8.29回馈式电子负载在测试领域的应用

【综述】无线输电关键技术及其应用(二)

kumsing 中字

  3.1、重大科学问题

  如前文所述,无线输电技术的技术需求与传统的有线传输方式等有很大的不同,主要体现在与工频交流和直流传输方式不同,主流的无线输电方式频率较高,因此需要解决设备在大功率、高频率和长寿命条件下产生的一系列问题,并研究此条件下系统的设计优化和控制策略,验证传输的安全性。

  (1)传输理论研究和系统建模

  基于磁共振耦合的中距离传输方式是一种新兴的传输方式,在对这种方式的传输系统进行建模分析,很少直接采用线圈的详细物理参数建立数学模型,大多数采用基于耦合模理论的微分方程、含有耦合电感的电路模型或者二端口网络对其传输机理进行分析。这些传输模型都能较为准确地反映出磁共振耦合现象,并在一定程度上解决实际问题,但都存在明显的不足使其应用条件受到很大限制。

  电磁场分析方法理论上可以计算非常详尽的电磁场分布[17],理论上可以计算出耦合磁场输电细节。然而对于尺寸较大的系统,分析计算过程是非常复杂的,虽然借助电磁场有限元分析仿真软件可以求得分部场的直观数值解,但会耗费大量时间和资源,在进行系统设计和参数优化时十分不便。

  耦合模理论是解释两个或多个电磁波模式间耦合的普遍规律的微扰分析理论,可以避免具体对象繁杂的物理参数,径直对目标间的能量耦合进行计算。基于耦合模理论的微分方程虽然可以从能量角度进行分析,但是不够直观,无法将线圈的详细物理参数,与传输效率、传输容量等系统设计优化所关注的数值直接关联起来;含有耦合电感的电路模型较为直观,认为发射端电路和负载端电路之间,由发射线圈与接受线圈之间的互感耦合,根据电路理论进行分析计算,是目前国内分析建模时较多使用的模型,但是由于忽略了线圈和器件在高频条件下的特性,分析计算较粗略,不利于有关高频电磁场方面的分析,在进行设计时,可以适用的频率范围受到很大限制。

  二端口网络分析方法将输电与转换部分看作一个二端口网络,利用测得的端口参数对系统进行求解,同样缺乏直观性。传输理论研究和系统建模时还需要关注更多与设计优化直接相关的问题,如发射端与接收端的阻抗匹配问题,系统本征频率的控制问题,传输通道上的功率密度分布问题。

  基于微波的长距离无线输电系统作为一个以微波能量为传输介质、以高效率为核心要求的系统,微波无线输电系统涉及到高效率高能量的微波器件、低损耗的微波溃电、高效率高功率微波发射、高精度的波束指向、低反射高效率的微波接收、高效率的微波整流及收集,其关注点和相关收发机理和理论方面与传统的通信系统存在很大的差距。需要重点考虑能量收/发合作系统波束匹配、功率密度/工作点匹配、黑体接收、大功率空间赋型波束合成、非线性负载阵列天线等问题。

  (2)大功率高频器件

  在中短距离的无线输电方面,高效率大功率的应用需求要求电源不仅拥有足够的高频电能转换能力,亦需要具有稳定可控的输出频率,因为电源的构造是一个巨大的难点。长距离、大容量的长距离无线输电技术更是要求相关器件的设计方法、基础材料理论和机理具有重大的创新,是需要重点研究的科学问题。

  (3)多场耦合机理和理论

  中短距离的传输系统中由于很大一部分能量散失是由于电源的功率损耗,在电源损耗与线圈之间的传输损耗之间取舍,需要考虑电路与高频电磁场的耦合联合分析计算问题。温度变化也会导致最优传输频率的改变,因此还需要深入研究温度场与电路、电磁场的耦合关系。

  长距离微波功率发射阵列天线的多场问题表现为结构位移场、电磁场、温度场三场的双向及强耦合关系。首先要研究三场耦合建模,微波功率发射天线结构位移场的变化会导致温度场与电磁场的变化,温度场的变化又会通过热传导方式影响结构位移场,同时通过改变电子器件性能从而影响电磁场,因此需深入研究电磁场、结构位移场、温度场等多物理场之间的耦合关系,挖掘多场之间的物理联系参数及影响因素,研究影响微波功率阵列天线综合性能的因素,提出多场耦合理论模型的数学表达方法,寻求系统规划构造的最优平衡解,从而解决发射天线多个学科领域之间、多个目标之间的耦合、计算复杂性等问题。

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