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 雷，王锦锋，文竞晨，乔帅翔，王书宇

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

0 引 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。

1 光伏发电微波无线电力传输试验系统

1.1 系统组成及工作原理

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。

图1 系统组成Fig.1 System composition

具体器件参数如表1、表2所示。

表1 磁控管CK-620A参数Table 1 Parameters of magnetron CK-620A

表2 YMD-852T高压变压器参数Table 2 Parameters of YMD-852T high voltage transformer

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。

1.2 微波无线发射天线的尺寸确定

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。

图2 矩形喇叭天线尺寸与结构图Fig.2 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]。

式中Eys为矩形喇叭天线口径场的场强，W/m2；为矩形喇叭天线口径中心的场辐射，W/m2；A1是取决于激励长度的常数；k为自由空间的电磁波波数，在最佳增益设计时，矩形喇叭天线的增益[19]

矩形喇叭天线的尺寸关系为[19]

由式（2）、（3）可以得出

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所以波导的长度选取时要大于矩形喇叭天线馈电点与短路板之间的距离，这里选取波导的长度具体参数如表3所示。

表3 矩形喇叭天线尺寸参数Table 3 Size parameters of rectangular horn antenna cm

2 传输系统接收功率的影响因素分析

2.1 试验系统平台

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Pout的影响。

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 测试系统组成图Fig.3 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I2C，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。

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。

表4 CS5460电压电流检测传感器参数Table 4 Parameters of CS5460 voltage and current detection sensor

表5 ADIS16365陀螺仪参数Table 5 Parameters of ADIS16365 gyroscope

图4 试验现场及数据采集端Fig.4 Test site and data acquisition terminal

2.2 接收距离对系统接收功率的影响

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 W。矩形喇叭天线增益仿真结果如图5所示。

图5 矩形喇叭天线在发射频率2 450 MHz下的电磁波水平面辐射增益图Fig.5 Electromagnetic wave horizontal radiation gain diagram of 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。由于其中Emax为最大方向上的辐射电场，W/m2。E0为理想无方向性的天线处于同一位置的辐射电场，W/m2。假定理想矩形喇叭天线的输入功率Pin与辐射功率Pr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

式中L为接收距离，m；Pin为矩形喇叭天线的输入功率，W。

由此可以得出

代入式（1）得

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]

式中E(x,y)为矩形喇叭天线在任意方向上的场强，W/m2。将式（7）代入式（8）可以得出

矩形喇叭天线的功率密度（W/m2）[23-24]

由式（10）可以得出天线矩形口径面辐射功率

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Pr不变，因此可以得出距离为L处的电场辐射密度W/m2。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SAB大小为抛物面外口径R1所对应的面积SA去除内口径R2所对应圆形面积后的区域，即SAB=SA-SB。则距离L处的接收端天线所接收到的功率Pout=PonSAB。建立直角坐标系可以得出天线抛物面面积SA为

式中R1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。

式中R2为抛物面天线内口径，m

距离L处的接收端天线所接收到的功率

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rP，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R1=0.5 m，内径R2=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outP与L的关系曲线如图6所示。

图6 接收功率与接收距离的关系Fig.6 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。

在R2不变的前提下，距离L的取值范围不变，R1的取值在0.3～1.5 m之间，所得出的接收功率与L、R1的关系函数图像如图7所示。

图7 接收功率与接收距离、抛物面天线外口径的关系Fig.7 Relationship between received power, receiving distance,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。

2.3 温室内植被散射作用对接收功率的影响

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]。

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s

q为散射角，（°）；30Ll=为粗糙面长度，m；z为粗糙面高度，m；iq为入射角，（°）；k取1[27]；R为菲涅耳反射系数。

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 冬季哈尔滨市东北农业大学校区某温室内部场景Fig.8 Interior scene of a greenhouse in Northeast 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因此选取散射角的范围0°～90°，从式（15）可以看出，由于入射角是定值。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 黄瓜等植被的散射在不同散射角度下所对应的散射系数Fig.9 Scattering coefficient of scattering of vegetation such as cucumber at different scattering angles

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Ps。B、C点总接收功率Po= Pout+Ps。

图10 黄瓜等一定高度植被对电磁波散射的几何模型Fig.10 Mathematical model of electromagnetic wave scattering from vegetation at a certain height such as cucumber

为了求得Ps，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Q1。则有Q1=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PMN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PAM=PMN。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。

通过图10所示的几何关系得

由公式（16）可以得出点N处的辐射功率

其中散射角Q1的范围为k为常数。

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PN考虑在内。

2.4 试验结果与分析

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 日光温室内不同接收距离下的接收端采集数据Table 6 Datas collected by receivers at different received distances in solar greenhouse

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 接收功率理论值与实测值Fig. 11 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PN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。

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。7:00～17:00内各接收距离所接收到的电压、电流的数值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4~8 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 一天内不同时刻、不同接收距离的电压测试结果Table 7 Voltage test results at different times and different receiving distances in one day V

表8 一天内不同时刻、不同接收距离的电流测试结果Table 8 Current test results at different times and different receiving distances in one day A

3 提高日光温室无线传输效率的方法探究

前文分析与试验表明，接收距离为3 m处所接收到的平均功率不足27 W。在满足接收距离的前提下，转化效率是接下来需要解决的主要问题，通过增加发射功率来提高转化效率的方式是不可行的。无线电力传输过程中的散射、空间电磁波等环境因素不可改变，接收电路体积也不宜过大。因此，提高转化效率最可能在发射端寻求改变。对于发射端，需解决在有限的输入功率前提下，提高发射效率。这就需要在发射源、发射天线、发射频率、硬件设计上入手。

3.1 微带天线阵列及变容二极管自动调相器设计方案探究

微带天线阵列是通过波的干预使其发射定向性。如图12a所示为微带天线阵的结构图。高频信号通过微波源连接头与RC自动调相器连接，经过RC自动调相器(图12b)使输入的高频信号同相位，最终通过馈线、阻抗变换器与微带天线阵相连，信号最终由辐射贴片发射到空间。

如图12所示，参考信号、发射信号经过模拟乘法器得到2个信号间的相位差。该相位差反馈作用于RC变容二极管调相器，由RC变容二极管调相器对发射信号调相后，由于有反馈环节的参与。此过程重复进行，直至参考信号与发射信号同相位，以此达到自动调相的目的。

在各组阵元信号间同相的前提下，对图 13a所示的6×7结构的微带天线阵列运用ANSYS对其进行仿真分析[30]，其辐射增益结果如图13b所示。

由图13可知，6×7结构的微带天线最大辐射方向的增益G=19.28 dB，由前文图5可知，采用矩形喇喇天线的最大辐射增益为19 dB，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。使用微带天线阵列与矩形喇叭天线相比，天线的辐射增益有所提升，即天线的定向性要好一些。

图12 微带天线阵结构发射系统Fig.12 Launch system of microstrip antenna array structure

图13 6×7微带天线阵列及其增益仿真Fig.13 Microstrip antenna array of 6×7 structure and its radiation gain simulation

将系统的发射天线换成图13的6×7微带天线阵列，采用第 2节的试验方法，得出接收功率随接收距离的变化曲线，并与前文采用矩形喇叭天线所得出的接收功率曲线对比。结果如图14所示。

图14 改进前后接收功率对比Fig.14 Comparison of received power before and after structure improvement

从图14可以看出，采用微带天线阵列的方式使得系统的接收功率与改进前采用矩形喇叭天线相比，有所提高。对曲线各处的功率增量取其均值，可以看出采用微带天线阵列所接收到的功率比改进前平均提高了大约1.58 W。

3.2 低功率损耗的微波发射源设计方案探究

传统的微波发射端构成如图15a所示。由外部电源电路、振荡环节与功率放大环节构成。振荡环节用于产生高频信号，一般产生的功率很小，需要经功率放大电路进行功率放大。振荡选频电路将输入信号进行选频，滤除与选频网络频率不一致的信号。只保留与其频率一致的信号，经功率放大器输出。可以看出，此过程中的能量在选频过程中有很大损失。而且需要外部电源提供额外的能量。减少发射源的功率损耗可从这部分的损耗入手，将其进行利用。由此提出图 15b所示的低功率损耗微波发射源结构。为了减少选频网络中的能量损耗，选用倍频器代替传统微波发射端的振荡选频环节。信号经倍频电路转化为带有直流分量的高频信号，可用 T型网络收集其产生的直流分量，并将此直流分量作为功率放大环节的电源。

图15 传统与低功率损耗的微波发射电路构成Fig.15 Composition of conventional and low power loss microwave transmitting circuit

4 应用前景展望

本文所研究的基于微波传输技术的日光温室无线输电系统及试验分析的结果不仅适用于日光温室，在能源的供应方式、传输方式上，对于其他领域都具有很大的优势。例如，在农业领域，农田、温室内的照明、传感器等一些电子设备可以用无线输电的方式进行供电。随着微波无线输电技术的研究，在实际生活中，我们所使用的电子设备也可以运用微波无线输电的方式供电。在空间领域，微波无线输电方式使宇宙中的太阳能传至地球表面已成为可能。

但是，无线输电技术目前仍处于初级发展阶段，如何设计出高效的发射装置仍是急需攻克的难题。例如，微波发生器的创新型设计需解决在有限的输入功率前提下提高发射效率。这就需要在发射天线、发射频率、硬件设计上入手，提出或改进现有的微波产生方式。比如，如何降低微波发生器在产生微波的过程中造成的能量损耗、如何进一步提高发射天线的定向性、如何降低无线输电过程中带来的电磁波辐射等等，这些都是需要优化和解决的问题。

5 结 论

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。在保持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，首先，在假设日光温室内部环境理想的前提下，运用微波传输技术及能量守恒定律，理论及仿真分析表明：

1）接收天线尺寸固定的前提下，在 0～7 m 的范围内接收功率随着接收距离的增加急剧下降；接收距离大于7m后缓慢下降，在12～20 m范围内趋于一个固定值。

2）接收距离在 0～5 m 之间时，随着天线口径的增加，接收功率明显增加。当接收距离大于8 m时，随着天线尺寸的增加，接收功率增速较慢。

其次，分析了温室内部植被的散射作用、环境电磁波对接收功率的影响，并通过试验得出：

① 距离场源较近的位置，接收功率易受散射的影响。在0～8 m范围内所接收到的电磁波在1 d内存在着不同程度的波动。在3～5 m内波动较明显，5～8 m之间趋于平缓。分析这些位置的总接收功率需要将散射所产生的影响考虑在内。

② 无线输电所能覆盖的有效范围在 0～8 m 之间。在此范围内所能接收到的功率随着接收距离的增加而降低，其范围在30～0W之间；所接收到的电压在6～1 V之间，电流在5～0 A之间。

再次，本文针对日光温室无线传输效率问题展开探究，从微波发射源及发射天线入手，在微波发射源设计问题上，提出了相应的设计方案，仿真说明了其工作原理。在探究微带天线阵列对传输效率提高的过程中，进一步通过试验说明微带天线阵列对日光温室无线传输效率的提高。

① 6×7结构的微带天线阵列最大辐射方向的增益G=19.28 dB，微带天线阵列与矩形喇叭天线相比，增益有所提升，即天线的定向性要好一些。

② 采用微带天线阵列对系统进行测试表明，在 0～8 m的范围内，采用微带天线阵列的发射方式比改进前采用矩形喇叭天线的发射方式所接收到的功率平均提高约1.58 W。

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