空間太陽能電站微波能量傳輸驗證方案設(shè)計

董亞洲，董士偉，王穎，付文麗，李小軍，高式昌，韋高

1.西北工業(yè)大學 電子信息學院，西安 710129 2.中國空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710100

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空間太陽能電站微波能量傳輸驗證方案設(shè)計

董亞洲1，2，董士偉2，*，王穎1，2，付文麗2，李小軍2，高式昌1，韋高1

1.西北工業(yè)大學 電子信息學院，西安 710129 2.中國空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710100

微波能量傳輸技術(shù)作為空間太陽能電站(Space Solar Power Station，SSPS)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前的研究和驗證工作均集中在各單項技術(shù)的突破和驗證，缺乏針對SSPS系統(tǒng)特點的全面優(yōu)化設(shè)計。文章根據(jù)SSPS的工作模式給出了全面驗證空間太陽能電站微波能量傳輸?shù)尿炞C系統(tǒng)方案設(shè)計，對收發(fā)天線進行了一體化設(shè)計，利用了幅度近似高斯分布的發(fā)射陣列場分布設(shè)計和低反射的接收整流陣列設(shè)計，以高精度來波方向測量和高精度移相控制為波束指向控制的技術(shù)途徑。對驗證系統(tǒng)的波束收集效率進行了分析，收集效率可達94.2%，比傳統(tǒng)均勻分布系統(tǒng)高出17.6%。驗證系統(tǒng)可從系統(tǒng)規(guī)模縮比、波束掃描范圍、發(fā)射天線口徑場分布、整流天線處功率密度、反向波束控制方法等方面模擬SSPS微波能量傳輸工作模式，推動SSPS系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

空間太陽能電站；微波能量傳輸；場分布；整流天線

近幾十年來，以美國和日本為首的許多國家都展開了空間太陽能電站(Space Solar Power Station，SSPS)相關(guān)研究工作，提出了30余種不同的系統(tǒng)設(shè)想[1-5]。空間太陽能電站的核心——微波能量傳輸(Microwave Power Transmission，MPT)成為研究的重點之一，得到了廣泛而深入的研究和驗證[6-8]。

在中國，SSPS的概念也被廣泛接受并開展了持續(xù)研究，中國空間技術(shù)研究院和西安電子科技大學的研究人員分別提出了多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站和OMEGA型空間太陽能電站概念方案設(shè)計[9-11]。中國空間技術(shù)研究院西安分院、重慶大學、四川大學均開展了針對SSPS的微波能量傳輸技術(shù)研究及驗證[12-14]，在2.45 GHz和5.8 GHz頻段上分別開展了關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了初步研究成果，并進行了傳輸系統(tǒng)的初步驗證試驗。但是仍然存在一些問題，如系統(tǒng)整體效率不夠高、缺乏波束控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前的研究主要集中在能量轉(zhuǎn)換技術(shù)等單項技術(shù)的研究和系統(tǒng)傳輸功能等初步驗證上，在針對空間太陽能電站特點的研究方面，如高精度指向控制、波束收集效率提高及空間太陽能電站最為關(guān)鍵的整體效率指標的驗證等方面，研究尚不夠深入。

本文提出了全面驗證SSPS微波能量傳輸工作模式的驗證系統(tǒng)，對收發(fā)天線進行了一體化設(shè)計，在發(fā)射天線陣列上采用了近似高斯的場分布設(shè)計，接收整流陣列采用了低反射的電磁超材料設(shè)計，波束指向控制技術(shù)以軟件化高精度來波方向測量和高精度移相控制為技術(shù)途徑，顯著地提高了波束收集效率和接收整流效率，可為未來空間太陽能電站、分布式衛(wèi)星系統(tǒng)及地面無線輸電等應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 SSPS微波能量傳輸驗證系統(tǒng)架構(gòu)

微波能量傳輸系統(tǒng)作為空間太陽能電站中的關(guān)鍵部分，微波能量傳輸技術(shù)相關(guān)研究大多關(guān)注于能量轉(zhuǎn)換效率的突破和簡單的功能驗證。SSPS微波能量傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵難點在于系統(tǒng)整體效率的提高需要從各環(huán)節(jié)各方面全面考慮，目前缺乏針對SSPS系統(tǒng)特點全面優(yōu)化設(shè)計的驗證系統(tǒng)。

面向空間太陽能電站的MPT驗證系統(tǒng)縮比驗證思想如圖1所示，商業(yè)化運行的吉瓦級SSPS發(fā)射天線口徑達1 km以上，位于GEO軌道，到地面接收站的傳輸距離約為36 000 km，為了達到90%以上的波束收集效率，地面接收整流陣列的口徑約4 km以上。從系統(tǒng)規(guī)模和驗證試驗成本方面考慮，發(fā)射天線口徑定為1.1 m左右，可根據(jù)天線單元的尺寸、數(shù)量和排布進行微調(diào)。由波束收集效率與收發(fā)天線口徑面積、傳輸距離之間的比例關(guān)系，可以確定驗證系統(tǒng)的整流天線口徑為4.3 m，傳輸距離為36 m時可以在收發(fā)天線口徑與傳輸距離縮比的情況下驗證SSPS微波能量傳輸波束收集效率。口徑場分布為近似高斯分布[2]。吉瓦級空間太陽能電站接收處的最大功率密度為23 mW/cm2，由于整流效率與功率密度大小密切相關(guān)，在驗證系統(tǒng)中整流天線中心需達到同等水平的功率密度，經(jīng)計算得到微波能量發(fā)射功率約需要900W。SSPS所在的靜止軌道到中國國土范圍內(nèi)的指向范圍為0°～8.5°，因此驗證系統(tǒng)中的發(fā)射天線波束掃描范圍為0°～8.5°，為了減小移相單元的數(shù)量，同時避免柵瓣的影響，可利用機械掃描結(jié)合相位控制實現(xiàn)大范圍的波束掃描和高精度指向控制，高精度指向控制技術(shù)基于導(dǎo)引信號(Direction of Arrival，DOA)估計和移相控制波束綜合技術(shù)實現(xiàn)，波束控制精度與波束寬度相關(guān)，一般為波束寬度的1/10。驗證系統(tǒng)將從以下幾個方面模擬SSPS微波能量傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ剑合到y(tǒng)規(guī)模縮比、波束掃描范圍、發(fā)射天線口徑場分布、整流天線處功率密度、反向波束控制等。微波能量傳輸驗證系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖見圖2。

影響微波能量傳輸系統(tǒng)各部分轉(zhuǎn)換效率和傳輸效率的主要因素有收發(fā)天線口徑及場分布、傳輸距離、接收功率密度及波束指向的準確性。整個系統(tǒng)的效率鏈計算公式為:

(1)

式中：ηt、ηbeam和ηr分別為包含微波功率放大器和發(fā)射天線的微波能量發(fā)射機效率、收發(fā)天線之間的波束收集效率和微波能量接收整流效率。基于以上考慮，本文提出的驗證系統(tǒng)試圖從以下幾個方面驗證微波能量傳輸系統(tǒng)功能和效率的可行性：

1)收發(fā)天線與傳輸距離內(nèi)在約束關(guān)系對效率的影響；

2)發(fā)射陣列口徑場分布對效率的影響；

3)接收功率密度分布對效率的影響；

4)波束指向控制對效率的影響。

2 直流—微波轉(zhuǎn)換技術(shù)

在空間微波能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射端，高效直流微波能量轉(zhuǎn)換技術(shù)是重點研究內(nèi)容之一，因此高效的微波功率放大器是支撐微波能量傳輸?shù)年P(guān)鍵。高效微波功率放大器除了大功率電真空器件[15-17]以外，近年來以第三代半導(dǎo)體GaN等為代表的固態(tài)功率器件因其功率密度高，對提高轉(zhuǎn)換效率、減小尺寸和簡化電路設(shè)計具有重要意義，已得到了廣泛關(guān)注。

在直流—微波能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，采用新型電路和新型GaN器件，通過諧波調(diào)諧等技術(shù)，利用特定比例的諧波分量調(diào)控晶體管漏極電壓和電流波形，實現(xiàn)固態(tài)微波功率放大器的高效率和大功率，如圖3所示。諧波控制類功放的基本思想是從頻域出發(fā)，利用特定比例的諧波分量來調(diào)控晶體管漏極電壓和電流波形，使漏極電壓與電流波形交錯，即完全沒有重疊部分，這樣，晶體管上的熱耗散為零，直流能量就可以全部轉(zhuǎn)化為交流能量，從而實現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換。由于寄生參數(shù)的存在，基波電壓和電流之間的相位差在最大輸出功率時并不等于180°，因此如果簡單地按照理想F類功放的設(shè)計思路，僅僅將偶次諧波設(shè)定為短路，奇次諧波設(shè)定為開路，漏極電壓和電流也會出現(xiàn)較大重疊，并不能實現(xiàn)高效率的目的。要求在設(shè)計功放的輸出匹配電路時同時考慮最佳基波和諧波阻抗。

研制了C頻段F類高效功率放大器如圖4所示，工作頻率為5.8 GHz，飽和輸出功率為41.2 dBm，增益為12 dB，漏極效率高達63%。

3 發(fā)射天線陣列設(shè)計

發(fā)射天線陣列如圖5所示，為148個子陣組成的平面微帶天線陣列，整個天線陣列近似呈圓形，口徑為1.1 m。各個子陣的發(fā)射功率分為7種等級以形成準高斯分布。每個子陣為工作在5.8 GHz的2×2個圓極化輻射單元構(gòu)成的微帶天線陣列，其回波損耗和增益的仿真結(jié)構(gòu)見圖6。輻射單元中心相距0.77個波長，5.8 GHz電磁波波長為5.18 cm，因此各子陣中心相距約為8 cm。由此可根據(jù)方向圖相乘原理計算得到整個陣列的輻射方向圖，見圖7。第一零點波束寬度為9°，最大副瓣電平為-26 dB。

4 整流天線陣列設(shè)計

國際上多次微波能量傳輸驗證試驗中均發(fā)現(xiàn)整流天線陣列后向散射導(dǎo)致的損耗不可忽略，尤其是當微波波束斜入射時。如在1975年NASA/JPL在Goldstone的微波能量傳輸試驗中有111 W的微波能量(約占到達整流天線陣列處總能量的5%)被接收天線反射，主要原因是陣列的失配、諧波的再次輻射和極化失配[18]。

傳統(tǒng)的整流天線設(shè)計中天線單元與常規(guī)發(fā)射單元類似，存在一些不可避免的問題，如由天線雷達散射截面帶來的不可避免的后向散射，不均勻場分布帶來的口徑效率下降，陣列單元之間互耦及吸收效率隨入射角變化而降低等。此外，傳統(tǒng)的整流天線為了實現(xiàn)接收天線單元與整流電路之間的阻抗匹配，同時抑制由于整流電路非線性產(chǎn)生的高次諧波的再次輻射，通常需要在天線與整流電路之間引入低通濾波器，將導(dǎo)致額外的插入損耗，影響到最終的接收整流效率。

為了解決這個問題，可基于亞波長諧振單元形成理想匹配層的方法來實現(xiàn)微波能量的低反射接收[19]，通過優(yōu)化諧振單元結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)與空間阻抗與整流電路阻抗的匹配，同時可以與諧波阻抗失配，抑制諧波輻射，不需要引入濾波器，提高了整體效率。基于人工完美匹配層的整流表面如圖8所示。目前已經(jīng)進行了2.18 GHz和5.8 GHz的試驗驗證。

在2.18 GHz的試驗中微波能量波束為線極化，在±30°的角度范圍內(nèi)接收效率大于96%，整流效率大于27.7%。在5.8 GHz的試驗中微波能量波束為圓極化，總體整流效率高達58%。

5 波束指向控制技術(shù)

高精度波束指向控制(如圖9所示)采用在接收端發(fā)送導(dǎo)引信號，發(fā)射端基于DOA估計測角，再通過控制發(fā)射陣列相移來高精度控制能量波束。

在軟件化反向波束控制中，到達角測量可利用相位干涉技術(shù)實現(xiàn)，通過接收整流陣列發(fā)送導(dǎo)引信號，在發(fā)射陣列上設(shè)置多個導(dǎo)引信號接收機，使用鑒相器測得各接收機接收到的導(dǎo)引信號相位差即可確定來波方向。接收機之間的基線長度越長，角度測量精度也越高。但是容易產(chǎn)生相位和角度的多值模糊現(xiàn)象，致使系統(tǒng)無法得到目標的真實來向。通常可采用多基線相位干涉儀系統(tǒng)解決干涉儀測角多值模糊問題，利用附加的短基線確定出真實來波方向的范圍，從而唯一確定來波方向。

得到了接收端的精確方向之后通過陣列天線波束綜合算法分析產(chǎn)生低副瓣高效率的微波波束所需的陣列天線幅度、相位分布，控制各發(fā)射天線單元的幅度和相位，抑制旁瓣，形成高效率高指向精度的能量波束，提高波束收集效率，有多種優(yōu)化目標和算法可供選擇，但需要考慮計算時間因素。

利用各種波束控制算法得到發(fā)射天線各單元的相位分布之后便需要通過移相器來實現(xiàn)所需的相位分布，陣列天線所需的移相器位數(shù)與波束指向精度的關(guān)系為：

(2)

式中：m為移相器位數(shù)；d為天線單元間距。目前實際應(yīng)用的移相器位數(shù)為6位左右，且移相器位數(shù)越高成本越高，插損也越大。當計算可得所需的移相器位數(shù)大于6位時，為了降低成本，減小插損，并滿足波束指向精度的要求，必須采用虛位移相技術(shù)。

6 波束收集效率分析

根據(jù)發(fā)射天線陣列的口徑計算可得遠場距離大于46 m，驗證系統(tǒng)中收發(fā)天線相距36 m，因此整流天線工作在接近遠場的發(fā)射天線菲涅爾區(qū)，與SSPS系統(tǒng)的情況相同。根據(jù)微波理論，最佳場分布情況下的收發(fā)天線之間的波束效率ηbeam：

(3)

另一方面，從數(shù)學的角度出發(fā)，波束收集效率ηbeam可以用輻射場積分的方法得到[21-22]，根據(jù)系統(tǒng)模型，本系統(tǒng)的波束收集效率可以用以下方程計算得到：

(4)

(5)

(6)

式中：Pt，Pc分別為發(fā)射天線發(fā)出的功率和整流天線接收到的功率；E(u，v)為輻射場強；u=sin(θ)cos(φ)，v=sin(θ)sin(φ)；Ω為整流天線所覆蓋的立體角，如圖11所示。

盡管傳輸距離小于整個發(fā)射天線陣列的遠場距離，但是對于每個子陣來說傳輸距離均大于各個子陣的遠場距離，因此陣列的輻射場可以通過各個子陣在整流天線處相位聚焦的遠場疊加計算得到[23]。通過這種方法計算得到ηbeam，結(jié)果見圖12中所示的實線曲線，當整流天線口徑為4.3 m時波束收集效率為94.2%。以上兩種計算方法得到的結(jié)果吻合良好。

當發(fā)射天線陣列的場分布為均勻分布時，同樣用輻射場積分方法計算了波束收集效率見圖12中虛線。可以看出當整流天線較小時，由于均勻分布的波束寬度較窄，其波束收集效率比準高斯分布時略高，但是當整流天線足夠大時準高斯分布的波束收集效率要高的多(均勻分布時僅為76.6%)，這是因為準高斯分布的副瓣電平較低。

7 結(jié)束語

本文提出了面向SSPS的微波能量傳輸演示驗證系統(tǒng)，該驗證系統(tǒng)可以全面模擬空間太陽能電站微波能量傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ剑Ⅱ炞C系統(tǒng)功能和效率。

重點分析了發(fā)射天線陣列和系統(tǒng)的波束收集效率。發(fā)射天線陣列為近似圓形平面微帶天線陣列，場分布為準高斯分布，第一零點波束寬度為9°，最大副瓣電平為-26 dB。根據(jù)兩種方法分別計算了波束收集效率，結(jié)果均表明波束收集效率可達約94%。同樣還對比了均勻分布情況下的波束收集效率，從結(jié)果可以看出本系統(tǒng)的準高斯分布對于提高系統(tǒng)波束收集效率十分有效。

提出了基于人工微波表面形成完美匹配層的方法來實現(xiàn)微波能量的低反射接收，可以實現(xiàn)電路輸出阻抗和整流電路輸入阻抗的共軛匹配，且可以抑制整流電路非線性性產(chǎn)生的高次諧波的輻射，從而不需要引入濾波器，使結(jié)構(gòu)更加簡化，減小了損耗。

未來工作中，本驗證系統(tǒng)可從以下幾個方面驗證微波能量傳輸系統(tǒng)功能和效率的可行性：收發(fā)天線與傳輸距離內(nèi)在約束關(guān)系對效率的影響，發(fā)射陣列口徑場分布對效率的影響，接收功率密度分布對效率的影響，波束指向控制對效率的影響。

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(編輯：車曉玲)

Microwave power transmission demonstration system design for Space Solar Power Station

DONG Yazhou1，2，DONG Shiwei2，*，WANG Ying1，2，F(xiàn)U Wenli2，LI Xiaojun2，GAO Shichang1，WEI Gao1

1.SchoolofElectronicsandInformation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi′an710129，China2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceMicrowave，ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an)，Xi′an710100，China

Microwave power transmission (MPT) is one of the key technologies in Space Solar Power Station (SSPS). The state-of-the-art researches and validations only focus on individual technology but lack of comprehensive optimization for SSPS system. According to the operating mode of SSPS，a demonstration system was proposed to validate microwave power transmission in SSPS. The transmitting antenna array and rectenna array were designed by using integrated processing with approximate Gaussian field distribution in transmitting antenna array and low reflection design in rectenna array. The beam control method in the system was based on direction of arrival estimation by sending pilot signal and beam synthesis by controlling the phase shifters in the transmitting antenna array. The analyzed beam collecting efficiency of demonstration system is 94.2%，about 17.6% higher than the traditional uniform distribution system. The demonstration system comprehensively simulates the MPT of SSPS in several ways， including system scale minification，transmitting antenna field distribution，etc.，power density and beam controlling and it can be the promotion of SSPS development.

Space Solar Power Station；microwave power transmission；field distribution；rectenna array

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0026

2016-11-03；

2017-02-04；錄用日期：2017-05-18；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-03-21 15:59:45

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1559.013.html

裝備預(yù)研基金(9140A20090314HT05310)

董亞洲(1985-)，男，博士研究生，yazhoudong@gmail.com，研究方向為空間微波功率技術(shù)

*通訊作者：董士偉(1974-)，男，高級工程師，sw.dong@126.com，研究方向為空間微波功率技術(shù)

董亞洲，董士偉，王穎,等.空間太陽能電站微波能量傳輸驗證方案設(shè)計[J].中國空間科學技術(shù),2017,37(3)：

11-18.DONGYZ,DONGSW,WANGY,etal.MicrowavepowertransmissiondemonstrationsystemdesignforSpaceSolarPowerStation[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017,37(3)：11-18(inChinese).

TM615

A

http:∥zgkj.cast.cn