一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)的平面陣列天線布陣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)的平面陣列天線 布陣方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線能量傳輸（Wireless Power Transmission)是將能量W微波的形式，從一點(diǎn) (一個區(qū)域）傳輸?shù)搅硪稽c(diǎn)（另一個區(qū)域），而無需利用傳輸線纜的一種具有廣泛應(yīng)用前景 的新型技術(shù)。該技術(shù)可用來為固定系統(tǒng)如汽車、手機(jī)等和移動系統(tǒng)如無人機(jī)，飛艇等供電。
[0003] 此外，無線能量傳輸?shù)囊粋€重要的潛在應(yīng)用對象是空間太陽能電站（Space Solar Power Satellite)?？臻g太陽能電站是在無線能量傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的，具體是指在 太空中通過聚光器收集太陽能，然后將太陽能通過光伏電池轉(zhuǎn)換為電能，最后將電能W微 波形式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。
[0004] 無線能量傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射天線系統(tǒng)和接收天線系統(tǒng)兩個部分。發(fā)射天線被用來 發(fā)射高功率微波，而接收天線被用來接收入射的高功率微波，同時通過整流電路將收集到 的微波能轉(zhuǎn)換為直流電并輸送到地面電網(wǎng)。相控陣天線具有波束指向易調(diào)整，精度高且便 于模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被視為最合適的發(fā)射天線類型。如何提高相控陣天線的無線能量傳 輸效率是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
[0005] 波束收集效率炬earnCollectionEfficiency)是衡量無線能量傳輸效率的一項(xiàng) 關(guān)鍵指標(biāo)，被定義為福射到接收天線的能量與發(fā)射天線總福射能量的比值，它與發(fā)射天線 的設(shè)計(jì)（饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)W及陣元布陣設(shè)計(jì)）密切相關(guān)。
[0006]目前，國內(nèi)外關(guān)于如何設(shè)計(jì)發(fā)射天線使得波束收集效率炬C巧最大化的研究主要 有W下幾種方法：
[0007] (1)在陣元位置給定的情況下，通過優(yōu)化每個陣元的激勵系數(shù)（激勵幅度和相位） 求得最優(yōu)的 BCE。女日在 G. Oliveri, L. Poli, A. Massa. Maximum efficiency beam synthesis of radiating planar arrays for wireless power transmission. IEEE Trans. Antennas Propag. , vol. 61, no. 5 May 2013中研究了在均勻布陣情況下，通過優(yōu)化陣元激勵使得波束 收集效率最大。研究表明，當(dāng)陣元激勵幅度滿足"近似高斯分布"時，波束收集效率最大。
[0008] (2)在陣元位置給定的情況下，采用"邊緣錐削"方法，來獲得較高的BCE。如 在 A. K. M. Baki, N. Shinohara,比 Matsumoto, etc. Study of isosceles trapezoidal edge tapered phased array antenna for solar power station/satellite. lEICE Trans. Commun. , vol. E90-B, no. 1, Apr. 2008中研究了均勻布陣情況下，當(dāng)陣元激勵呈"等腰梯形" 分布時，可獲得較高的波束收集效率。
[0009] 但是，上述方法存在兩點(diǎn)不足。第一，在實(shí)際工程中，"近似高斯"型激勵和"等腰 梯形"型激勵的波束形成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)存在不同程度的困難。第二，陣列邊緣區(qū)域的陣元激勵 幅度相對于中屯、位置陣元激勵幅度很小，導(dǎo)致陣面口徑利用率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明目的；本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題做出改進(jìn)，即本發(fā)明公開了一種 面向無線能量傳輸系統(tǒng)的平面陣列天線布陣方法。該方法是在所有陣元的激勵滿足均勻分 布的前提下，通過優(yōu)化陣元位置實(shí)現(xiàn)波束收集效率最大化，該樣簡化了陣列天線的波束形 成網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，易于工程化實(shí)現(xiàn)，可用于指導(dǎo)無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射天線設(shè)計(jì)。
[0011] 技術(shù)方案；一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)的平面陣列天線布陣方法，包括W下步 驟：
[0012] (1)計(jì)算陣列天線的場強(qiáng)方向圖
[001引若陣列天線有4N個陣元，且位于xoy平面內(nèi)，所有陣元的位置關(guān)于X軸和y軸對 稱且每個陣元各向同性，陣列天線的場強(qiáng)方向圖F(u，v)根據(jù)公式（1-1)得出：
[0014]
。-1)
[001引式中I。，A和（X。，y。）分別為第n個陣元的激勵幅度、相位和位置坐標(biāo)；&二^， 入是天線工作波長，M = sin0cx)s口，v = sin6sin口，0和口分別為觀察點(diǎn)的俯仰角和方位 角，j為虛數(shù)單位，y = ，k表示波數(shù)；
[001引若陣列天線的所有陣元的激勵均勻分布，不失一般性，則1。= 1， A二0 (。= 1，2，...，六0，則公式（1-1)可簡化為；
[0017]
(1-2)
[001引其中，《=^山0?)5^!5，1; = 41005山戶，0和口分別為觀察點(diǎn)的俯仰角和方位角，^- 為虛數(shù)單位，J = ，k表示波數(shù)，（X。，y。）為第n個陣元的位置坐標(biāo)；
[0019] (2)計(jì)算陣列天線的功率方向圖
[0020] 由公式（1-2)得到的場強(qiáng)方向圖F(u，V)，根據(jù)F(u，V)得到陣列天線的功率方向圖 P(u,v):
[0021]
(2-1)
[002引其中，i< = sin0cos戶，v = sin0sin夢，0和口分別為觀察點(diǎn)的的俯仰角和方位 角，j為虛數(shù)單位，y = ，k表示波數(shù)，（X。，y。）為第n個陣元的位置坐標(biāo)；
[0023] (3)計(jì)算波束收集效率
[0024] 若接收區(qū)域?yàn)閳A形區(qū)域R，R的定義如公式（3-1)所示：
[002引
（3-1)
[002引其中0。為接收區(qū)域邊界與原點(diǎn)的夾角，W二sinCcos皆，V = sin6sin0，0和戶分 別為觀察點(diǎn)的俯仰角和方位角，
[0027] 則陣列天線的波束收集效率BCE為：
[0028]
[0029] 其中，P,為福射到接收天線的功率，P。為發(fā)射天線總發(fā)射的功率，和Q分別 為接收區(qū)域的立體角和整個可視區(qū)域的立體角；
[0030] 若接收區(qū)域?yàn)榫匦螀^(qū)域，矩形區(qū)域的定義如公式（3-3)所示，
[00引]R= {(U,V) : U《U0,-v〇《V《V〇} (3-3)
[00礎(chǔ)其中，w0 =sin6,cos妍，v0 =sin00sin妍，0。和I妍分別為觀察點(diǎn)的俯仰角和方位 角，
[0033]則陣列天線的波束收集效率BCE為；
[0034]
[00巧]其中，P,為福射到接收天線的功率，P。為發(fā)射天線總發(fā)射的功率，1])和Q分別 為接收區(qū)域的立體角和整個可視區(qū)域的立體角；
[0036] (4)根據(jù)如下優(yōu)化模型使用粒子群優(yōu)化算法對陣元位置進(jìn)行優(yōu)化：
[00；37] find X = (X"又2...,Xn, Xn…...，X2n)t
[0038] min f狂）=-BCE
[0039] s. t. l〇《Xn《L
[0040] X H
[00川式中，設(shè)計(jì)變量X=(X。X2.. .，Xw, Xw+i,. . .，X2w)T是位于第一象限的子陣位置坐標(biāo)， X。和X W+。分別為第n個陣元的X和y坐標(biāo)，，f狂）是負(fù)的波束收集效率，1。和h。分別為給定 的固定值；L和H分別為子陣的長度和寬度；
[004引妨步驟（4)中的優(yōu)化采用粒子群優(yōu)化算法，種群規(guī)模取為100,進(jìn)化代數(shù)取為 2000,慣性權(quán)重隨著進(jìn)化代數(shù)從0. 9線性遞減到0. 4,加速因子取為2;
[0043] (6)判斷優(yōu)化后的波束收集效率是否滿足W下要求：
[0044] 當(dāng)接收區(qū)域?yàn)閳A形區(qū)域時，
[0048] 如果滿足，則該陣列天線設(shè)計(jì)方案符合要求，否則重新開始優(yōu)化過程，重復(fù)步驟 (2)至步驟巧），直到波束收集效率達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的要求。
[0049] 有益效果；本發(fā)明公開了一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)的平面陣列天線布陣方法具 有W下有益效果：
[0050] 1、該方法降低了陣列天線波束形成網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，易于工程化實(shí)現(xiàn)；
[0051] 2、該方法可獲得高的波束收集效率W及低的副瓣電平。
【附圖說明】
[0052] 圖1是本發(fā)明的發(fā)射天線和接收天線示意圖；
[0053] 圖2是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0054] 圖3是優(yōu)化后的陣元位置圖；
[0055] 圖4是優(yōu)化前后W及參考文獻(xiàn)的U方向功率方向圖對比圖；
[0056] 圖5是優(yōu)化前后W及參考文獻(xiàn)的V方向功率方向圖對比圖；
【具體實(shí)施方式】：
[0057] 下面對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】詳細(xì)說明。
[00則具體實(shí)施例1
[0059] 如圖1和圖2所示，一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)的平面陣列天線布陣方法，包括W 下步驟：
[0060] (1)計(jì)算陣列天線的場強(qiáng)方向圖
[0061] 若陣列天線有4N個陣元，且位于xoy平面內(nèi)，所有陣元的位置關(guān)于X軸和y軸對 稱且每個陣元各向同性，陣列天線的場強(qiáng)方向圖F(u，v)根據(jù)公式（1-1)得出：
[0062]
。-1)
[006引式中I。，A和（x"，y。）分別為第n個陣元的激勵幅度、相位和位置坐標(biāo)；= 入是天線工作波長，科，V二sin6siw, 0和^分別為觀察點(diǎn)的俯仰角和方位 角，j為虛數(shù)單位，/ = ，k表示波數(shù)；
[0064] 若陣列天線的所有陣元的激勵均勻分布，不失一般性，則1。= 1， A 二0 (? = l，2，."，A〇,則公式（1-1)可簡化為；
[0065]
[006引其中，！<=加00)8與，1' =加08^界，0和界分別為觀察點(diǎn)的俯仰角和方位角，^- 為虛數(shù)單位，y = ^^，k表示波數(shù)，（X。，y。）為第n個陣元的位置坐標(biāo)；
[0067] (2)計(jì)算陣列天線的功率方向圖
[0068] 由公式（1-2)得到的場強(qiáng)方向圖F(u，V)，根據(jù)F(u，V)得到陣列天線的功率方向圖 P(u,v):
[006引
（2-1)
[0070] 其中，M = sin0c;os皆，v = sin0sm口，0和口分別為觀察點(diǎn)的的俯仰角和方位 角，j為虛數(shù)單位，i = ，k表示波數(shù)，（X。，y。）為第n個陣元的位置坐標(biāo)；
[0071] (3)計(jì)算波束收集效率
[0072] 接收區(qū)域?yàn)閳A形區(qū)域R，R的定義如公式（3-1)所示：
[007引
（；3-1)
[0074]其中00為接收區(qū)域邊界與原點(diǎn)的夾角，w=sin0cos口，v=sin0siw, 0和餐分 別為觀察點(diǎn)的俯仰角和方位角，
[0