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太阳能电池与微带缝隙天线一体化设计研究

张彦超  
【摘要】:太阳能在自动通信系统中的应用越来越广泛,正在逐步取代蓄电池成为系统供电的替代方案。该系统中的通信设备经常采用单独的光伏系统和天线设计,使得必须在有限的设备表面可用空间中做出妥协。针对太阳能电池和天线独立设计浪费设备有限表面空间资源的问题,论文围绕太阳能电池与微带缝隙天线的集成设计,研究了电池与天线的叠层集成结构、太阳能天线仿真模型、太阳能天线样机测试及验证、阵列天线波束赋形等,主要研究工作包括:1.根据太阳能电池和微带缝隙天线共有的层状结构特性,提出了一种太阳能电池与微带缝隙天线的叠层集成结构。当太阳能电池的衬底是不锈钢等导电材料时,可以将太阳能电池和微带缝隙天线进行共地设计,有利于提高设备集成度;当太阳能电池的衬底是聚酰亚胺等绝缘材料时,可以将多块太阳能电池串联,有利于提高电池输出电压。该结构可以适配各种材料的太阳能电池,拓展了集成结构的应用场景。2.在叠层集成结构的基础上,建立了太阳能天线的集成仿真模型并分析了电池对天线性能的影响。使用电磁仿真软件设计了单元圆极化微带缝隙天线,在此基础上加入太阳能电池,分别对非晶硅太阳能天线和染料敏化太阳能天线进行了建模仿真和分析。仿真结果表明,太阳能电池对天线的性能影响极小,验证了集成结构的可行性。3.设计了2×2的平面微带缝隙阵列天线,并以此为基础,制备了天线样机、非晶硅太阳能天线样机和染料敏化太阳能天线样机。分别测试了太阳能电池对天线的辐射性能影响和天线对太阳能电池的输出性能影响,尤其在电池对天线的影响测试中加入了电池的输出电流对天线的影响测量。测试结果表明,天线工作与否对电池的输出性能无影响,电池对天线的辐射性能影响较小,电池的输出电流对天线无影响,说明电池和天线之间不存在串扰问题,验证了太阳能天线集成结构及建模仿真的可行性。4.为提高太阳能天线的工程适用性,对2×8的微带缝隙阵列天线进行了波束赋形研究。采用泰勒综合法将天线的最大副瓣电平从-12.98dB降为-20.92dB,采用粒子群算法实现了-22dB的最大副瓣电平和?8~o的平顶波束,采用差分进化算法设计了0~o~60~o的余割平方波束。该研究为太阳能天线在不同场景下的实际应用,提供了天线阵列设计参考。通过本文的研究,提出了一种太阳能电池与微带缝隙天线的叠层集成结构,该结构可有效增加太阳能电池的面积。使用该集成结构的紧凑型通信设备易于小型化、轻量化,在相对获得更多电能的同时能够正常收发电磁信号。


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