350 rub
Journal Antennas №10 for 2011 г.
Article in number:
Estimation of modular focusing phased array antenna performances
Authors:
A. G. Shubov
Abstract:
Focusing electromagnetic field in a Fresnel zone is the problem connected with concentration of microwave radiation power in a limited area of space. Such problem arises, in particular, in systems of Wireless Power Transmission by means of microwave beam (WPT) from remote sources of radiation to rectenna which transforms a microwave energy to a direct current (DC). For effective WPT with small losses it is required usually to create a taper amplitude field distribution (AD) of Gauss form in the transmission antenna aperture whereas a phase distribution (PD) provides a summation of the fields radiated by all elements of the transmission antenna in focus. Phased array antennas (PAA) can be used for this purpose. To create a smooth distribution of the field in the aperture of the PAA consisting separate subarrays it is necessary to apply multi-type modules. An application of the single-type modules allows to lower system cost essentially. However the single-type unified modules with uniform amplitude excitation in their limits lead to formation of step AD in the aperture of the PAA as a whole. Such AD decreases the WPT efficiency because grating lobes arise in this case. In addition, radio noises appear for other systems. Simulation of modular focusing PAA characteristics is performed for WPT application. The planar array with the square aperture and square grid of element arrangement is considered for several variants. PAA with smooth Gauss amplitude distribution (AD) of the field in the aperture is accepted as an initial model. The square-law phase distribution (PD) takes place in this case. Characteristics of PAA with the same PD when the amplitude of the field is a constant within each unified module and in case when АD within each module is non-uniform (the last version is typical for modules with quasi-optical excitation) are estimated also. Characteristics of modular PAA are defined in the plane of focusing and behind it. It is shown that step AD under square-law PD does not lead to essential decrease of transmission coefficient between PAA and rectenna when the sizes of the PAA at least on one or two orders exceed the sizes of modules, and non-uniform amplitude distribution within each module is in limits (2 - 3) dB. Step character simultaneously both AD and PD, causes appreciable increase of grating lobes. Parameters of modular focusing PAA under scanning are estimated. Examples of concrete application of modular PAA for WPT between two satellites are given.
Pages: 65-78
References
  1. Я. С., Лучанинов А. И., Шокало В. М., Коновальцев А. А. Проблема беспроводной передачи энергии // Радиотехника. 2001. № 6. С. 84-98.
  2. Tokana, T., Sugavara, A., Sasaki, S., System considerations of on-board antennas for SSPS // Radio Scince Bulletin. 2004. № 331. С. 16-20.
  3. Shinohara, N., Wireless power transmission for solar power satellite (SPS). http://www.sspi.gatech.edu/wptshinohara.pdf
  4. Gavan, J., Tapuchi, S., Microwave Wireless-Power Transmission to High-Altitude-Platform Systems // Radio Scince Bulletin. 2010. Т. 50. № 334. С. 25-42.
  5. Шокало В. М., Омаров М. А., Грецких Д. В., Лучанинов Ю. А.Моделирование крупноапертурных ректенн космических энергосистем. 1. Модель крупноапертурной ректенны для расчета КПД выпрямления при соосном расположении передающей и приемной апертур и изменяющейся дальности передачи энергии // Радиотехника: Всеукраинский межведомственный науч.-техн. сборник. 2001. Вып. 121. С. 3-10.
  6. Shaposhnikov, S. S., Peculiarity of the WPT Systems and the Generalized Criterion // Report 0346 at the AP' 98 (Davos) Conference. Proñ. 2000. V. 2. P. 385.
  7. Гармаш В. Н., Шапошников С. С.Об устранении в фокальной плоскости систем беспроводной передачи энергии боковых лепестков, ближайших к центральному максимуму, при помощи фазового синтеза // Радиотехника и Электроника. 2005. Т. 50. №8. С. 918-924.
  8. Ванке В. А., Запорожец А. А. Синтез максимально плоской диаграммы направленности передающей антенны тракта передачи энергии СВЧ-пучком // Радиотехника и электроника. 1989. Т. 34. № 12. С. 2643-2647.
  9. Шишлов А. В.Теория и проектирование зеркальных антенн для радиосистем с контурными зонами обслуживания // Радиотехника. 2007. № 4. С. 39-49.
  10. Tolkachev, A. A., Makota, В. А., Pavlova,M. P., Nikolayev, A. M., Denisenko, V. V.,Soloviev, G. K.,A large-apertured radar phased array antenna of Ka band // International Conference Proceedings, Moscow. 1998. P. 15-23.
  11. Shubov, A. G., Shishlov, A. V., Ganin,S. A.,PossibilityofPhasedArrayAntenna(PAA) forFusion // Proceedingsof17thTopicalConference on Radio Frequency Power for Plasma. Clearwater, Florida. May 2007. C. 513-516.
  12. Патент Российской Федерации (RU) № 97103964 МКИ. Способ передачи энергии в вакууме / Аликаев В. В., Егоров А. Н., Латышев Л. А., Семашко Н. Н.: H04B013/00 от 10.08.1998.
  13. Сысоев В. К., Трифонов Ю. М., Андреев В. М., Пичхадзе К. М., Рыженко А. П., Долгомиров В. П., Абросимов А. И., Нестерин И. Н. Проект демонстрационной космической солнечной электростанции // Наукоемкие технологии. 2004. Т. 5. № 2-3. С. 8-17.
  14. Сысоев В. К., Полищук Г. М., Пичхадзе К. М.// ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина». Солнечная космическая электростанция - выбор решения // Электронный научный журнал «Исследовано в России». 2009. С. 572-578 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2009/050.pdf.
  15. Шубов А. Г. О некоторых подходах к созданию систем беспроводной передачи энергии // Радиотехника: Всеукраинский межведомственный науч.-техн. сборник. 2010. № 161. С. 37-51.
  16. Benford, J. and Dickinson, R., Space Propulsion and Power Beaming Using Millimeter Systems // http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/31475/1/95-1158.pdf
  17. Alden, A., A 35 GHz extremely high power rectenna for the microwave lightcraft // First International Symposium on Beamed Energy Propulsion. Huntsvill. Alabama. July 9. 2002.
  18. Alden,A.,Private Communication. March 2011.
  19. Patent 6507152US. Microwave/DC cyclotron converter having decreased magnetic field / Matsumoro, H., Vanke, V. A., Shinohara, N.2003.
  20. Патент Российской Федерации № 01571704. Фазовращатель СВЧ/ ШалякинА. И. 1990.