CN101860088B - 用于飞艇的微波无线传能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波无线传能飞艇，属于航空飞行器技术领域。其由油机电站、市电、微波发射设备、发射天线阵列、接收天线阵列、配电盒、直流负载、交流负载、艇上控制单元、艇上通信设备、地面通信设备、地面控制单元和指向跟踪伺服单元组成。油机电站或市电发出的电能经微波发射设备转化为微波能量并由发射天线阵列辐射至空中，飞艇上的接收天线阵列接收微波能量并转化为电能供负载使用。同时飞艇可采集接收天线处的场强变化，并反馈至地面。地面天线可根据飞艇接收天线处的场强变化，调整发射波束指向，跟踪飞艇位置变化。本发明突破飞艇能源获取途径的瓶颈，为飞艇的能源获取提供了新的方法，有利于飞艇实现飞艇高空长航时飞行。

Description

用于飞艇的微波无线传能系统

技术领域

本发明涉及一种用于飞艇的微波无线传能系统使，属于航空飞行器技术领域。

背景技术

飞艇作为一种轻于空气的飞行器，具有效费比高且可重复使用等特点，近年来受到极大重视。但是现有飞艇多携带发动机作为动力来源，同时使用发动机配套的发电机为艇上用电设备提供电能。受携带燃料限制，飞艇需要经常返场补充燃料，因此难以实现长时间不间断滞空巡航。

近来有人提出使用太阳能电池作为飞艇的能量来源，使用高功率电动机为飞艇提供动力，从而避免了携带燃料限制，但受天气和昼夜交替限制，仍难实现长时间不间断巡航。有人进一步提出使用蓄电池作为太阳能电池的补充，当太阳能电池可以提供电能时，除为飞艇艇上用电设备提供电能外，还利用剩余电能对蓄电池充电；当受天气影响或者夜间，太阳能无法提供电能时，利用蓄电池为飞艇用设备提供电能，但是这种方案需要携带的蓄电池数量多，重量大，严重限制了飞艇的有效载荷重量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足之处，提供一种既无需中途返场补充燃料，也不受天气和昼夜变化影响，能够提供稳定、可靠的大功率电能供给的用于飞艇的微波无线传能系统。

其技术方案是：一种用于飞艇的微波无线传能系统，包括地面设备和艇上设备两个部分，其中地面设备由市电、油机电站、微波发射设备、发射天线阵列、地面通信设备、地面控制单元和指向跟踪伺服单元组成；市电和油机电站通过交流导线与微波发射设备的电源输入端连接，微波发射设备的输出端通过馈线与发射天线阵列的输入口连接；地面通信设备的有线通信接口与地面控制单元的通信接口连接，地面控制单元的控制输出接口与指向跟踪伺服单元中的电机控制器连接，发射天线阵列指向由指向跟踪伺服单元控制；

艇上设备由接收天线阵列、配电盒、直流负载、交流负载、艇上控制单元以及艇上通信设备组成；天线接收阵列的输出端与配电柜的输入端连接，配电柜的直流输出端与直流负载的输入端连接，交流输出端与交流负载的输入端连接；艇上控制单元的检测接口与设置在接收天线边上的场强计的输出接口连接，艇上控制单元的通信接口与艇上通信设备的通信接口连接；

其特征在于：所述微波发射设备由固定频率源、前级固态放大器、功率分配器、功率放大组件和功率合成器构成，固定频率源的输出端与前级固态放大器的输入端连接，前级固态放大器的输出端与1-n路功率分配器的输入端连接，1-n路功率分配器的输出端分别与1-n路功率放大组件的输入端连接，1-n路功率放大组件的输出端分别与n-1路功率合成器的输入端连接。

其技术效果是：地面设备中的油机电站或市电提供的交流电加入到微波发射设备，微波发射设备将电能转化为微波辐射能量，传递到天线发射阵列以固定频率的微波形式发射出去；艇上设备中接收天线阵列将接收到的微波能量经整流和电流汇集，获得飞艇需要的电能，并将电能通过电线传输至配电盒，由配电盒提供负载需要的直流电压和交流电压，从而成功的突破了长期以来一直困扰飞艇能源获取途径的瓶颈，有效的解决了飞艇的能源问题，为飞艇提供稳定、可靠的大功率电能供给，实现了飞艇长时间不间断的滞空飞行，其既避免了飞艇长时间滞空飞行需中途返场补充燃料的麻烦，也避免了使用太阳能电池而受到天气和昼夜变化的限制；同时，通过艇上控制单元可适时的将接收天线阵列的微波场强变化通过艇上通信设备发送至地面通信设备，由地面通信设备将接收到的能量变化信息传送至地面控制单元，地面控制单元根据收到的能量变化信息，自主判断天线发射能量波束与飞艇位置的对准情况，再按照预设的算法通过控制指向跟踪伺服单元，通过指向跟踪伺服单元调整发射天线阵列的波束发射方向，从而使发射波束能够准确的指向飞艇所在的位置，使飞艇能够接收到最大的能量，且避免了能量的损失。

附图说明

图1是本发明的电原理示意图；

图2是微波发射设备电原理示意图；

图3是接收天线阵列电原理示意图；

图4是由微带线构成的滤波电路、阻抗匹配电路、整流电路以及低通滤波电路的形状构造示意图；

图5是配电盒电原理示意图；

图6是场强计电原理示意图；

图7是艇上控制单元电原理示意图；

图8是艇上与地面通信的传输数据格式图；

图9是艇上各设备的安装位置示意图；

图10是地面控制单元电原理示意图；

图11是指向跟踪伺服单元结构示意图；

图12是跟踪伺服单元指向调整程序流程图。

具体实施方式

参见图1，用于飞艇的微波无线传能系统，包括地面设备和艇上设备两个部分。其中，地面设备1由市电、油机电站、微波发射设备、发射天线阵列、地面通信设备、地面控制单元和指向跟踪伺服单元组成；市电4和油机电站3通过交流导线与微波发射设备5的电源输入端连接，微波发射设备的输出端通过馈线与发射天线阵列6的输入口连接。油机电站或者市电发出的交流电直接进入微波发射设备后，微波发射设备将交流能量转化为发射能量并通过馈线发送到发射天线阵列，发射天线阵列将能量以微波形式辐射出去。地面通信设备13的有线通信接口与地面控制单元14的通信接口连接，地面控制单元的控制输出接口与指向跟踪伺服单元15中的电机控制器连接，发射天线阵列指向由指向跟踪伺服单元控制。

艇上设备2由接收天线阵列、配电盒、直流负载、交流负载、艇上控制单元以及艇上通信设备组成；接收天线阵列7的输出端与配电盒8的输入端连接，配电盒的直流输出端与直流负载9的输入端连接，交流输出端与交流负载10的输入端连接。天线接收阵列接收到发射天线阵列辐射的微波能量后，将接收到的微波能量通过电缆输送到配电盒，配电盒根据指令要求，通过电缆为直流负载和交流负载分别供电。艇上控制单元11的检测接口与设置在接收天线边上的场强计27的输出接口连接，艇上控制单元的通信接口与艇上通信设备12的通信接口连接。场强计对接收天线阵列所在处接收到的微波场强进行检测，并将检测结果通过信号线发送给艇上控制单元。艇上控制单元将收到的微波场强信号进行模数转换后发送给艇上通信设备，并由艇上通信设备将该微波场强信号发送至地面通信设备。

地面通信设备接收到艇上通信设备发来的微波场强信号后，通过信号线将信号发送给地面控制单元，地面控制单元接收信号后，根据预设算法，发出指向调整指令给指向跟踪伺服单元，指向跟踪伺服单元根据指令要求调整发射天线阵列指向方向，从而实现波束发射方向的调整，使发射天线阵列发射的微波波束始终指向飞艇所在位置，以保证飞艇能接收到最大的能量。

参见图2，微波发射设备5由固定频率源、前级固态放大器、功率分配器、功率放大组件和功率合成器构成。固定频率源16产生的固定频率振荡信号经其输出端连接到前级固态放大器17的输入端，由前级固态放大器将信号初步放大后分别输出至1-n功率分配器18，1-n功率分配器将一路振荡信号平均分解为多路，并通过其输出端口传送到相应的1-n功率放大组件19、20，各路功率放大组件将收到的振荡信号放大后分别输出到n-1功率合成器21相应的输入端，经功率合成器与交流电源合成并形成发射能量输出至发射天线发射出去。

参见图3，接收天线阵列7由接收天线22与分别由微带线构成的滤波电路23、阻抗匹配电路24、整流电路25和低通滤波电路26依次连接构成的柔性结构，可与飞艇表面可共形安装。滤波电路、阻抗匹配电路、整流电路以及低通滤波电路直接布置于接收天线的背面，因此接收天线阵列可直接输出直流电。滤波电路为侧倒的“工”字形状的微带线构成的三阶滤波器(见图4)，阻抗匹配电路由矩形框的微带线构成，整流电路由条形框的微带线和接地的整流二极管29构成，低通滤波电路由矩形框的微带线构成。设置滤波电路是为了使接收天线接收到的基波可以无损通过，而谐波则被截止，并防止谐波回流至接收天线。设置阻抗匹配电路主要是考虑整流二极管29的输入阻抗会随着负载阻抗的变化而发生变化，而整流二极管的阻抗会对电流转换效率产生影响。当负载阻抗较高的时候，整流二极管的输入阻抗接近一个固定值，阻抗匹配电路就需要按照这个阻抗值进行设计。整流二极管选择串联电阻和结电容都较小、最大反向电压高的二极管，以接收整流天线的最大输出电压和提高二极管将微波能转化为直流电能的转换效率。低通滤波电路的主要作用是滤除直流电中携带的谐波分量，低通滤波电路的输出为可供负载使用的直流电能。

参见图5，配电盒由DC-DC变换器、蓄电池、直流继电器、DC-AC变换器和交流继电器构成。接收天线阵列输出的直流电经DC-DC变换器30转换为蓄电池31和直流负载9所需要的电压。DC-DC变换器30的输出端一方面通过直流继电器32的开关触点输出直流至直流负载9，另一方面连接DC-AC变换器33的输入端，DC-AC变换器的输出端通过交流继电器34的开关触点输出交流至交流负载10。DC-DC变换器的输出端还连接有蓄电池31。

参见图6，场强计27由可调电容和检波电路组成。场强计接收到微波信号后，通过可调电容35将其选定的微波传能工作频率送到由检波二极管36、电容37和电阻38构成的检波电路，以检测微波强度，并形成模拟量，通过信号线发送到艇上控制单元11。场强计位于接收天线阵列7边上，用于测量接收天线的微波场强(见图3)。

参见图7，艇上控制单元11由MCU微控制芯片和电平转换芯片组成，MCU微控制芯片39的RXD引脚与电平转换芯片40的R1OUT引脚连接，TXD引脚与电平转换芯片的T1IN引脚连接。场强计输出的微波场强模拟量信号通过AD输入口接入MCU，MCU利用自带的基准电压将模拟量转化为数字量。MCU输出的电平信号被转化为RS232串口信号，并通过电平转换芯片的R1IN与T1OUT通信接口与艇上通信设备12的通信接口连接。电平转换芯片上的C1+、C1-引脚之间以及C2+、C2-引脚之间各跨接一个0.1uF的电容。

艇上通信设备12与地面通信设备13形成了艇上与地面之间的通信链路。艇上向地面发送的数据格式由起始符、数据名称代码、需要发送的数据、CRC16校验以及结束符构成，具体格式如图8所示。

艇上设备的布局安装情况参见图9，接收天线阵列7位于飞艇腹部，便于接收地面辐射的微波能量，接收天线阵列的材质为柔性，可与飞艇表面共形安装。场强计27置于接收天线面的边上靠近艇上控制单元的一侧，以准确检测当前接收天线阵列所在位置的场强情况，同时靠近艇上控制单元有利于减少模拟量传输距离，降低测量误差。配电盒8置于飞艇腹部正下方。艇上通信设备置于飞艇腹部前方。

参见图10，地面控制单元14与艇上控制单元的构成类似，由MCU2微控制芯片41与电平转换芯片42组成。电平转换芯片42首先接收来自地面通信设备12发来的RS232信号，并将信号转化为MCU的电平信号，并传送至MCU2的通信接口RXD1。MCU2接收到信号之后按照设定的算法流程进行处理，并根据处理结果向指向跟踪伺服单元15发送指令。MCU2的TXD2引脚与电平转换芯片的T2IN引脚连接，RXD2引脚与电平转换芯片的R2OUT引脚连接，电平转换芯片的T2OUT引脚和R2IN引脚构成RS232信号输出口，并连接到指向跟踪伺服单元中的电机控制器输入端。

参见图11，指向跟踪伺服单元15由底座、伺服电机、水平转动平台、支架、俯仰转动平台和电机控制器构成。底座43上固定有电机控制器44和第一伺服电机，第一伺服电机的输出轴由键连接水平转动平台45。水平转动平台上连接的支架47的顶端固定有第二伺服电机，第二伺服电机的输出轴由键连接俯仰转动平台46，发射天线阵列6固定在俯仰转动平台46上。第一和第二伺服电机均采用直流力矩电机。电机控制器接收地面控制单元14发来的指令，分别控制第一和第二伺服电机转动，从而带动水平转动平台和俯仰转动平台转动，使天线发射波束指向指令要求的位置。

指向跟踪伺服单元15指向调整程序流程如图12所示。指向调整控制的基本流程如下：初始化计数值N、临时中转值C均等于0。地面控制单元14接收到发来的场强数据并解析计算，得到当前场强值A，将场强值A与前一场强值B比较，如果场强值A＞0.95B，则判断计数值N是否等于0，如果等于0，则说明此时并不在搜索新的指向过程中，因此不对发射天线阵列6的波束指向进行调整，保证天线指向的稳定性；如果场强值A＜0.95B，或者判断N不等于0时，则认为指向需要调整，这时需要对飞艇位置进行搜索，找到场强较大的指向，具体搜索方法是：调整指向跟踪伺服单元15以场强B指向为圆心，指向偏移1°为半径，顺时针搜索，搜索步长：圆周×1/8。判断临时中转值C是否小于A，如果小于A，则令C等于A，判断N是否小于8，如果是，则说明搜索没有结束，此时令N加1，调整指向跟踪伺服单元15指向第二个点，接收飞艇下传的场强值，重复上述搜索过程。直到搜索结束，临时中转值C中存储的就是搜索结果中场强最大的值，令场强B等于C，调整指向跟踪伺服单元15指向场强为B的位置。重新接收艇上下传场强参数，重复上述过程。

Claims (8)

1.一种用于飞艇的微波无线传能系统，包括地面设备和艇上设备两个部分，其中地面设备(1)由市电、油机电站、微波发射设备、发射天线阵列、地面通信设备、地面控制单元和指向跟踪伺服单元组成；市电(4)和油机电站(3)通过交流导线与微波发射设备(5)的电源输入端连接，微波发射设备的输出端通过馈线与发射天线阵列(6)的输入口连接；地面通信设备(13)的有线通信接口与地面控制单元(14)的通信接口连接，地面控制单元的控制输出接口与指向跟踪伺服单元(15)中的电机控制器连接，发射天线阵列指向由指向跟踪伺服单元控制；

艇上设备(2)由接收天线阵列、配电盒、直流负载、交流负载、艇上控制单元以及艇上通信设备组成；天线接收阵列(7)的输出端与配电盒(8)的输入端连接，配电盒的直流输出端与直流负载(9)的输入端连接，交流输出端与交流负载(10)的输入端连接；艇上控制单元(11)的检测接口与设置在接收天线边上的场强计的输出接口连接，艇上控制单元的通信接口与艇上通信设备(12)的通信接口连接；

其特征在于：所述微波发射设备(5)由固定频率源、前级固态放大器、功率分配器、功率放大组件和功率合成器构成，固定频率源(16)的输出端与前级固态放大器(17)的输入端连接，前级固态放大器的输出端与1-n路功率分配器(18)的输入端连接，1-n路功率分配器的输出端分别与1-n路功率放大组件(19、20)的输入端连接，1-n路功率放大组件的输出端分别与n-1路功率合成器(21)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的用于飞艇的微波无线传能系统，其特征在于：所述接收天线阵列(7)由接收天线(22)与分别由微带线构成的滤波电路(23)、阻抗匹配电路(24)、整流电路(25)和低通滤波电路(26)依次连接构成的柔性结构，滤波电路、阻抗匹配电路、整流电路以及低通滤波电路直接布置于接收天线的背面。

3.根据权利要求2所述的用于飞艇的微波无线传能系统，其特征在于：所述阻抗匹配电路(24)由矩形框的微带线构成。

4.根据权利要求2所述的用于飞艇的微波无线传能系统，其特征在于：所述整流电路(25)由条形框的微带线和接地的整流二极管(29)构成。

5.根据权利要求2所述的用于飞艇的微波无线传能系统，其特征在于：所述低通滤波电路(26)由矩形框的微带线构成。

6.根据权利要求1所述的用于飞艇的微波无线传能系统，其特征在于：所述配电盒(8)由DC-DC变换器、直流继电器、DC-AC变换器和交流继电器构成，DC-DC变换器(30)的输出端一方面输出直流至直流负载(9)，另一方面连接DC-AC变换器的输入端，DC-AC变换器的输出端输出交流至交流负载(10)。

7.根据权利要求1所述的用于飞艇的微波无线传能系统，其特征在于：所述接收天线阵列(7)布置于飞艇腹部，场强计(27)布置于接收天线侧边，配电盒(8)、艇上控制单元(11)以及艇上通信设备(12)布置于飞艇腹部或飞艇吊舱内。

8.根据权利要求1所述的用于飞艇的微波无线传能系统，其特征在于：所述指向跟踪伺服单元(15)由底座、伺服电机、水平转动平台、支架、俯仰转动平台和电机控制器构成，底座(43)上固定有电机控制器(44)和第一伺服电机，第一伺服电机的输出轴由键连接水平转动平台(45)，水平转动平台上连接的支架(47)的顶端固定有第二伺服电机，第二伺服电机的输出轴由键连接俯仰转动平台(46)，发射天线阵列(6)固定在俯仰转动平台上。

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