DE10017752A1 - Empfänger für eine drahtlose Energieübertragung - Google Patents

Abstract

Ein Empfänger für eine drahtlose Energieübertragung umfaßt ein Antennenmodul zum Empfangen einer Energiestrahlung, um ein Antennenausgangssignal zu liefern, und ein Gleichrichtermodul zum Gleichrichten des Antennenausgangssignals, wobei das Gleichrichtermodul eine Siliziumkarbid-Diode umfaßt, die angeordnet ist, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal zu liefern. Die Verwendung der Siliziumkarbid-Gleichrichterdiode ermöglicht eine wesentliche Reduktion der Antennengröße aufgrund höherer Frequenzen. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Sperrschichttemperatur von Siliziumkarbid-Dioden eine Übertragung einer größeren Menge an Energie bei geringerem Kühlaufwand im Vergleich zu Silizium und Gallium-Arsenid. Die hohe Strahlenfestigkeit von Siliziumkarbid-Dioden ermöglicht eine drahtlose Energieübertragung zu Objekten in der Erdatmosphäre oder im Weltall.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die drahtlose Energieübertragung und insbesondere auf die drahtlose Ener­ gieübertragung zu in der Erdatmosphäre oder im Weltraum an­ geordneten Objekten.

Ein System zur drahtlosen Energieübertragung besteht aus einem Modul zur Erzeugung von Mikrowellen, einer abstrah­ lenden Antenne mit einem Gewinn, der abhängig von der Entfernung zum Empfänger festgelegt werden muß, und einer gleichrichtenden Antenne, welche auch als Rectenna be­ zeichnet wird.

Im Gegensatz zur Nachrichtenübertragung, wo es lediglich da­ rauf ankommt, daß ein Empfänger aus einem Energiefeld eine Information entnimmt, kommt es bei der drahtlosen Energie­ übertragung darauf an, daß für einen möglichst hohen Wir­ kungsgrad der Empfänger die gesamte vom Sender abgestrahlte Energie empfängt. Dies bedeutet in anderen Worten, daß ein Sender eine Antenne mit starker Richtwirkung benötigt, und daß die räumliche Ausbreitung der Antenne des Empfängers so gewählt werden muß, daß der Energiestrahl in seiner gesamten Ausdehnung auf der Sendeantenne "Platz hat". Wenn für eine einfache Betrachtungsweise davon ausgegangen wird, daß eine Sendeantenne einen Energiestrahl erzeugt, der einen bestimm­ ten Öffnungswinkel hat, so ist zu sehen, daß der Durchmesser des Strahles mit zunehmender Entfernung von der Sendeantenne immer größer wird. Wenn gleichzeitig die Randbedingung be­ steht, daß die Empfangsantenne nur eine bestimmte maximale räumliche Ausdehnung haben darf, so muß im Sinne einer guten Effizienz für zunehmende Übertragungsstrecken auch eine Sen­ deantenne mit zunehmendem Gewinn verwendet werden. Daher kann gesagt werden, daß die Sendeantenne bzw. abstrahlende Antenne einen Gewinn hat, der abhängig von der Entfernung zum Empfänger festgelegt werden muß.

Anwendungsgebiete der drahtlosen Energieübertragung finden sich hauptsächlich in der Weltraumtechnik oder in der Stra­ tosphärentechnik. Um von der Erde Energie zu einer im Welt­ raum befindlichen Raumstation zu übertragen, wird auf der Erde Energie von einer Energiequelle mittels eines Mikro­ wellengenerators in Mikrowellenstrahlung umgewandelt, die dann auf eine Empfangsantenne an der Raumstation gerichtet wird. Die Mikrowellenenergie, die durch eine Empfangsantenne an der Raumstation empfangen wird, wird gleichgerichtet. Am Ausgang des Gleichrichters liegt eine Gleichspannung an, welche zur Energieversorgung der Raumstation eingesetzt wer­ den kann. Damit hat eine drahtlose Energieübertragung von der Erde zu einer Raumstation stattgefunden.

Alternativ können im Weltraum sog. Solar Power Satellites plaziert werden, welche große Sonnenflügel haben, um die im Weltraum auf die Sonnenflügel auftreffende Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Energie wird in einen Mikrowellengenerator an Bord der Satelliten einge­ speist und dann vom Satelliten drahtlos zur Erde übertragen, um bestimmte Punkte auf der Erde, welche wieder über eine Empfangsantenne und einen Gleichrichter verfügen müssen, mit Energie aus dem Weltall zu versorgen.

Weiterhin ist eine drahtlose Energieübertragung auch im Or­ bit zwischen einer Raumstation und freifliegenden Modulen, die auch als "free flyers" bezeichnet werden, wünschenswert. Solche freifliegenden Module können dann klein, also ohne Solarpanels, gebaut werden. Weiterhin müssen keine aufwendi­ gen und u. U. riskanten Andockaktionen stattfinden, um z. B. Batterien etc. zu wechseln.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die drahtlose Ener­ gieübertragung findet sich bei hochfliegenden Stratosphären­ plattformen, welche auch als Aerostau bezeichnet werden. Diese sind z. B. als Fesselballon oder Zeppelin ausgestattete Nachrichtenübertragungsstationen, welche eine preisgünstige Alternative zu Satelliten darstellen. Um solche in höheren Erdatmosphärenschichten angeordnete Systeme mit Energie zu versorgen, kann ebenfalls eine drahtlose Energieübertragung von der Erde zu dem Aerostat eingesetzt werden. Damit ist es grundsätzlich möglich, auf Solarzellen an dem Aerostat zu verzichten.

Wenn beispielsweise ein Zeppelin betrachtet wird, an dem ein Nachrichtenempfangs/Sende-System angebracht ist, so ergibt sich folgendes Szenario. Das Nachrichtenempfangs/Sende- System wird an der zur Erde hin gerichteten Seite des Zep­ pelins angeordnet sein. Dieses Empfangs/Sende-System wird typischerweise ein relativ geringes Gewicht haben. Wenn das Zeppelin mittels Solarzellen mit Energie versorgt werden soll, so müssen die Solarzellen auf der von der Erde abge­ wandten Seite des Zeppelins angebracht sein. Typischerweise nehmen die Solarzellen zur Erzeugung einer ausreichenden Menge an Energie eine beträchtliche Fläche ein und haben somit ein beträchtliches Gewicht. Das Zeppelin trägt somit auf seiner Oberseite viel Gewicht und auf seiner Unterseite wenig Gewicht. Es ist unmittelbar einzusehen, daß aufgrund dieser ungünstigen Gewichtsverteilung der Fall eintreten kann, daß das Zeppelin umkippt, wonach die Solarzellen nach unten und die Empfangs/Sende-System nach oben gerichtet ist, wodurch das System unbrauchbar ist. Eine Energieversorgung ohne die Verwendung von Solarzellen, also in Form einer drahtlosen Energieübertragung von der Erde zum Zeppelin schafft hier Abhilfe.

Nachteilig an den bekannten Systemen zur drahtlosen Energie­ übertragung ist die Tatsache, daß die Sendeantennen oder die Empfangsantennen beträchtliche Größenordnungen haben. Wenn beispielsweise ein typisches Energieübertragungssystem be­ trachtet wird, bei dem die Energie in Form von Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz übertragen wird, so werden Sendeantennen mit einer Ausdehnung von 24 m benötigt, um in Verbindung mit stark bündelnden Empfangsantennen entspre­ chender Größe noch einer relativ guten Übertragungswirkungs­ grad zu erhalten. Diese großen Sende- oder Emfpangsantennen sind sperrig, teuer und haben ein hohes Gewicht.

Weiterhin nachteilig ist die Tatsache, daß aufgrund der bis­ her verwendeten Gleichrichter in Form von Silizium-Schott­ ky-Dioden oder Gallium-Arsenid-Dioden die Menge an zu über­ tragender Energie begrenzt ist. Jede noch so ideal aufge­ baute Gleichrichterdiode hat immer noch einen ohmschen Wi­ derstand, der zu einer Erhöhung der Sperrschichttemperatur führt. Silizium-Schottky-Dioden oder Gallium-Arsenid-Dioden halten typischerweise lediglich Temperaturen von etwa 150°C aus, was die von einer Gleichrichterdiode maximal gleich­ zurichtende Energie begrenzt.

Für Weltraumanwendungen von Bedeutung ist ferner die Tat­ sache, daß übliche Halbleiter-Bauelemente aus Silizium oder Gallium-Arsenid eine relativ geringe Strahlungsfestigkeit gegenüber Röntgenstrahlen haben. Dies ist bei Anwendungen auf der Erde nicht so sehr bedeutsam, da hochenergetische Röntgenstrahlung bereits durch die Atmosphäre stark gedämpft wird. Für Anwendungen in höheren Atmosphärenschichten wie z. B. der Stratosphäre, und besonders für Anwendungen im Weltall sind hochenergetische Röntgenstrahlen jedoch nicht mehr zu vernachlässigen und führen bei üblichen Halbleiter­ bauelementen zu Fehlstellen im Kristall und damit zur Ver­ ringerung bzw. sogar zur Zerstörung des Wirkungsmechanismus des Halbleitermaterials.

Obwohl Gallium-Arsenid-Dioden zwar im Vergleich zu Silizi­ um-Dioden eine erhöhte Elektronenmobilität haben, können solche Gleichrichter-Dioden bisher lediglich für die Gleich­ richtung von Mikrowellen mit Frequenzen bis zu maximal 6 GHz eingesetzt werden.

Diese Nachteile haben dazu geführt, daß sich das Konzept der drahtlosen Energieübertragung nicht in großem Stil durchge­ setzt hat.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Empfänger für eine drahtlose Energieübertragung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Empfänger für eine drahtlose Energieübertragung nach Patentanspruch 1 gelöst.

Der vorliegende Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Empfängern für eine drahtlose Energieübertragung von der Verwendung von Silizium-Gleichrichter-Dioden oder Gallium- Arsenid-Gleichrichterdioden weggegangen werden muß. Es hat sich herausgestellt, daß erfindungsgemäß für einen Empfänger für eine drahtlose Energieübertragung Gleichrichterdioden aus Siliziumkarbid sämtliche beschriebenen Nachteile im Stand der Technik überwinden und für die drahtlose Energie­ übertragung, insbesondere für Weltraumanwendungen oder An­ wendungen in der Erdatmosphäre optimale Ergebnisse liefern.

Dioden aus Siliziumkarbid in einem Gleichrichtermodul für eine drahtlose Energieübertragung liefern folgende Vorteile:

• - eine hohe Zuverlässigkeit, einen breiteren Anwendungsbe­ reich, einfachere Kühlkonzepte und einen kompakteren Auf­ bau im Vergleich zu Silizium-Dioden aufgrund einer um den Faktor 4 höheren Sperrschichttemperatur von 600°C für SiC im Vergleich zu etwa 150°C für Si;
• - einen verbesserten Wirkungsgrad aufgrund einer hohen Sperrschichtspannung, die bis zu fünfmal höher als die Sperrschichtspannungen von Silizium sind;
• - eine hohe Stabilität bezüglich Temperaturschwankungen, was sich besonders für extraterrestrische Anwendungen als we­ sentlicher Vorteil herausgestellt hat;
• - eine hohe Strahlungsfestigkeit des SiC-Materials, was sich ebenfalls für extraterrestrische Anwendungen als wesentli­ cher Vorteil besonders hinsichtlich der Langzeitstabilität herausgestellt hat;
• - geringe Sperrschichtverluste, insbesondere aufgrund der hohen zulässigen Sperrschichttemperatur und der im Ver­ gleich zu Silizium dreifachen Wärmeleitfähigkeit, welche sogar zehnmal so groß als die Wärmeleitfähigkeit von GaAs ist;
• - eine bedeutsame Verkleinerung der Sendeantennen bzw. der Empfangsantennen durch Verwendung höherer Frequenzen auf­ grund der im Vergleich zu Silizium und Galliumarsenid hö­ heren Transitfrequenzen; und
• - einen reduzierten Schaltungsaufwand aufgrund der höheren Eingangs/Ausgangs-Widerstände von SiC-Dioden. Für eine möglichst gute Leistungsübertragung von der Antenne zu der Gleichrichterdiode ist eine Leistungsanpassung nötig.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Systems zur drahtlo­ sen Energieübertragung; und

Fig. 2 den Aufbau eines Empfängers für eine drahtlose Ener­ gieübertragung gemäß eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau eines Systems zur drahtlosen Energieübertragung dargestellt. Eine Energiequel­ le 10 versorgt einen Mikrowellengenerator 12 mit Energie, der einen möglichst großen Teil dieser Energie in ein Mikro­ wellensignal umwandelt, das einer Sendeantenne 14 zugeführt wird, welche die Energie in Form eines stark gebündelten Mikrowellenstrahls 16 zu einem Empfänger abstrahlt. Der Emp­ fänger umfaßt ein Antennenmodul 18 zum Empfangen des Mikro­ wellenstrahls 16 sowie ein Gleichrichtermodul 20 zum Gleich­ richten des Antennenausgangssignals, wobei das Gleichrich­ termodul 20 zumindest eine Siliziumkarbid-Diode umfaßt, die angeordnet ist, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal an einem Ausgang 24 zu liefern, das einen Gleichanteil ungleich Null aufweist und zur Energieversorgung eines Systems ver­ wendet werden kann, an dem der Empfänger angebracht ist.

Aufgrund der durch Siliziumkarbid ermöglichten höheren Tran­ sitfrequenz kann die drahtlose Energieübertragung bei einer im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik deutlich hö­ heren Übertragungsfrequenz stattfinden. Bezüglich weiterer Materialeigenschaften von Siliziumkarbid wird auf "Silizium­ karbid: Ein Material macht Karriere", in Markt und Technik, Nr. 13, März 1999, S. 20-23, verwiesen.

Derzeit werden drahtlose Energieübertragungen mit Silizium- Gleichrichterdioden oder Gallium-Arsenid-Gleichrichterdioden in einem Frequenzbereich um 2,45 GHz durchgeführt. Für be­ stimmte Entfernungen werden hierbei Sendeantennen mit einer Abmessung von bis zu 24 m benötigt. Eine Erhöhung der Über­ tragungsfrequenz geht unmittelbar in die zur Erzielung eines ausreichenden Gewinns erforderliche Sendeantennengröße ein. Siliziumkarbid-Dioden erlauben Sendefrequenzen über 20 GHz. Wenn beispielsweise der Fall betrachtet wird, bei dem die Sendefrequenzen bei 24 GHz liegen, so sind die Antennen statt 24 m nur noch 2,4 m groß.

Wenn bei der Verzehnfachung der Frequenz die Sendeantenne gleich groß gelassen wird, so erzeugt sie eine um das Zehn­ fache größere Bündelung, weshalb der. Faktor 10 der Antennen­ größenreduktion bei gleich großer Sendeantenne zu einer um den Faktor 10 kleineren Antenne im Empfänger führt. Am Bei­ spiel des Aerostats in Form eines Zeppelins ist zu erkennen, daß nun, aufgrund der Verwendung von Siliziumkarbid-Gleich­ richterdioden an Bord des Zeppelins, statt einer 24 m großen Antenne eine 2,4 m große Antenne eingesetzt werden kann.

Aufgrund der großen Antennen im Stand der Technik war eine drahtlose Energieübertragung von/zu Luft- oder Raumschiffen bisher sehr begrenzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kön­ nen deutlich kleinere Antennen eingesetzt werden, was die Anwendungsgebiete der Energieübertragung mittels Mikrowellen wesentlich erweitern dürfte.

Das Antennenmodul 18 des Empfängers kann auf viele verschie­ dene Arten und Weisen aufgebaut werden. So ist es möglich, statt einer einzelnen Antenne 18 eine Vielzahl von Einzelan­ tennen 18a bis 18i zu verwenden, welche in Fig. 2 gezeigt sind. Das Gleichrichtermodul weist in diesem Fall eine entsprechende Anzahl von Einzelgleichrichtern 20a bis 20i auf. Jede Antenne, vorzugsweise in Form eine Dipols, ist mit einer eigenen Gleichrichterdiode verbunden. Das Gleich­ richtermodul umfaßt ferner je nach Gruppierung verschiedene Sammelschienen 24a bis 24c, welche parallel geschaltet sind (in Fig. 2 nicht gezeigt), um eine Gleich-Ausgangsleistung zu liefern, um irgendeinen elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen.

Das in Fig. 2 gezeigte Konzept hat den Vorteil, daß jede Einzelantenne für sich gesehen verarbeitet wird, und daß keine Überlagerungen der einzelnen Antennendiagramme zu einer Richtwirkung des Antennenarrays führen. Wenn eine 35 GHz Anlage betrachtet wird, bei der die Wellenlänge etwa ein cm beträgt, so müssen zur "Abdeckung" einer Fläche von einem Quadratmeter bereits über 10.000 Einzelantennen plaziert werden. Vorzugsweise sollte der Abstand zwischen den Einzel­ antennen im Bereich der Hälfte der Wellenlänge liegen. Bei abnehmender Frequenz würde der Abstand zwischen den Einzel­ antennen entsprechend zunehmen.

Alternativ kann statt der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, bei der jeder Einzelantenne ein einzelner Gleichrichter zugeord­ net ist, eine Vielzahl von Einzelantennen verwendet werden, die mit entsprechenden Sammelschienen gekoppelt sind, um die Hochfrequenzenergie der Einzelantennen zu sammeln, um dann mittels eines einzelnen Siliziumkarbid-Gleichrichters die von allen Antennen empfangene Hochfrequenzenergie gleichzu­ richten, um am Ausgang 24 (Fig. 1) eine elektrische Energie zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers zu liefern. Der Nachteil dieser Variante besteht jedoch in der Rich­ tungsabhängigkeit der Empfangseigenschaften des Antennen­ arrays.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich die vorliegende Erfin­ dung auf alle Antennen/Gleichrichter-Kombinationen mit Sili­ ziumkarbid-Bauelementen bezieht, unabhängig davon, ob es sich um terrestrische oder extraterrestrische Anwendungen handelt.

Es ist ferner unerheblich, ob Einweg- oder Vollweggleich­ richter verwendet werden. Der Unterschied besteht bezüglich der vorliegenden Erfindung lediglich darin, daß eine unter­ schiedliche Anzahl von Siliziumkarbid-Dioden zum Einsatz kommen.

Es wird ferner darauf hingewiesen, daß beliebige Silizium­ karbid-Dioden eingesetzt werden können, beispielsweise pn- Siliziumkarbid-Dioden, Schottky-Siliziumkarbid-Dioden oder Siliziumkarbid-MESFETs, die als Diode eingesetzt werden. Aufgrund ihrer überlegenen Schnelligkeit und den damit er­ zielbaren höheren Frequenzen und den damit verbundenen klei­ neren Antennen werden jedoch SiC-Schottky-Dioden als Gleich­ richterdioden bevorzugt.

Claims (7)

1. Empfänger für eine drahtlose Energieübertragung, mit fol­ genden Merkmalen:
einem Antennenmodul (18) zum Empfangen einer Energie­ strahlung (16), um eine Antennenausgangssignal zu lie­ fern; und
einem Gleichrichtermodul (20) zum Gleichrichten des An­ tennenausgangssignals, wobei das Gleichrichtermodul zu­ mindest eine Siliziumkarbiddiode (22) umfaßt, die ange­ ordnet ist, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal (24) zu liefern.

2. Empfänger nach Anspruch 1, bei dem das Antennenmodul (18) zum Empfangen einer Energiestrahlung (16) auf Frequenzen über 10 und vorzugsweise über 20 GHz ausgelegt ist.

3. Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Gleichrich­ termodul (20) als Einweg- oder als Vollweggleichrichter ausgestaltet ist.

4. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Antennenmodul (18) eine Vielzahl von Einzel­ empfangsantennen (18a-18i) aufweist, und
bei dem das Gleichrichtermodul (20) eine entsprechende Anzahl von Einzelgleichrichtern (20a-20i) aufweist, von denen jeder zumindest eine Siliziumkarbid-Diode umfaßt,
wobei das Gleichrichtermodul (20) ferner zumindest eine Sammelschiene (24a-24c) mit einer positiven Leitung und einer negativen Leitung umfaßt, wobei jedes Einzelgleich­ richtermodul (20a-20i) mit der zumindest einen Sammel­ schiene verbunden ist.

5. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem das Antennenmodul (18) eine Vielzahl von Einzel­ empfangsantennen (18a-18i) aufweist, und
bei dem das Gleichrichtermodul (20) zumindest eine Sam­ melschiene aufweist, mit der jede Einzelantenne gekoppelt ist, wobei das Gleichrichtermodul ferner einen einzigen Einzelgleichrichter mit zumindest einer Siliziumkarbid- Diode (22) aufweist, der mit der Sammelschiene gekoppelt ist, um das gleichgerichtete Ausgangssignal zu liefern.

6. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in der höheren Erdatmosphäre oder im Weltraum angeordnet ist.

7. Empfänger nach einer der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Siliziumkarbid-Diode (22) des Gleichrichtermoduls (20) als SiC-Schottky-Diode aufgebaut ist.