Project Loon: 适用于高空气球的无线能量传输与波束形成

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）87www.elsevier.com/locate/icte一种适用于Project Loon的安昌俊千叶大学研究生院工学研究科，千叶县稻上区弥生町1-33，邮编263-8522接收日期：2015年11月5日;接收日期：2015年12月21日;接受日期：2016年2月19日2016年2月27日在线发布摘要最近，谷歌提出了正在开发的Project Loon，其任务是使用高空气球为农村和偏远地区提供互联网接入。在本文中，我们描述了一个适用的原型5.8 GHz的无线电能传输系统与粗糙波束形成方法的Project Loon。从测量结果来看，随着传输距离的增加，发射波束成形相控阵天线与喇叭天线和没有波束成形的阵列天线相比可以更有效地发射功率对于1000 mm的传输距离，发射波束赋形相控阵天线可以获得比无发射波束赋形相控阵天线高约1.46倍的接收功率。c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：无线能量传输;整流天线;波束形成;高空气球;相控阵1. 介绍世界上大多数人无法访问互联网。他们负担不起连接，或者他们居住的地方根本不存在连接。谷歌提出了正在开发的Project Loon，其使命是为农村和偏远地区提供互联网接入[1]。该项目利用放置在平流层约32公里高空的高空气球具有第三代（3G）速度的空中无线网络。该项目考虑为高空气球提供太阳能。然而，由于时间的限制，太阳能的使用是有限的和地点。在夜间，由于太阳能发电系统不能产生电力，因此无法使用高空气球作为空中无线网络。为了克服这个问题，我们将重点放在无线电能传输技术上。通过微波的无线电力传输技术从20世纪60年代开始发展[2]。该技术是将电能从电源传输到电力负载，而无需人工互连导体。在原电子邮件地址：junny@m.ieice.org。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。这篇论文已经由教授处理申炳协在这项技术的形式下，太阳能电池将利用太空中的卫星捕获太阳能并将能量送回地球。这一概念将有助于解决重大的能源危机。但是，由于发射功率会在大范围内传播，因此我们应该考虑对人体和环境的影响。如果我们将电能从地球传输到空气中，上述问题可以大大减少此外，这个概念将有助于解决Project Loon的能源问题。此前，为电动汽车系统开发了具有高性能整流天线的5.8 GHz无线电力传输系统原型[3]。然而，没有传输波束形成，入射功率密度是不均匀的大阵列。因此，并非所有的整流天线元件由于它们的不同位置而具有相同的输出电压。因此，为了提高接收机侧的接收功率密度，需要进行在本文中，我们描述了适用的开发原型的5.8 GHz的无线电能传输系统与粗糙波束形成方法的Project Loon。这里，粗略波束成形意味着利用少量相控阵天线来操作发射波束成形。本文的组织结构如下。在第2节中描述了具有粗略波束成形的无线功率传输。在第3节中，我们展示了http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.02.0112405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。一===Aexp−j 2πSeω0088C. J. Ahn / ICT Express 2（2016）87Fig. 1. 相控阵天线。图二. 喇叭的几何形状图三. 高斯光束传输示意图。2.2. 喇叭天线图图2示出了喇叭的一般几何形状。矩形喇叭从具有平坦金属壁的矩形或正方形波导向外展开。一般来说，沿着侧边的倾斜半径将是不相等的。波导尺寸是宽度a和高度a。B. 孔在磁平面中具有宽度A，B在飞机上。每个光圈坐标都有自己的系统实验结果。最后给出了结论二次相位分布常数S=B2 ，S=一个2，在第4节。其中R和Re8λRah8λRba b是从连接点到2. 具有粗糙波束成形的无线功率传输2.1. 发射波束成形投影侧分别到磁平面和电平面的孔径中心。最低阶波导模的场分布为E E0cosπx。结合这些思想，口径电场在喇叭端逐渐变化，口径电场近似为[4]图图1示出了相控阵天线的线性布置通过间隔λ/2的各向同性辐射元件，其中λ是阵列的中心频率f0的波长。指向性πxπ2012年2月2日B100x100mm一模式，即，对来自各个方向的信号的响应的相对灵敏度在一个平面内，−π/2Θ<π/ 2，频率为f0。<定向图案以Θ=0为中心如果Θe =0，则方向性图案具有其将喇叭相控阵天线的每个阵元视为一个受衍射限制的高斯波束。 在z = 0（trans-surf a ce）处，电场分布[5]为E（ri，0）=是对称的，因为Θ。如果Θ=0，则主瓣E（0，0） exp--，其中ω表示光束半径在Θ弧度的角度（波束转向角）处的主瓣在在这种情况下，每个元件的输出在时间上被延迟的每个元件的延迟距离计算为θ=d·sinΘ，（1）其中d是天线元件之间的间隔相位差θ与波束转向角Θ之间的关系通过下式计算：2 πλ λ=（二）最大转向角由下式获得：E=E0cos+Sh.（三）=−+−=我z0，称为束腰半径，ri表示第i个元素与轴的垂直距离传播为r i（x个（一）2（年y i）2，其中（xi，yi）是第i个元素的中心位置。图3示出了曲率半径的行为。正如你所看到的，束腰半径与光束的最小半径相同，这里的曲率半径是无穷大，这是平面波前的特征如果我们取束腰处的轴上振幅为1，则第i个单元的电场表达式可以通过使用基本高斯光束模式获得：E（ri，z）E（0，0）ωω0Θmsin−1（λ/ 2d）。因此，最大转向角是反比例的，取决于一个-×预期R-R2j2πzjπr2- −i+jφ0、（四）天线元件ω2λ λR=0 0××××0、z02 21=-2C.- J. Ahn / ICT Express 2（2016）87-9089(a) 发送器（b）接收人。见图4。 实验配置。其中φR是曲率半径，R=z+1 <$πω2/λ<$2，以及ω是z处的光束半径，如ω=ω01+λz/πω0。2.3. 整流天线整流天线，即整流天线，是无线电力传输中的主要部件之一。整流天线由天线、匹配电路和整流电路组成。在整流天线的设计中，微带偶极子天线和贴片天线被广泛使用。本文采用微带贴片天线，由于其小尺寸的制造，无偏振特性。整流电路是提高射频-直流转换效率的关键元件。整流电路选用肖特基二极管HSMS-8202所开发的整流天线在5.8 GHz的频率下显示出最大增益为6.2dBi，PTFT（Teflon）板的介电常数为10，厚度为1.6 mm [3]。通常，较高的DC输出电压导致较小的结电容，这也提供了更好的转换效率。宽带电容C08BLBB1X5UX被选为直流通滤波器。3. 实验结果图4示出了发射波束成形无线电力传输系统的实验配置。该系统由场效应晶体管（FET）振荡器提供，并使用功率分配器分成四个移相器。每个输出信号的相位由移相器控制。在这个实验中，我们使用了四个移相器与5.625度。解决方案。因此，相位由控制PC粗略控制。此外，我们没有使用任何反馈信息来计算每个输出信号的相位，因为我们已经知道到目标物体的传输距离四场效应管放大器，plifiers与每个1瓦的输出功率被用来有总共4瓦。喇叭末端的尺寸为112 mm × 85 mm，四个喇叭天线如图4所示排列。喇叭天线增益为16dBi。喇叭天线与整流天线阵列中心的距离分别为200 mm、400 mm、600 mm、800 mm和1000 mm。的图五. 估计的光束特性。4 4整流天线阵列由16个贴片天线组成，每个贴片天线的尺寸为19 mm × 15 mm。由于5.8 GHz是ISM频段，所以采用了5.8 GHz的整流天线。在这种情况下，实验无线电力传输不需要许可证。然而，可能的传输功率也是有限的。因此，在该实验中，使用4瓦作为发射功率。采用4 × 4整流天线阵，负载电阻取50Ω.图5示出了喇叭天线和发射波束成形相控阵天线的估计波束特性。在没有波束形成操作的情况下，喇叭天线显示出宽波束特性，波束发散度为38 °。另一方面，波束成形相控阵天线示出了作为22度的波束发散的窄波束特性。与喇叭天线相比为了阐明光束特性，光束质量（M2）定义为[6]M2wtanθdiv，（5）w0tanθdiv 0其中θdiv是估计的光束发散度，θdiv， 0是衍射受限高斯光束的光束发散度，tanθdiv， 0=λ/（π·d）。 根据θdiv= 10的结果。87度，和==-90度- J. Ahn / ICT Express 2（2016）874. 结论在本文中，我们已经开发了一个适用的原型5.8 GHz的无线电能传输系统与粗糙波束形成方法的Project Loon。根据测量结果，与喇叭天线和没有波束成形的阵列天线相比，发射波束成形相控阵天线可以随着传输距离的增加（例如，800 m和1000 mm）更有效地发射功率。特别地，对于1000 mm的传输距离，发射波束成形相控阵天线可以获得大约1.46与没有波束成形的阵列天线相比，确认见图6。接收功率与传输距离。θdiv， 0八、6 °，光束质量为M210. 87/8。61 .一、26.发射波束形成相控阵天线可以实现波束质量的改善。如果我们增加相控阵天线的面积，波束质量可以得到显著改善图6示出了具有和不具有波束成形的喇叭天线和阵列天线的接收功率与传输距离的关系。从测量结果来看，随着发射距离的增加（如800 m和1000 mm），发射波束成形相控阵天线的发射功率比喇叭天线和无波束成形阵列天线更有效，特别是在1000 mm的发射距离下，发射波束成形相控阵天线的接收功率比无波束成形阵列天线高出约1.46倍.这项工作得到了科学研究基金的支持(C)26420339号，日本科学促进会（JSPS）。引用[1] http://www.google.com/loon/，2015年10月11日访问。[2] W.C. 布朗，无线电波输电的历史，IEEETrans.Microw。理论技术32（9）（1984）1230-1242。[3] C. 安氏T.Kamio，H.Fujisaka，K.Haeiwa，5.8 GHz的原型用于电动车辆系统的无线电力传输系统，在：Proc.IEEE环境科学与技术国际会议，ICEST 2011，新加坡，2011年1月，第111页。128比131[4] T. Milligan，现代天线设计，第二版，约翰·威利父子公司2005年，ISBN：13978-0-471-45776-3。[5] P. 戈德史密斯， 准光学 系统： 高斯 光束准光学Propogation and Applications，Wiley-IEEE Press，1997，ISBN：978-0- 7803-3439-7。[6] K. Komurasai，T. 中川，S.Ohmura，Y.Arakawa，能量传输在太空中使用光学相控阵，trans.JSASS空间技术。日本3（2005）7-11。