基于微波传输技术的日光温室无线输电系统设计与试验.pdf

p第 34卷 nbsp; 第 16期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;农 业 工 程 学 报 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;V ol.34 nbsp;N o.16 214 nbsp; nbsp;2018年 nbsp; nbsp;8月 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;Aug. 2018 nbsp; nbsp; nbsp;基于微波传输技术的日光温室无线输电系统设计与试验王立舒，刘 nbsp;雷，王锦锋，文竞晨，乔帅翔，王书宇 nbsp;（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030） 摘 nbsp;要为解决日光温室内部传感器驱动电路的供电受有线供电制约的问题，使传感器安装及其供电设计模 块化、简单化，该文运用无线输电及微波传输技术，将磁控管 CK-620A 产生的微波作为温室内传感器驱动电 路的供电电源。以所搭建的光伏微波无线电力传输系统为基础，探究从发射端到接收端的传输过程中，植被 散射、空间电磁波环境对传输效率的影响。以冬季哈尔滨市 12 月份一天内不同距离、不同时间段下以黄瓜为 主的日光温室为试验对象，测试并分析了其对光伏微波无线电力传输系统接收功率的影响。探究了提高日光 温室无线输电系统传输效率的方法，提出了低功率损耗的微波发射源设计方案，给出了理论电路图。试验结 果表明，当发射功率 500 W 时，系统能够对 8 m范围内的传感器设备进行有效供电。但距离场源较近的位置， 易受散射的影响。采用 67 结构的微带天线，最大辐射方向的增益与采用矩形喇叭天线的方式相比提高了 0.28 dB，即天线的定向性要好一些，在 0～8 m内接收功率平均可提高 1.58 W。 nbsp;关键词温室；微波；试验；无线输电；散射；微带天线 nbsp;doi10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028 nbsp;中图分类号TN015 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 文献标志码A nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 文章编号1002-68192018-16-0214-11 nbsp;王立舒，刘 nbsp;雷，王锦锋，文竞晨，乔帅翔，王书宇. 基于微波传输技术的日光温室无线输电系统设计与试验 [J]. 农业工程学报，2018，3416214－224. nbsp; nbsp;doi10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028 nbsp; nbsp;http//www.tcsae.org nbsp;Wang Lishu, Liu Lei, Wang Jinfeng, Wen Jingchen, Qiao Shuaixiang, Wang Shuyu. Design and test of wireless power nbsp;transmission system in solar greenhouse based on microwave transmission technology[J]. Transactions of the Chinese Society of nbsp;Agricultural Engineering Transactions of the CSAE, 2018, 3416 214－224. in Chinese with English abstract nbsp; nbsp;doi 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.028 nbsp; nbsp;http//www.tcsae.org 0 nbsp;引 nbsp;言自从 70 年代中国出现日光温室以来，人们就没有停 止过研究的步伐。其中温室的环境因素及温室的设计是 研究分析的两大方向。包括温湿度、通风量、传热特性、 空气流动等环境因素的分析及电气设备的设计 [1-4] 。 然而， 随着日光温室技术的发展，其内部包含了众多的传感器， 这些传感器的安装受到有线供电束缚，降低了其安装的 灵活性。无线输电技术与日光温室的结合能够解决上述 问题。与此同时带来的新问题便是传输效率的问题 [5] 。针 对此问题，在国内最近的学术研究中，无线输电技术的 研究取得了不少成果。在小功率微波无线装置研究领域， 李晓宁等进行了 1 W 微波无线输电系统的发射端设计 [6] 。 有效距离为 20 cm，最大接收电压 4.22 V，电流 8.2 mA。 申世军等也对小功率无线输电试验装置进行了研究 [7] ， 在 发射频率 2.45 GHz，接收端采取微带天线的前提下，距 离 10 cm的位置所测得的最大电压为 0.325 V。理论设计 上， 研究人员设计了基于变次级补偿参数的感应式无线 充电系统 [8] ，实现对电池恒流恒压切换充电。并在此基收稿日期2018-04-09 nbsp; nbsp;修订日期2018-07-13 nbsp;基金项目黑龙江省教育厅科技课题（12521038） ；教育部春晖计划 （Z2012074） nbsp;作者简介王立舒，教授，博士，博士生导师。研究方向为农业电气化与自 动化；电力新能源开发与利用。E nbsp; 础上对无线充电在电动汽车应用上充电负荷进行了评估 [9] 。 在充电功率方面，提出了双初级线圈并绕的感应电能传 输系统的功率分配方法 [10] 以及变结构模式的宽负载恒压 感应耦合电能传输系统 [11] 等。刘晨蕾等提出了在确保零 相位角下的双向谐振式无线输电控制策略 [12] 。在谐振频 率 85 kHz 的条件下，推导了无线输电中的有功无功功率 与相位角之间的关系。得出相位角能改变传输能量的方 向和大小。其次，赵静等在系统硬件的控制及优化上提 出了不同的策略 [13-16] 。从这些研究中不难发现，接收距 离与传输效率仍然是需要解决的问题。这也是无线输电 技术与日光温室结合的过程中要研究的问题。特别是温 室内部植被的散射及环境电磁波对传输效率都有一定的 影响。本文通过所搭建的基于微波传输技术的日光温室 无线输电试验平台，在试验系统的发射功率 500 W、发 射 频率 2.42 GHz 的前提下，选取东北农业大学以黄瓜为主 的日光温室作为试验对象，通过理论及试验分析了温室 内部的电磁波环境、黄瓜等植被的散射作用对传输效率 的影响。并提出运用微带天线阵提高传输效率。 nbsp;1 nbsp;光伏发电微波无线电力传输试验系统 nbsp;1.1 nbsp;系统组成及工作原理 nbsp;本文设计的无线传输系统以磁控管 CK-620A 产生的 电磁波作为温室内设备的电力能源。工作电压 650 V，阳 极最大工作电流 13 A，选择合适的发射电流大小有利于 第 16期 王立舒等基于微波传输技术的日光温室无线输电系统设计与试验 215 nbsp;磁控管频谱噪声抑制 [17] ，试验中选取阳极工作电流 6 A、 光伏板 4片，每片输出电压 24 V，功率 100 W。蓄电池 选用 200 A.h。磁控管属于大功率器件，所以工频逆变器 选用 1 000 W，24 V。光伏控制器选用 24 V，30 A。高压 变压器选用 1 000 V，700 W。系统试验需要结合日光温 室的内部环境进行数据采集。 选取 ZC301摄像头对试验 现场进行实时监测，并且将最终采集的数据传至上位 机。整个试验平台选取 3030 铝型材搭建。系统组成如 图 1 所示。 1. 抛物面天线 2. 光伏板 3. 光伏控制器 4 （8,9） . 矩形喇叭天线 （CK-620A 磁控管， YMD-852T高压变压器） 5. 200 A.h 蓄电池 6. 1 000 W逆变器 7. 数 据采集电路 nbsp; 1.Parabolic antenna 2.Photovoltaic panel 3. Photovoltaic controller 48,9. nbsp;Rectangular horn antenna Magnetron CK-620A, YMD-852T high voltage nbsp;transer 5. 200 A.h battery 6. 1 000 W inverter 7. Receiver and data nbsp;acquisition circuit nbsp; 图1 nbsp;系统组成 nbsp;Fig.1 nbsp;System composition 具体器件参数如表 1、表 2 所示。 表1 nbsp;磁控管 CK-620A参数 nbsp;Table 1 nbsp;Parameters of magnetron CK-620A nbsp;参数 Parameters 值 Va l u e nbsp;发射频率 Transmitting frequency/MHz 2 450 nbsp;微波最大输出功率 Microwave maximum output power/kW 5 nbsp;阳极直流电压 Anode DC voltage/V 650 nbsp;预热时间 Preheat time/min gt;3 nbsp;负载电压驻波比 Load voltage standing wave ratio 4 nbsp;阳极最大工作电流 Anode maximum operating current/A 13 表2 nbsp;YMD-852T高压变压器参数 nbsp;Table 2 nbsp;Parameters of YMD-852T high voltage transer nbsp; 参数 parameters 值 Va l u e nbsp;初级绕组 Primary winding/ Ω 1.45 nbsp;次级绕组 Secondary winding/ Ω 85～112 nbsp;灯丝绕组 Filament winding/ Ω 700 nbsp;输入电压 voltage/V 220 nbsp;输出电压 Output voltage/V 1 000 系统无线电力传输过程主要是光伏板通过控制器充 电至蓄电池，蓄电池经逆变器接入发射端内部高压变压 器。高压变压器将 220 V电压升至 1 000 V，以此作为微 波源的电源。磁控管的阴极通电后发射电子，在外加直 流电场的作用下获得动能。一部分动能转化为震荡体系 的交变电场，频率为 2 450 MHz。最后通过天线耦合输出 至矩形喇叭天线。接收端天线选取抛物面天线，接收到的 信号经过选频电路后， 通过 BQ25530 能量采集电路输出至 数据采集电路，最终发送至终端上位机。 nbsp;1.2 nbsp;微波无线发射天线的尺寸确定 nbsp;矩形喇叭天线的口径尺寸会影响天线辐射场方向 性 [18] 。天线尺寸决定了发射天线的性能。试验设计所选 用的矩形喇叭天线是最简单的面天线。初始场取决于波 导中所传输的电磁波模型 [19] 。天线作为无线输电试验系 统的关键一环，需要确定其尺寸。天线的尺寸结构如图 2 所示。 注 a，b，a 1 ，b 1 分别为矩形喇叭天线的内外口径长度、宽度，cm；R e 、 R h 为矩形喇叭天线长度，且 R e R h ，cm。 nbsp;Note a, b, a 1 , b 1are the inner and outside diameter length and width of the nbsp;rectangular horn antenna respectively, cm; R eand R hare the antenna lengths, nbsp; and R e R h , cm. nbsp;图2 nbsp;矩形喇叭天线尺寸与结构图 nbsp;Fig.2 nbsp;Size and structure diagram of rectangular horn antenna 对于矩形喇叭天线，其口径场的场强可以表示为 [20] 。 22 e π ys 0 1 π cos e h x y j x RR x EE a  -      （1） nbsp;式中 E ys 为矩形喇叭天线口径场的场强，W/m 2 ； 01 2 e EA kR π ，为矩形喇叭天线口径中心的场辐射， W/m 2 ；A 1 是取决于激励长度的常数；k 为自由空间的电 磁波波数， 00 2 k ωεμ λ π 。在最佳增益设计时，矩形 喇叭天线的增益 [19]11 2 4 0.5 Ga b λ π ≈ ， 1 3 e aR λ ≈ ， 1 2 h bR λ ≈ （2） nbsp;矩形喇叭天线的尺寸关系为 [19]21 1 h a Raa ρ -（3） nbsp;由式（2） 、 （3）可以得出 1 1 3 eh aa RR a λ - （4） 2 1 1 2 e b bb8 l R （5） nbsp;根据式（2） 、 （3） 、 （5）可以得出矩形喇叭天线的尺 寸，由于矩形喇叭天线馈电点与短路板之间的距离为 1 4 λ ， 所以波导的长度选取时要大于矩形喇叭天线馈电点 农业工程学报（http//www.tcsae.org） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2018年 nbsp; 216 与短路板之间的距离，这里选取波导的长度 5 4 r λ 。具 体参数如表 3 所示。 nbsp;表3 nbsp;矩形喇叭天线尺寸参数 nbsp;Table 3 nbsp;Size parameters of rectangular horn antenna nbsp;cm nbsp;参数 Parameters 值 Va l u e nbsp;波导长度 Waveguide length r 6.25 nbsp;波导宽度 Waveguide width a 5 nbsp;波导高度 Waveguide height b 2.8 nbsp;外口径长度 Length of outside diameter a 120.1 nbsp;外口径高度 Width of outside diameter b 115.7 nbsp;喇叭口长度 Length of horn R h20.23 2 nbsp;传输系统接收功率的影响因素分析 nbsp;2.1 nbsp;试验系统平台 nbsp;选取 12月份哈尔滨市东北农业大学校区日光温室为 试验对象，研究内部植被的散射及环境电磁波对无线传 输系统接收功率 P out 的影响。 nbsp;测量的主要参数有发射与接收端之间的距离、接 收端的输出电压与电流、散射与环境电磁波影响下的接 收端输出功率、数据采集的时间间隔。如图 3 为测试系 统装置组成图。 图3 nbsp;测试系统组成图 nbsp;Fig.3 nbsp;Test system composition diagram 试验选用采集单元为 NRF24L01PALNA 的无线透 传模块，接收距离为 1 100m。数据处理控制器选取 STM32F103芯片。 数据采集电路由 CS5460A 电压电流电 量测量电路、NRF24L01PALNA 无线透传模块、陀螺 仪、外部 5 V 供电电源电路、STM32 主控电路构成。整 个采集电路的数据发送及控制指令的接收由采集电路中 接收距离为 1 100 m的无线透传模块完成。 终端无线透传 模块将采集端无线透传模块发送的数据由串口传至上位 机。通信方式为 I 2 C，频率为 115 200 MHz。为了便于观 察及安全起见，试验全程由 ZC301 摄像头实时监控。摄 像头放置在发射端。传感器具体参数如表 4、表 5 所示。 nbsp;由于研究的是水平向前的无线电力传输过程，所以 试验时，通过陀螺仪进行水平矫正来保持发射端与接收 端水平放置，保持发射装置水平，摄像头所采集的试验 现场及试验数据采集端如图 4 所示。 nbsp;表4 nbsp;CS5460电压电流检测传感器参数 nbsp;Table 4 nbsp;Parameters of CS5460 voltage and nbsp; current detection sensor nbsp;参数 Parameters 值 Va l u e nbsp;动态线性度 Dynamic linearity/ 0.1 nbsp;功耗 Power consumption/mW lt;12 nbsp;最大温漂 Maximum temperature drift/ppm.℃ -1 60 nbsp;片内参考电压 On-chip reference voltage/V 2.5 nbsp;电流测量精度 Current measurement accuracy 0.001 nbsp;电压测量精度 V oltage measurement accuracy 0.001 表5 nbsp;ADIS16365陀螺仪参数 nbsp;Table 5 nbsp;Parameters of ADIS16365 gyroscope nbsp;参数 parameters 值 Va l u e nbsp;工作电压 Operating voltage/V 4.75～5.25 nbsp;功耗 Power consumption/mW lt;0.1 nbsp;耐温范围 Temperature range/℃ -40～85 nbsp;测量范围 Measuring range/s 300 nbsp;LSB灵敏度 LSB sensitivity/s 0.05 a. 试验现场 nbsp;a. Test site b. 试验数据采集端 nbsp;b. Test data acquisition terminal 图4 nbsp;试验现场及数据采集端 nbsp;Fig.4 nbsp;Test site and data acquisition terminal nbsp;2.2 nbsp;接收距离对系统接收功率的影响 nbsp;为了探究影响光伏发电微波无线电力传输系统接收 功率的因素。根据所设计发射天线的尺寸参数，运用 Ansoft HFSS软件对天线进行建模分析 [21] 。 由于微波源的 发射频率为 2 450 MHz， 仿真的扫描频率应将其频率包含 在内。所以设置扫描频率为 1.7～2.8 GHz，扫描类型为快 速扫描。频率步进为 0.1 GHz。即每扫描完一次，扫描频 率自动增加 0.1 GHz。 自适应网格剖分最大次数设置为 50 次。输入端口阻抗 50 。矩形喇叭天线增益仿真结果如 第 16期 王立舒等基于微波传输技术的日光温室无线输电系统设计与试验 217 nbsp;图 5 所示。 注周向刻度代表天线的水平辐射角度， （） ；等高线刻度代表增益值，dB； 内侧曲线代表天线在对应方向上的增益，dB。 nbsp;Note Circumferential scale represents the horizontal radiation angle of antenna, nbsp;; The contour scale represents the gain value, dB; The inner curve represents the nbsp;antenna gain in corresponding direction, dB. 图5 nbsp;矩形喇叭天线在发射频率 2 450 MHz 下的 nbsp;电磁波水平面辐射增益图 nbsp;Fig.5 nbsp;Electromagnetic wave horizontal radiation gain diagram of nbsp;rectangular horn antenna at transmitting frequency of 2 450 MHz 从仿真结果可以看出，本试验所用到的矩形喇叭天 线的辐射主要集中在-60～60范围内，天线的最大增益 出现在水平方向，即辐射角位 0，所对应的辐射增益 G19 dB。 因为研究对象为水平方向点对点直射方向的辐 射，所以选取图 5 中辐射范围 0.5即-0.25～0.25内的能 量作为研究。由于 22 max 0 |||| EG E [14] ，其中 E max 为最大 方向上的辐射电场，W/m 2 。E 0 为理想无方向性的天线处 于同一位置的辐射电场，W/m 2 。假定理想矩形喇叭天线 的输入功率 P in 与辐射功率 P r 相等。 在水平方向点对点直 射的前提下，由图 3 可知，辐射能量主要集中 0附近， 选取辐射范围上下限浮动 0.5内的辐射能量作为研究， 则 in in 0 2 2 60 0.5 4 360 PP E L L π（6） nbsp;式中 L 为接收距离，m；P in 为矩形喇叭天线的输入功率， W。 nbsp;由此可以得出 in max 60 || GP E r nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;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  π -     π -     π    π  （7）矩形喇叭天线场强振幅的归一化方向性函数的直角 坐标形式为 [22]max Ex ,y Fx ,y E （8） nbsp;式中 Ex,y为矩形喇叭天线在任意方向上的场强， W/m 2 nbsp;。 nbsp;将式（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  π -     π  （9） nbsp;矩形喇叭天线的功率密度（W/m 2 ） [23-24]22 max || | | 240 EF x , y px ,y π（10） nbsp;由式（10）可以得出天线矩形口径面辐射功率 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 --  π -    -- π  π   π ∫ ∫∫ ∫∫  （11）假设口径场作为远区场的源，则根据能量守恒定律， 在理想条件下，微波在空间传播过程中总电场功率辐射 P r 不变，因此可以得出距离为 L 处的电场辐射密度 on 2 12 π r P P L ，W/m 2 。接收端天线采用抛物面天线，为了 得到接收端最终的接收功率，需要考虑抛物面天线所接 收电磁波的有效面积。 其有效面积 S AB 大小为抛物面外口 径 R 1 所对应的面积 S A 去除内口径 R 2 所对应圆形面积 2 2 4 B SR π 后的区域，即 S AB S A -S B 。则距离 L 处的接收 端天线所接收到的功率 P out P on S AB 。 建立直角坐标系可以 得出天线抛物面面积 S A为 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 θ ρθ - π π ∫∫ ∫∫（12） nbsp;式中 R 1 为抛物面外口径，m； f 为天线抛物面焦距，m。 x，y 为抛物面上任一点。 nbsp;由 AB A B SSS - 可以推出 32 AB 1 2 4 6 Sf RR π -π （13） nbsp;式中 R 2 为抛物面天线内口径，m nbsp;距离 L 处的接收端天线所接收到的功率 nbsp;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  π  -   -- π - π  π  π  π  -π   π π ∫∫ ,, nbsp;（14）农业工程学报（http//www.tcsae.org） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2018年 nbsp; 218 由式（14）可知，接收端天线所接收到的功率大小 与发射端的辐射效率 r P ，发射端与接收端的距离 L 以及 天线的尺寸有着直接的关系。在保证光照强度一定，外 部环境理想化的前提下，选取接收天线外口径 R 1 0.5 m， 内径 R 2 0.04 m。针对日光温室的占地尺寸，在距离 L上 选取的距离范围在 0～20 m 之间，在发射功率 500 W 的 前提下，运用 MATLAB绘制出接收功率 out P 与 L 的关系 曲线如图 6 所示。 图6 nbsp;接收功率与接收距离的关系 nbsp;Fig.6 nbsp;Relationship between received power and distance 从图 6 可以看出，在接收天线尺寸选定的情况下， 接收功率最大可以超过 130 W；在 0～7 m的范围内接收 功率随着距离的增加急剧下降到 18W 左右；在 7 m之后 缓慢下降，在 12～20 m的研究范围内趋于一个固定值。 nbsp;在 R 2 不变的前提下，距离 L的取值范围不变，R 1 的 取值在 0.3～1.5 m之间，所得出的接收功率 out P 与 L、R 1 的关系函数图像如图 7 所示。 图7 nbsp;接收功率与接收距离、抛物面天线外口径的关系 nbsp;Fig.7 nbsp;Relationship between received power, receiving distance, nbsp;and outside diameter of parabolic antenna 当距离在 0～5 m之间时，随着天线口径的增加，接 收功率明显增加。当距离超过 8 m 时，随着天线尺寸的 增加，接收功率增速较慢。 nbsp;2.3 nbsp;温室内植被散射作用对接收功率的影响 nbsp;前面推导所得出的函数关系图像是建立在理想环境 下，即电磁波的传输过程中不考虑功率的损耗，不考虑 天线馈线的内阻。然而，实际日光温室中复杂的环境及 障碍物的影响，使得电磁波在传输的过程中功率损耗是 不可避免的 [25-26] 。所以，需要考虑日光温室地面植被的 散射 [27] 。 nbsp;试验前，需要明确日光温室的粗糙面（如植被）对 电磁波散射的影响程度。粗糙地面的电磁波散射系数基 尔霍夫近似解 [28-29] 为 nbsp;1 1 exp d 4c o s L xz L i abixix L σξ   ξ θ - ′ ∫ （15 ） nbsp;其中 nbsp; 1 sin 1 sin is aR R θ θ - ； nbsp;1 cos 1 cos is bR R θ θ - -； nbsp;sin sin x is vkθ θ - ； nbsp;cos cos zis vkθ θ -； nbsp;s θ 为散射角， （） ； 30 L λ 为粗糙面长度，m；ξ 为粗 糙面高度，m； i θ 为入射角， （） ；k取 1 [27] ；R 为菲涅耳 反射系数。 nbsp;从式（15）可以看出，植被越高，散射影响越大。 因此选取黄瓜、豆角等具有一定高度的植被覆盖的日光 温室作为试验对象，其内部环境如图 8 所示。 图8 nbsp;冬季哈尔滨市东北农业大学校区某温室内部场景 nbsp;Fig.8 nbsp;Interior scene of a greenhouse in Northeast nbsp; Agricultural University of Harbin in winter 由前面 Ansoft HFSS分析， 所设计天线的入射角范围 在-6060， 因此选取 60 i θ ， 散射角 s θ 的范围 0～90， 从式（15）可以看出，由于入射角 i θ 、L是定值。所以散 射系数是一个与散射角有关的函数，反应了在某一特定 方向上电磁波的散射程度。为了研究植被在水平面上的 前向散射特性，选取不同的散射角度，参考文献[20]，得 出对于黄瓜等有一定高度的植被对电磁波散射在各个散 射方向上的散射程度即散射系数。如图 9 所示。 图9 nbsp;黄瓜等植被的散射在不同散射角度下所对应的散射系数 nbsp;Fig.9 nbsp;Scattering coefficient of scattering of vegetation such as nbsp;cucumber at different scattering angles nbsp;第 16期 王立舒等基于微波传输技术的日光温室无线输电系统设计与试验 219 nbsp;由图 9 可知，传播距离越靠近发射源即散射角越大， 散射的影响越大。日光温室内部的植被在散射角为 90 方向上对电磁波的散射最明显。结合图 9 进一步分析植 被的电磁波散射对接收功率影响，建立植被对电磁波散 射的几何模型，如图 10 所示。接收点的电磁波除了来自 于场源 A 点的水平直射，还有一部分来自于植被的散射 而产生的功率 P s 。B、C点总接收功率 P o P out P s 。 注 A为发射场源，B、C、N为接收点。M为散射点，OM与 AN垂直。G、 F为散射面的 2 个端点。 nbsp;Note A is the source of transmitting field. B, C and N are receiving points. M nbsp; is the scattering point. OM is perpendicular to AN. G, F are 2 endpoints of nbsp;scattering surface. 图10 nbsp;黄瓜等一定高度植被对电磁波散射的几何模型 nbsp;Fig.10 nbsp;Mathematical model of electromagnetic wave scattering nbsp;from vegetation at a certain height such as cucumber 为了求得 P s ，在散射面上任取一点 M，连接 AM，连 线与散射面的夹角，即入射角设为 Q，散射角为 Q 1 。则 有 Q 1 2Q，反射波与水平直射波的焦点为 N。从图 9 中 可知，接收点 N接收到的散射功率为 P MN 的水平分量，假 设电磁波在反射的过程中没有波损耗的前提下，即 P AM P MN 。则可将散射过程分为 AM 的直射段与 MN 的直 射段。在研究过程中，场源 A 与待测点 N 之间的距离， 即直射距离 L 为已知。 nbsp;通过图 10 所示的几何关系得 2cos AM MN L LL Q （16）由公式（16）可以得出点 N处的辐射功率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 π -π   π π - π    π   （17） nbsp;令 32 12 4 6 fRRk π -π   ，则 2 1 48 π cos r N Pk P L Q   （18）其中散射角 Q 1 的范围为09 0 Q ＜ ＜ ，k 为常数。 nbsp;从式（18）及图 9 可以得出随着传播距离的增加， 散射角由 90变化到 0的过程中， 由黄瓜等植被的散射所 产生的辐射功率增量逐渐减小，分析这些位置的总接收 功率需要将 P N 考虑在内。 nbsp;2.4 nbsp;试验结果与分析 nbsp;选取试验记录时间为 2017年 12月 15日 13时 27分。 试验前，通过陀螺仪进行装置水平角度的校验，使发射 端与接收端保持水平一致，手动调节发射端与接收端之 间的距离，采用上位机软件采集不同接收距离所接收到 的电压、电流的数值。测量数据如表 6 所示。 表6 nbsp;日光温室内不同接收距离下的接收端采集数据 nbsp;Table 6 nbsp;Datas collected by receivers at different nbsp; received distances in solar greenhouse nbsp;接收距离 Receiving nbsp;distance /cm nbsp;电压 V oltage/V 电流 Electric current/A 200 7.146 4.764 nbsp;300 7.940 6.352 nbsp;400 6.292 5.588 nbsp;500 9.528 4.764 nbsp;600 7.146 3.176 nbsp;700 5.558 1.588 nbsp;800 3.176 0.794 nbsp;900 2.382 0.382 nbsp;1 000 1.588 0.079 4 nbsp;1 100 0.794 0 将图 6 的理论功率值与表 6 中电压、电流计算出的 实际功率值进行对比，结果如图 11 所示。 图11 nbsp;接收功率理论值与实测值 nbsp;Fig. 11 nbsp;Theoretical and measured value of received power 由图 11 可知，当接收距离在 3～6 m 之间时，由于 电磁波散射的影响，实际功率与理论接收功率相比较有 明显的波动。由前文对散射的分析及式（20）可知，近 地监测点的接收功率除了直射部分，还有来自于散射产 生的辐射功率 P N 的水平分量的作用， 实测功率在 2～3 m、 4～5 m范围内波动较大。接收距离为 3 m处的理论接收 功率约为 25 W，而实际功率约为 37 W。存在大约 12 W 的波动。接收距离 4 m 处的实测功率波动有所下降。这 符合前文所得出的散射作用对接收功率的影响规律。但 是 4～5 m范围内实测功率的波动存在明显上升。所以， 实际测试过程中，除了散射，也要考虑周围电磁波对接 收功率的影响。由于环境电磁波是随时间变化的。因此 引入时间变量，分析不同时间下的接收功率变化。维持 发射及接收端天线的位置高度不变。 设置上位机采集数 据时，每一个时间段里采集 10次，采集间隔为 6 min。 选取其平均值作为该时间段的最终值，结果如表 7～8 所示。 nbsp;从表 7～8 中可以看出，同一接收距离、不同时间段 下所采集的电压与电流在数值上存在不同程度的波动。 700～1700 内各接收距离所接收到的电压、电流的数值 农业工程学报（http//www.tcsae.org） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2018年 nbsp; 220 整体呈逐渐下降的趋势，即接收功率逐渐降低；通过对 同一接收距离、不同时间段下所采集的电压与电流的数 值与其平均值对比，可以看出不同接收距离所接收到的 实际功率在 3 m处的波动较大，最大波动为 17 W。接收 距离在 48 m 时，波动趋于稳定。所以，针对所研究的 日光温室，最佳的接收区域在 3～8 m之间。 表7 nbsp;一天内不同时刻、不同接收距离的电压测试结果 nbsp;Table 7 nbsp;Voltage test results at different times and different receiving distances in one day nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; V nbsp;时间 nbsp;Time nbsp;3 m nbsp;处接收电压 nbsp;Receiving nbsp;voltage at 3 m nbsp;4 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 4 m nbsp;5 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 5 m nbsp;6 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 6 m 7 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 7 m 8 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 8 m 9 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 9 m nbsp;10 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 10 m 11 m nbsp;处接收电压 Receiving nbsp;voltage at 11 m 700～800 5.31 5.63 5.14 4.12 3.76 2.14 0 0 0 nbsp;900～1000 5.70 5.19 4.25 3.94 3.2 2.71 0 0 0 nbsp;1100～1200 5.49 9.22 4.17 3.57 3.18 2.25 0 0 0 nbsp;1400～1500 6.12 4.18 4.42 3.80 3.47 2.47 0 0 0 nbsp;1500～1600 5.75 4.67 3.95 3.92 3.05 1.93 0 0 0 nbsp;1600～1700/p