用于微波无线输能的高增益柔性天线研究

为克服传统有线供能方式的接入不便问题,提出了一种用于5.8 GHz微波无线输能(MWPT)高增益柔性天线。天线以聚酰亚胺(PI)为基底,采用广义迭代设计方法得到3层圆环结构,并选用共面波导(CPW)方式馈电。此外,为提高天线增益,在天线背面加载空气层和柔性反射板,并对天线性能进行了测试。测量结果显示:该天线在频率5.8 GHz处的峰值增益为9.51 dBi;当天线弯曲在曲率半径为85,60,45 mm时,增益始终保持在8.89 dBi以上,S_(11)幅值始终小于-10 dB。最后,通过微波无线输能实验测得该天线最大能量捕获效率可达71.3%,在弯曲状态下也能保持59%以上的捕获效率。该天线的高增益、高能量捕获效率以及稳定性证明了其在微波无线输能中具有潜在的应用价值。

用于微波无线能量传输的无衍射电磁超表面设计

微波无线能量传输作为一种远距离能量传输技术受到广泛关注,但是电场随着距离增加会快速衰减。为了减缓电场衰减趋势,提高接收端功率,文章推导出了用于产生无衍射波束的相位计算表达式。另外,设计了一款相位覆盖360°,传输系数优于-3dB的相位控制单元,并利用该单元设计了一个口径为500mm的超表面。仿真和实测数据显示,在加载电磁超表面后,电场明显增强,能量更加集中。微波无线传输实验结果表明,在发射总功率为36dBm时,相较于无电磁超表面情况下,接收端接收的能量最大可以提升9倍之多,证明了设计出的电磁超表面助于提高微波传能系统的传输效率。

基于反射阵天线的无线输能系统设计与实验

微波无线输能技术因其传输距离远,易于调控,近年来受到广泛的关注。文中提出一款基于移动馈源的波束扫描平面反射阵天线,该阵列由19×19个移相单元构成,整体尺寸为490.2 mm×490.2 mm。通过仿真验证了提出的移相单元可以覆盖360°全相位,且反射系数大于-0.1 dB(97.7%)。基于CST全波仿真表明,设计的反射阵扫描角度为-28°~+25°。同时,搭建了一个微型的传能系统用于验证反射阵天线的性能。通过实验验证发现在有平面反射阵天线的情况下,在其辐射近场范围内,无线传能系统接收终端获得的功率提高约为无反射阵情况下的700%~1500%,非常有利于传能系统的能量传输。仿真和实验结果均证明该反射阵天线在微波无线传能领域具有一定的应用前景。

用于微波无线能量传输的高效率惠更斯超表面透射阵

设计了一款工作在5.8 GHz用于微波无线能量传输的双层惠更斯超表面透射阵天线。惠更斯单元由一对1 mm厚的反对称E形单元构成,同时实现360°相位控制和高传输幅度(-0.82 dB)。该设计突破了传统双层频率选择表面的限制,同时提高了透射阵的辐射性能。透射阵尺寸为380 mm×380 mm,实测结果表明透射阵增益达到26 dB,口径效率为58.7%。在微波无线能量传输外场实验中,测试距离达到18 m,加载透射阵后,接收功率最高获得8.3 dB的增幅。

一种强电磁设备低频辐射特性等效建模方法

随着高开关频率的新型电力电子器件广泛应用到舰船等平台上的强电磁设备中,强电磁设备产生的低频辐射会对平台上的敏感设备产生严重的影响,因此必须对强电磁设备的低频辐射特性进行准确建模表征,支撑开展强电磁设备低频场分布特征的量化预测,以便提升整个平台的电磁兼容性能。传统等效偶极子法在对大尺寸辐射源进行等效建模时,存在偶极子阵列所需的等效偶极子源数量多,高度、位置选择困难等问题。为解决上述问题,该文提出一种基于自适应差分进化算法的强电磁设备低频辐射特性等效偶极子建模的方法。该方法从强电磁设备附近的近场辐射特性测试数据出发,将强电磁设备低频辐射等效为分布在多个区域的偶极子阵列组合的分布式辐射源,并通过自适应差分进化算法优化各区域偶极子阵列的数量、位置以及高度等等效源参数,并通过试验和算例验证该方法可在满足一定精度条件下,能大幅度减小偶极子数量,得到强电磁设备最优的低频分布式等效源模型。

一种强电磁设备中超级电容EMC模型的建模方法

针对大功率强电磁设备中负载状态随时间变化的超级电容储能柜,提出了一种时变负载电磁兼容(EMC)模型的建模方法,用于解决其EMC模型的高精确度建模问题,进而用于预测大功率强电磁设备短时工作状态下的瞬态传导电磁干扰。首先,依据超级电容直流充电过程中的时变负载特性,提出了一种时变负载EMC模型的建模方法,并给出了模型中各参数的具体求解方法。其次,考虑到超级电容储能柜的拓扑结构,给出了基于超级电容单体参数的储能柜时变负载EMC模型的外推建模方法。随后,针对储能柜的充电方式进行建模研究,设计了一种可以实现恒压、恒流充电以及充电方式灵活切换的控制策略。最终,将超级电容完整的EMC模型应用于DC-DC变换器传导电磁干扰建模预测中。通过与实测数据进行对比,主要干扰频点处误差在5 dB以内,进一步验证了超级电容时变EMC模型建模方法的正确性和有效性。

径向基函数-虚边界法在电磁计算中的应用

借助弹性力学中"虚边界"的概念,将径向基函数方法和传统的边界元法结合,形成了径向基函数-虚边界法,并将其应用于电磁场的数值计算中。该方法利用RBF插值精度高和无网格的特点,解决了传统边界元法中边界场量的逼近依赖网格、插值函数精度低的问题;虚边界的引入使得积分点和积分源点分别位于不同的边界上,从而使该方法有效的避免了奇异积分和边界层效应;通过选用圆形虚边界使得该方法的边界积分可以无需背景网格支持,从而使整个求解过程完全摆脱了对网格的依赖,是一种真正的边界型无网格法。论文计算和分析结果表明:相比于传统边界元法,该方法的求解精度有了显著的提高。

电磁场边值问题求解的径向基函数方法

为了解决网格法在电磁场计算中面临的网格剖分和场函数不连续问题,引径向基函数插值方法入电磁场边值问题计算,形成基于径向基函数的配点型无网格解法,它在求解中仅需节点信息,彻底摆脱了网格对求解的制约;在径向基函数插值原理基础上给出电磁场边值问题的径向基函数求解方法,建立了相应的离散模型。在1维和2维边值问题求解中,径向基函数法和网格法(有限差分法)对比表明:径向基函数方法不仅在配置点处有更高的计算精度,而且插值函数光滑性更好,对准确解的逼近能力更强。该方法结合了无网格和径向函数的特点,具有实施方便灵活、精度高和易于处理高维问题的优势。

虚边界元法在电磁场计算中的应用

为解决传统边界元法中的奇异积分问题和边界层效应,论文将弹性力学中"虚边界"的概念引入到电磁场的计算中,形成电磁计算的虚边界元法。该方法在保留传统边界元法优点的同时,通过设置虚边界,使积分点和源点分别处于不同的边界上,从而有效地避免了奇异积分和边界层效应。算例分析表明,相比于传统边界元法,论文方法拥有更高的求解精度。此外,论文研究了"虚边界"的选取对求解的影响,计算表明,虚边界的选取非常灵活,在不同的大小和形状下,该方法都能稳定地得到理想的求解效果。

线路电磁场测量数据的移动最小二乘拟合处理

为可靠评估输电线路周围电磁环境,针对有限的实测数据,将移动最小二乘近似方法引入到测量数据的拟合处理中。阐述了移动最小二乘逼近的原理,剖析其对数据移动加窗处理本质,给出了MLS应用于拟合的实施方案。具体以线路磁场测量数据为例,分别进行了分段拟合和MLS拟合处理,通过拟合曲线和误差的对比分析,反映MLS拟合具有参数调整方便、拟合曲线的连续性和光滑性好以及误差小的特点和优势。同时对权函数进行研究,给出参数选取的原则和方法。

波导本征问题分析的径向基函数方法

针对网格方法分析波导本征问题时常面临剖分和近似精度低的问题,论文将基于配点原理的径向基函数无网格方法引入进来.给出径向基函数法求解本征值问题的方法、实施步骤和相应的离散方程形式.以矩形、圆形和L形波导的本征分析为例,通过与有限元法比较,反映该方法具有计算量小和精度高的优势,另外,它实施方便并易于推广到高维问题中.

径向基函数及其耦合方法在电磁场数值计算中的应用

针对带电导体附近急剧变化的位函数和场函数这一难于处理的边界条件,将小波函数的紧支撑特性和全域径向基函数(RBF)的高精度逼近能力相结合,提出电磁场边值问题求解的耦合方法并应用于接地金属槽/箱的数值计算中;将径向基函数无网格方法引入波导本征值的计算中,给出其求解本征问题的思路,建立相应的离散方程,分析矩形、圆形和脊形波导的本征值并与有限元方法进行比较.数值仿真实验表明,径向基函数及其耦合方法在分析电磁场边值和本征值问题时是有效的且具有实现简单、节点少和精度高的优势.

瞬态涡流问题求解的时域径向基函数方法

将径向基函数无网格法引入到瞬态涡流问题的求解中。由待求函数时间和空间变量的独立可分离性,采用径向基函数逼近空间函数及其偏导数,应用Crank-N ilcoson差分格式近似时间函数,给出了径向基函数方法在时域内求解瞬态涡流方程的原理、离散模型和实施步骤。在薄铝片板磁场建立和圆柱铁芯磁场衰减的瞬态涡流分析中,将数值近似解与解析解作对比分析。仿真结果表明,径向基函数方法的相对均方根误差均在3%以内,且其实施中不需要网格剖分,即使在节点数较少时也能很好地逼近解析解。

基于径向基函数插值的积分方程求解

将径向基函数(radial basis function,RBF)插值引入积分方程的求解中,具体将待求函数表示为RBF的线性组合,再通过配点法将积分方程离散为线性或非线性方程组,求得权系数后给出待求函数的近似表示.论文选用的RBF是插值性能优异的多重二次曲面(multiquadric,MQ)函数,能在较少节点下取得较高的近似精度;而且RBF定义为距离的函数,在三维或高维插值时仅需改变距离公式,因而便于推广到高维积分方程求解中.在RBF插值矩阵的构造中,元素的积分计算分别通过高斯积分或基于区域剖分的数值求积完成,实现了一维、二维下Fredholm和Volterra方程的求解.算例结果表明:论文方法具有实施方便和精度较高的优点,是一种适合积分方程求解的新方法.

扩散过程数值仿真的径向基函数方法

扩散问题仿真的传统网格方法在求解中常面临网格剖分和近似精度较低的问题,因而将径向基函数方法引入进来,作为一类配点型无网格方法,它不再需要网格剖分,而且基函数光滑性好,近似精度高。详细阐述了径向基函数方法和差分法结合求解扩散方程的原理,给出方法的具体实施方案和离散求解模型,并以热传导和涡流模型为例进行仿真和分析,结果表明该方法在仿真扩散过程中不仅实施简单,而且计算精度较高,即使在较大的时间步距下也能得到较高的精度。

基于趋势组合的短期电力负荷预测模型

在运用神经网络进行短期电力负荷预测中 ,天气是影响负荷的重要因素。为了更好地捕捉天气对负荷的影响 ,文中提出了一种基于神经网络的趋势组合短期负荷预测思想和模型。将短期负荷与天气变量的内在关系分解为 3个不同的趋势分量 ,即周趋势分量、日趋势分量和小时趋势分量。每一个趋势分量分别用一个神经网络模型捕获 ,趋势分量的预测结果再用一个神经网络模型进行组合 ,从而得到最终的预测值。分别用改进的和传统的模型预测一周的小时负荷 ,结果表明 。

基于径向基函数网络的电磁场计算研究

目前,将无网格方法引入电磁场计算已成为研究热点,它克服网格法中网格数与精度、网格与插值等存在的问题。径向基函数网络是一种无网格技术,它借助网络的学习和非线性映射实现对微分方程解的逼近,并将解的信息隐含于网络结构参数中。文章给出了该方法的相关技术和实现步骤,并以一维和二维静态场为例进行计算和分析,表明了该方法的可行性和计算性能的优势。

瞬变电磁法视电阻率成像的接地网断点诊断方法

为了实现变电站接地网断点无损检测,首次提出将瞬变电磁法用于断点诊断的新方法,在地面上施加一个斜阶跃关断的脉冲信号,通过对接地网感应信号的检测,反演计算视电阻率并快速成像,从视电阻率断面图中直观诊断接地网断点故障情况。采用Ansoft Maxwell软件正演计算接地网瞬变电磁响应信号,通过接地网完好与存在断点两种情况的视电阻率成像图对比,说明方法的可行性。在变电站开展接地网断点诊断实验,结果充分论证了方法的有效性,作为一种简便、高效的接地网断点无损检测方法,可用于工程实际。

特高压直流输电线路离子流场的有限元-积分法计算

针对特高压直流输电线的地面电场和离子流密度的计算问题,采用有限元-积分方法,对双极离子流场的控制方程进行求解,同时还对空间电荷密度初值进行了改进。通过计算,发现该方法能较快地获得稳定的数值解。通过采用该方法对±400kV的直流线路进行了比对计算,验证了该算法的有效性。将该方法应用于实际的±800kV直流输电线路,对地面合成电场和离子流密度进行了计算,分析了导线对地高度、极间距、正负极起晕情况不同以及避雷线对地面合成电场和离子流密度的影响。结果显示随导线高度升高和极间距减小,地面的最大电场强度和离子流密度随之减小。在正、负极起晕不同时,负极导线下面的合成电场和离子流密度的最大值比正极大。计算中,考虑避雷线会增大地面的合成场强和离子流密度,但是不明显。

低压永磁直流电机的传导电磁干扰模型

针对直流电机的高频阻抗特性复杂、建模困难这一问题,建立覆盖直流电机传导电磁干扰全频段的仿真模型。利用测量获得的电机端部阻抗频谱特性,建立准确反映电机高频阻抗特性的电路模型;在分析电机产生瞬态噪声电压机理的基础上,测取电机端部瞬态电压脉冲,建立电机传导电磁干扰仿真模型。仿真与实验结果表明,两者变化趋势一致,误差小于1.5%,验证了所建立的低压永磁直流电机的传导电磁干扰模型的正确性,该模型能够完全仿真永磁直流电机在0.15MHz～108MHz频率范围内的传导电磁干扰特性,具有很好的通用性,可用于对永磁直流电机传导电磁干扰的预测与分析。