DISEÑO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA INALÁMBRICO POR MICROONDAS DE ALTA EFICIENCIA

Haihong Ma,1 Xi Li,2 Linlin Sun,3 Hui Xu,1 y Lin Yang 1Instituto Xi'an de Tecnología de Radio Espacial, Xi'an 710100, China;

Autor para correspondencia: uestcpony@163.com

2Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología en Antenas y

Microondas, Universidad Xi Dian, Xi’an 710100, China

3Universidad de Ciencia y Tecnología de NanJin, Nanjing 210000,

Porcelana

Recibido el 10 de noviembre de 2015

La transmisión de energía inalámbrica por microondas (MWPT) es un modo de transmisión de nuevo estilo, que tiene una amplia aplicación en la estación de energía solar espacial (SSPS), el módulo de nave espacial de carga útil, armas de alta potencia, etc. Basado en los requisitos de la aplicación espacial, se ha presentado un sistema MWPT. La fuente sólida proporciona energía de microondas. El diámetro de la antena paraboloide transmisora es de 2,4 m. La antena receptora es una reccena de matriz, con una escala de 2,4 m*2,4 m. La distancia de transmisión es de 11 m. Y la eficiencia de transmisión de CC a CC es superior al 16,5%, lo que concuerda admirablemente con los resultados de la estimación. Los resultados experimentales podrían promover la conversión de la aplicación de ingeniería del estudio teórico de la técnica MWPT. VC 2016 Wiley Periodicals, Inc. Microondas Opt Technol Lett 58:1704–1707, 2016; Vea este artículo en línea en wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1002/fregona.29885

VC 2016 Wiley Periodicals, Inc. Microondas Opt Technol Lett 58:1704–1707, 2016; Vea este artículo en línea en wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1002/fregona.29885

Palabras clave: transmisión inalámbrica de energía por microondas; eficiencia rectificadora; Eficiencia del convertidor CC a CC; eficiencia de transmisión 

1. INTRODUCCIÓN

 A lo largo de 100 años, el concepto de transmisión inalámbrica de energía (TIP) se ha convertido en un tema interesante para la transmisión de energía en diferentes campos, que comenzó con las ideas y demostraciones de Tesla [1]. Esta técnica podría usarse para la transmisión de energía tierra-tierra, tierra-espacio y espacio-espacio [2,3]. WPT es un modo de transmisión de energía de nuevo estilo, que tiene una amplia aplicación en la estación de energía solar espacial (SSPS), el módulo de nave espacial de carga útil, armas de alta potencia, etc. [4,5]. Basada en las diferentes ondas portadoras, la técnica TIP tiene dos modos de transmisión principales: la transmisión de energía inalámbrica por microondas (MWPT) y la transmisión de energía inalámbrica óptica (OWPT). La eficiencia de la transmisión de energía es la cuestión clave del sistema, que es la especificación más importante para evaluar el rendimiento del sistema. Además, cómo mejorar la eficiencia de la transmisión de potencia es el problema más común que debe considerar el diseñador. Sin tener en cuenta los efectos de la atmósfera, el OWPT tiene una buena radiogoniometría y un haz de alta potencia integrado, que podría usarse para transmisión de potencia a corta distancia. Para la transmisión de energía a larga distancia, el MWPT se usa comúnmente, especialmente en el caso de que la energía generada en el espacio se transmita a la Tierra o la energía generada por la Tierra se transmita al espacio, etc. Por lo tanto, el MWPT y el OWPT podrían usarse en casos diferentes. Este artículo se centra en la investigación de MWPT. La elección de la frecuencia portadora es el primer paso para estudiar la técnica TIP. La frecuencia de funcionamiento de MWPT se ha centrado tradicionalmente en 2,45 GHz y 5,8 GHz, y recientemente ha subido a 35 GHz. El sistema con alta frecuencia tiene un área de apertura de antena más pequeña que el de baja frecuencia [6,7]. En la actualidad, considerando la mayor eficiencia del convertidor de la fuente del transmisor y el diodo rectificador, la mayoría de los sistemas MWPT tienen frecuencias de funcionamiento de 2,45 GHz y 5,8 GHz, con bajas pérdidas atmosféricas en las dos frecuencias [8]. En este artículo, con el fin de investigar los principales factores que tienen el mayor efecto sobre la eficiencia de transmisión, se ha propuesto un sistema MWPT que opera a 2,45 GHz. La fuente sólida de GaN se utiliza como transmisor de microondas. El circuito derectificador  diodos se diseña con la antena receptora, considerando la energía de recepción asimétrica. A una distancia de transmisión de 11 m, se diseña un experimento para medir la eficiencia de transmisión de energía. Los resultados de las mediciones muestran que la eficiencia de transmisión de energía de CC a CC del sistema es superior al 16,5%, lo que concuerda admirablemente con los resultados de la estimación.

Figura 1 Principales componentes del sistema MWPT. [La figura en color se puede ver en la edición en línea, que está disponible en wileyonlinelibrary.com]

Figura 2 Configuración de eficiencia de transmisión del sistema MWPT. [La figura en color se puede ver en la edición en línea, que está disponible en wileyonlinelibrary.com]

Figura 3 Estructura básica del transmisor de microondas. [La figura en color se puede ver en la edición en línea, que está disponible en wileyonlinelibrary.com]

TABLA 1 Resultado de la medición del transmisor de microondas

Frecuencia de funcionamiento (GHz) I@5V (A) I@28V (A) Salida (dBm)

2,45                                                         0,4         3,06                 47,16

Disipación de potencia CC                                     87,68 W

Convertidor de CC a RF eficiencia                        59,3%

Figura 4 Eficiencia de rectificación versus potencia de RF de entrada. [La figura en color se puede ver en la edición en línea, que está disponible en wileyonlinelibrary. es]

2. DISEÑO DEL SISTEMA MWPT Y ESTIMACIÓN DE EFICIENCIA El sistema MWPT puede transmitir energía CC en el espacio libre mediante microondas. La estructura del sistema MWPT se ilustra en la Figura 1. El sistema consta de tres componentes principales: (1). Componentes del transmisor de microondas, que podrían realizar la conversión de energía de CC a RF; (2). Componentes del receptor de microondas, que podrían realizar la conversión de energía de RF a CC; (3). Componentes de transmisión libres de energía, que incluyen la antena transmisora y la antena receptora, y la transmisión en espacio libre. 

La primera fase, el sistema MWPT, convierte la energía de CC en energía de RF; la segunda fase, la antena transmisora transmite potencia de RF al espacio libre, y la potencia de RF podría transmitirse en el espacio libre; En la tercera fase, después de ser recibida por la antena, la energía de RF va al rectificador de diodo y emite energía de CC, que podría permitir el suministro de energía a otros sistemas. Con el fin de analizar los factores clave que afectan la eficiencia de la TIP y encontrar métodos para mejorarla, este artículo presenta un sistema MWPT que funciona a 2,45 GHz. Para el diseño del sistema, la eficiencia de la transmisión de energía es el parámetro más importante para evaluar el desempeño. En este artículo se analiza la eficiencia de la transmisión de CC a CC. Los factores clave que afectan la eficiencia de transmisión del sistema son los siguientes: la eficiencia de conversión de CC a RF (gs), la eficiencia de conversión de RF a CC (grect*gpc) y la eficiencia de transmisión en antena y espacio libre (gtr). . La Figura 2 muestra el mapa esquemático de la estimación de la eficiencia de transmisión de CC a CC (g) del sistema MWPT, y la eficiencia podría estimarse mediante la siguiente fórmula: 

Cuando se optimizan todas las eficiencias de conversión, la eficiencia de transmisión del sistema podría mejorarse hasta alcanzar el objetivo. Los métodos de diseño de los componentes principales se describen detalladamente a continuación. Y luego se estima la eficiencia de la transmisión.

2.1. El transmisor de microondas (convertidor de CC a RF) 

En el sistema MWPT, la energía de CC debe convertirse en potencia de RF y luego la antena transmisora la transmite al espacio libre. El parámetro clave para el transmisor de microondas es la eficiencia del convertidor de CC a RF (gs). En este sistema MWPT, según el análisis de requisitos del sistema, la potencia de salida no es inferior a 50W. Según el nivel técnico de los componentes de microondas, en el diseño se utiliza la fuente sólida. La estructura básica se muestra en la Figura 3. Con el desarrollo de la técnica GaN, su alta potencia, eficiencia y rendimiento de ancho de banda se vuelven cada vez más insuperables, y un amplificador de potencia GaN está diseñado para obtener una alta potencia de salida en este sistema. Los resultados de la medición se muestran en la Tabla 1 y los datos muestran que la eficiencia del convertidor de CC a RF es mejor que el 59 %.

Figura 5 Mapa de las celdas del conjunto de antenas receptoras y diseño integrador ((A) es el mapa de antena para menor potencia de entrada; (B) es el mapa de antena para mayor potencia de entrada; (C) es el diseño integrador de antena receptora con circuito rectificador). [La figura en color se puede ver en la edición en línea, que está disponible en wileyonlinelibrary.com]

Figura 6 Estimación de eficiencia del sistema MWPT. [La figura en color se puede ver en la edición en línea, que está disponible en wileyonlinelibrary.com]

2.2. Componentes del receptor de microondas (convertidor RF-DC)

 En el sistema MWPT, el componente receptor está diseñado para capturar una gran tracción del haz de RF y luego convertirlo a voltaje de CC. Para convertir la energía de RF en energía de CC, el circuito rectificador con diodo está diseñado integrado con la antena receptora (rectenna). En desarrollos anteriores de rectenna, en la mayoría de los circuitos rectificadores se adopta la configuración de un solo diodo, que actúa como un rectificador de media onda y la eficiencia de rectificación es baja. Dado que el diodo no es un dispositivo lineal que pueda producir señales armónicas, no es fácil formular un modelo perfectamente correcto. En este diseño, las señales armónicas se reutilizan para rectificarse como salida de potencia de CC y luego mejorar la eficiencia de la transmisión. La eficiencia del convertidor de RF a CC varía con el cambio de potencia de RF de entrada, por lo que se debe analizar la resistencia de carga de optimización, como se muestra en la Figura 4. Según el gráfico, el voltaje de salida máximo depende de la mejor combinación de potencia. En los desarrollos más recientes de rectina, los investigadores se centran en el estudio del diseño de elementos de rectina única. Sin embargo, cuando se desea un voltaje CC elevado, es necesario diseñar un conjunto de recenas. En este sistema de demostración, la antena transmisora de entrada de potencia de RF supera los 50 W, la densidad de potencia de recepción es alta y un único circuito rectificador no puede cumplir con el requisito de capacidad de potencia, por lo que se diseña un conjunto de rectennas como componente receptor. 

2.3. Los componentes de transmisión de energía y el diseño integrador

 Los componentes básicos del componente del haz de energía de microondas incluyen una antena transmisora y una antena rectificadora receptora (rectenna), siendo el espacio libre el medio de transmisión. La dirección del haz de potencia de microondas podría controlarse mediante el sistema de antena. En este sistema de demostración, se utiliza un paraboloide optimizado como antena  transmisor. Para recibir la mayor cantidad de energía de RF desde el espacio, se utilizan conjuntos de antenas de microondas como antena receptora y se debe optimizar el tamaño de la antena. Considerando la distribución asimétrica de potencia, la antena receptora se diseña junto con los circuitos rectificadores. La Figura 5 muestra un mapa de dos celdas del conjunto de antenas receptoras de microondas y el diseño de la antena junto con el circuito rectificador..

Figura 7 El sistema MWPT en prueba. [La figura en color se puede ver en la edición en línea, que está disponible en wileyonlinelibrary.com]

Figura 8 La eficiencia del convertidor CC a CC frente a la resistencia de carga

2.4. La estimación de la eficiencia de transmisión

 En el diseño del sistema MWPT, considerando el tamaño de las antenas y la eficiencia de transmisión de energía, según los resultados de la simulación para el enlace de transmisión de energía del sistema, el tamaño de la antena transmisora es 2,4 m*2,4 m, el tamaño de la antena receptora. La antena es de 2,4 m*2,4 m y la distancia de transmisión es de 11 m. La Figura 6 muestra el croquis del sistema de demostración. A partir de la mejor eficiencia de cada componente, se podría estimar la eficiencia teórica de la TIP.

3. DEMOSTRACIÓN EXPERIMENTAL Y RESULTADOS DE MEDICIÓN

 En este sistema MWPT, el experimento está diseñado para demostrar los factores clave que afectan la eficiencia del MWPT. Para este experimento de demostración, el sistema de prueba MWPT se coloca en un cuarto oscuro de microondas para evitar el efecto del entorno electromagnético exterior. La antena transmisora de microondas y la antena receptora están fijadas en una plataforma que está a 3 m de altura sobre el suelo. El transmisor de microondas está fijo con la antena transmisora y la ruta de conexión es corta, lo que podría reducir la pérdida de transmisión tanto como sea posible. Los circuitos rectificadores están integrados con el conjunto de antenas receptoras. Y la distancia de transmisión es de 11 m. La Figura 7 muestra el sistema MWPT de demostración en prueba. Según el análisis teórico de la eficiencia de rectificación, la eficiencia del convertidor de RF a CC está relacionada con la resistencia de carga. En el experimento, los diferentes valores de eficiencia se obtienen variando la Rcarga, como se muestra en la Figura 8. El gráfico muestra que la eficiencia de transmisión de CC a CC es mejor que el 16%, y la mejor eficiencia de optimización podría alcanzar el 16,57%, que es acercándose mucho al valor de estimación. El experimento de demostración valida eficazmente la validez y viabilidad del proyecto de diseño.

4. CONCLUSIÓN 

Basado en los requisitos de aplicación de la técnica TIP en el espacio, se describe el diseño de un sistema TIP. El sistema contiene tres partes principales: el componente del transmisor de microondas (convertidor de CC a RF), los componentes de transmisión de potencia de RF (incluida la antena transmisora, el conjunto de antenas receptoras y el espacio libre) y los componentes del receptor de microondas (convertidor de RF a CC). La eficiencia de transmisión de CC a CC medida es superior al 16,5%, lo que concuerda con el objetivo. Los resultados experimentales podrían promover el desarrollo de la tecnología TIP de manera eficiente, lo que sería muy útil para las aplicaciones de MWPT de larga distancia.

REFERENCES 

1. W.C. Brown, The history of power transmission by radio waves, IEEE Trans Microwave Theory Tech 32 (1984). 

2. W.C. Brown and E. Eugene Eves, Beamed microwave power transmission and its application to space, IEEE Trans Microwave Theory Tech Col 40 (1992), 1239–1250. 

3. B.H. Strassner and K. Chang, Microwave power transmission, In: Encyclopedia of RF and microwave engineering, vol. 

4, Wiley, Hoboken, NJ, 2005, pp. 2906–2919. 4. J.O. McSpadden, F.E. Little, M.B. Duke et al. An in-space wireless engery transmission experiment, IEEE 0-7803-3547-3-7/16VC 1996, pp. 468–473. 

5. J.O. McSpadden and J.C. Mankins, Space solar power programs and microwave wireless power transmission technology, IEEE Microwave 3 (2002), 46–57. 

6. Y.-H. Suh and K. Chang, A high-efficiency duar-freqency rectenna for 2.45- and 5.8-GHz wireless power transmission, IEEE Trans Microwave Theory Tech 50 (2002), 1784–1789. 

7. D. Hong-Lei and K. Li, A novel high-efficiency rectenna for 35GHz wireless power transmission, In: 4th International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings, 2004, pp. 114–117. 

8. K. Sunkyu, K. Myunghoi, K. Kyoungchoul et al. Analytical expressions for maximum transferred power in wireless power transfer systems, In: IEEE International Symposium Electromagnetic Compatibility (EMC), Long Beach, CA, 2011, pp. 379–383. VC 2016 Wiley Periodicals, Inc