
El rendimiento del subconjunto de rectenna en función
del ángulo de incidencia en el plano E se muestra en
la Fig. 7. El ángulo variable se logró inclinando uno de los
subconjuntos centrales sobre su borde inferior con la ayuda
de cuerdas y cordeles. Se espera que el patrón del plano
H sea similar. Todo el conjunto está soportado
sobre un marco que está inclinado 7° con respecto a la vertical
de la torre de colimación para que los subconjuntos sean
normales al haz de RF entrante.
La Figura 8 indica el rendimiento de escala de un
subconjunto y de todo el conjunto en relación con el rendimiento
de un único elemento rectenna. Las curvas se obtuvieron
dividiendo las salidas de potencia del subconjunto y del
conjunto por 270 y 4590, respectivamente, los números
correspondientes de elementos de rectina individuales bajo consideración.
Los elementos de calibración están especialmente
seleccionados y tienen una eficiencia ligeramente mayor.
La prueba del rendimiento del conjunto en función de
la frecuencia de RF estuvo restringida por las características de
sintonización de banda estrecha del klistrón a un rango de
15, +7,5 MHz. En el rango de variación de frecuencia, la
eficiencia de conversión varió sólo +2,1%, lo que está en el orden
de magnitud de la precisión de la instrumentación. Por lo
tanto, queda por determinar el ancho de banda de la matriz. Sin
embargo, la mayoría de las aplicaciones de transmisión
de energía no requieren un ancho de banda operativo
significativo.
El rendimiento de polarización del conjunto sólo pudo
comprobarse parcialmente, ya que el transmisor de alta
potencia en el sitio de Venus está equipado con una única sección
polarizadora giratoria de un cuarto de longitud de onda.
Por lo tanto, sólo se puede lograr un estado de polarización
lineal, mientras que se desea una polarización lineal posicionable.
Sin embargo, el rendimiento del conjunto, en
general, siguió la curva teórica de pérdida de polarización en
segundos20 del componente polarizado lineal vertical del
Es interesante que el rendimiento general del conjunto
no cambió cuando un subconjunto central se inclinó en
varios ángulos de incidencia, hasta 40°. Al observar el
rendimiento de los elementos de calibración de carga
aislada del subconjunto adyacente, se vio que había áreas
locales de densidad de potencia de RF mejorada y disminuida
de 15 y +10% debido a los campos dispersos desde el
subconjunto inclinado. Sin embargo, casi toda la energía
dispersa debe haber sido absorbida por los otros
subconjuntos. Sin embargo, las variaciones antes y durante
la inclinación fueron casi insignificantes en las salidas del
subarreglo, con la excepción del subarreglo bajo prueba.
Conclusiones
Se ha caracterizado un convertidor de RF a des-directivo,
altamente eficiente, bastante tolerante y no directivo, en
ciertos rangos en cuanto a carga, frecuencia de RF, polarización,
nivel y distribución de densidad de potencia, posición
mecánica, ángulo de iluminación incidente, temperatura y espaciamiento
del plano de tierra. El conjunto de reccena se ha
utilizado con éxito para transferir >30 kW de potencia a lo largo
de una distancia de 1,54 km con una eficiencia de conversión
de colección >80%.
El rendimiento del subconjunto de rectenna y del
conjunto se escala fácilmente a partir de las características de
un solo elemento. De ahí las propuestas de tener miles de
millones de rectennas en las estaciones receptoras terrestres
de los sistemas de energía de satélites en órbita geosincrónica
o en el enlace intermedio y final de los satélites
transpondedores de órbita sincrónica solar-órbita geosincrónica.
no debería presentar un problema técnico en concepto.
Los futuros desarrollos de la rectenna deberían centrarse en
las áreas de reducción de costos de producción y capacidad de rango
de potencia ampliado, así como en una mayor eficiencia.
Expresiones de gratitud
Este artículo presenta los resultados de una fase de
investigación llevada a cabo en el Jet Propulsion Labora-
tory del Instituto de Tecnología de California, bajo el
contrato NAS7-100, patrocinado por la Administración Nacional
de Aeronáutica y del Espacio.
Referencias
