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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

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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 6×7 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 08 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;doi:10.11975/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:1002-6819(2018)-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,2018,34(16):214224. &nbsp; &nbsp;doi:10.11975/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 technologyJ. Transactions of the Chinese Society of &nbsp;Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 214224. (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。Email:wanglishuneau.edu.cn &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 4(8,9). &nbsp;Rectangular horn antenna (Magnetron CK-620A, YMD-852T high voltage &nbsp;transformer) 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 transformer &nbsp; 参数 parameters 值 Va l u e &nbsp;初级绕组 Primary winding/ 1.45 &nbsp;次级绕组 Secondary winding/ 85112 &nbsp;灯丝绕组 Filament winding/ 700 &nbsp;输入电压 Input 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 ys 0 1 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 = ,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 = 。在最佳增益设计时,矩形 喇叭天线的增益 1911 2 4 0.5 Ga b , 1 3 e aR , 1 2 h bR (2) &nbsp;矩形喇叭天线的尺寸关系为 1921 1 h a Raa = -(3) &nbsp;由式(2) 、 (3)可以得出 1 1 3 eh aa RR a - = (4) 2 1 1 () 2 e b= b+b+8 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 , 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 = 。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 NRF24L01+PA+LNA 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、NRF24L01+PA+LNA 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 4.755.25 &nbsp;功耗 Power consumption/mW &lt;0.1 &nbsp;耐温范围 Temperature range/ -4085 &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 1.72.8 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 G=19 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 (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 -+ -+ = (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 22max () () Ex ,y Fx ,y E = (8) &nbsp;式中 E(x,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 -+ = (9) &nbsp;矩形喇叭天线的功率密度(W/m 2 ) 23-2422 max | | () | () 240 EF x , y px ,y= (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 - -+ - = = = (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 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 = 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 - + =× =× = (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 = - (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 -+ - =- = - , &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 020 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 07 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 1220 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 0.31.5 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 05 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 - =+ (15 ) &nbsp;其中 &nbsp;( 1 )sin ( 1 )sin is aR R =-+ +; &nbsp;(1 )cos (1 )cos is bR R =+- -; &nbsp;(sin sin ) x is vk = - ; &nbsp;(cos cos ) zis vk =-+; &nbsp;s 为散射角, (°) ; 30 L = 为粗糙面长度,m; 为粗 糙面高度,m; i 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-60°60°, 因此选取 =60 i °, 散射角 s 的范围 0°90°, 从式(15)可以看出,由于入射角 i 、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 =- + =- (17) &nbsp;令 32 12 4 6 fRRk - = ,则 2 1 48 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 36 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 23 m、 45 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 45 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 78 所示。 &nbsp;从表 78 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。 7:0017:00 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 38 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 7:008:00 5.31 5.63 5.14 4.12 3.76 2.14 0 0 0 &nbsp;9:0010:00 5.70 5.19 4.25 3.94 3.2 2.71 0 0 0 &nbsp;11:0012:00 5.49 9.22 4.17 3.57 3.18 2.25 0 0 0 &nbsp;14:0015:00 6.12 4.18 4.42 3.80 3.47 2.47 0 0 0 &nbsp;15:0016:00 5.75 4.67 3.95 3.92 3.05 1.93 0 0 0 &nbsp;16:0017:00</p>

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