Расчет КПД передачи излучения СВЧ с солнечной космической электростанции на Землю
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
дная передача энергии с использованием уравнения передачи Фриис
Энергия, поступающая на землю с геостационарной орбиты, может быть вычислена из уравнения передачи Фриис (1). Иллюстрация этого показана на рис. 2.1, где расстояние R - расстояние до спутника на геостационарной орбите. Энергия, собранная приемной антенной с эффективной площадью Аr при передаче с телесным углом ? задается источником излучения L и геометрической пропускной способностью Ar?, как показано в уравнении
;(1)
Рисунок 2.1 - Иллюстрация геометрии передачи
Прежде чем приступить к расчету, надо определить некоторые термины:
Аr,t: эффективная площадь приемной или передающей антенны;
: эффективность приемной или передающей антенны;
?t: телесный угол, под которым видна передающая антенна с эффективной площадью Аt: ();
D: направленность антенны - отношение ее телесного угла к телесному углу изотропного излучателя: ();
Пропускная способность: произведение площади апертуры и телесного угла: ().
В случае больших расстояний телесный угол передающей антенны может быть определен через площадь поперечного сечения пучка (Ab), как показано в уравнении (2). Это же определение через направленность представлено в уравнении (3).
;(2);(3)
Дифракция - причина распространения пучка электромагнитной энергии под углом, определенном в уравнении (4). Это приводит к тому, что площадь луча на земле определяется как показано в уравнении (5), где d-размер, принимающий форму квадрата апертуры. Если принимающая апертура по площади равна площади пучка, то следует ожидать 100% эффективность передачи, (то есть КПД антенны 100%, нет атмосферных потерь и т.д.)
;(4);(5)
С увеличением длины волны (или с уменьшением частоты) или будет пропорционально увеличиваться площадь апертуры, или луч будет распространяться в пропорционально большем телесном углу. Таким образом, большие апертуры необходимы для эффективной передачи на более низких частотах. Отношение мощности излучения к пропускной способности приемника может быть использовано для нахождения получаемой энергии.
Энергия излучения определяется по формуле (6). Определение принимаемой энергии Pr, показанной в уравнении (7) является широко распространенной формой формулы передачи Фриис.
;(6);(7)
Полезной величиной является эффективность передачи, которая может быть определена как отношение полученной энергии к переданной. Это уравнение может быть использовано для объединения эффективностей антенн путем эффективных участков произведением апертур и КПД антенны. Выражение в формуле (8) может быть использовано для оценки эффективности передачи, если пренебречь всеми другими потерями. Максимальное значение эффективности равно 1 (когда Pr= Pt). Эта
оптимальная эффективность реализуется, когда эффективность каждой антенны составляет 100%, а эффективная площадь принимающей антенны равна площади поперечного сечения телесного угла, под которым видна передающая антенна на расстоянии R.
;(8)
На рис 2.2 показана эффективность передачи как функция зависимости от площади принимающей антенны при частоте 2,45 ГГц. Вычисления предполагают, что площадь передающей антенны равна 7,854105 м2, а ее КПД - 100%. Кривые показывают, что необходима чрезвычайно большая площадь ректенны для достижения КПД передачи более 25%. Кроме того, максимальная эффективность передачи в каждом конкретном случае
равна КПД приемной антенны. И КПД передачи будет еще меньше, если не пренебрегать другими источниками потерь.
Рисунок 2.2 - Зависимость КПД передачи от площади ректенны (км2) при частоте излучения 2,45 ГГц
Если частота излучения возрастет до 5,8 ГГц, направленность передающей антенны также увеличится, и освещаемая площадь на земле уменьшится. Следовательно, потребуется меньшая площадь ректенны, чтобы обеспечить высокий КПД передачи, как показано на рисунке 2.3. Однако КПД на ректенне сложно поддерживать на высоких частотах из-за жестких физических допусков на малой длине волны.
Рисунок 2.3 - Зависимость КПД передачи от площади ректенны (км2) при частоте излучения 5,8 ГГц
Если рабочая частота остается на уровне 5,8 ГГц, а КПД передающей антенны снижается до 75%, то эффективность передачи падает до значений, показанных на рисунке 2.4. Луч дифрагируя создает необходимость в увеличении площади ректенны для того, чтобы установить удовлетворяющую эффективность передачи энергии от передающей антенны до ректенны.
Рисунок 2.4 - Зависимость КПД передачи от площади ректенны (км2) при частоте излучения 5,8 ГГц и КПД антенны 75%
Выводы
В данной курсовой работе была рассмотрена передача энергии с солнечной космической электростанции на Землю в виде СВЧ излучения.
В расчетной части представлены формулы для расчета КПД передачи энергии в виде СВЧ излучения с СКЭС на Землю. По результатам расчетов построены графики зависимости эффективности передачи от площади ректенны.
На графиках видно, что зависимость КПД от площади ректенны прямолинейна. Это объясняется тем, что полученная мощность излучения прямопропорционально зависит от передаваемой мощности.
Также можно отметить, что максимальный КПД передачи достигается, когда эффективная площадь ректенны равна поперечному сечению пучка излучения на Земле.
Перечень ссылок
1.Грилихес, В.А. Солнечные космические электростанции [Текс?/p>