微波能量傳輸系統設計及試驗

王穎，韋高，董亞洲，，董士偉，付文麗，李小軍，冉立新

1.西北工業大學 電子信息學院，西安 710072 2.中國空間技術研究院 西安分院，西安 710000 3.浙江大學 信息與電子工程學系 杭州 310027

?

微波能量傳輸系統設計及試驗

王穎1，2，*，韋高1，董亞洲1，2，董士偉2，付文麗2，李小軍2，冉立新3

1.西北工業大學 電子信息學院，西安 710072 2.中國空間技術研究院 西安分院，西安 710000 3.浙江大學 信息與電子工程學系 杭州 310027

面向空間太陽能電站應用，進行了固態體制微波能量傳輸技術研究。針對能量傳輸波束擴散導致收集效率低的問題，研究了基于人工媒質理論設計的完美匹配層的能量接收整流表面，通過調節人工媒質單元的結構參數實現天線輸出阻抗與整流電路輸入阻抗的共軛匹配，同時抑制整流電路高次諧波，省去原有匹配及低通濾波器，簡化電路結構、實現高效微波能量吸收與轉換。以空間太陽能電站規定的波束中心傳輸微波功率密度限制作為能量接收整流表面設計的約束條件，設計能量接收整流表面，結合固態體制微波能量發射端，搭建5.8 GHz小規模微波能量傳輸系統開展了地面試驗驗證，實測結果顯示整流表面能量轉換效率最高為57.7%。此次試驗驗證了先進的固態能量傳輸試驗系統，為空間太陽能地面縮比試驗及未來空間太陽能電站的建設提供了技術支撐。

空間太陽能電站；微波能量傳輸；天線；完美匹配層；整流；波束中心；功率密度

自1968年P.E.Glaser提出空間太陽能電站(Space Solar Power Satellite，SSPS)概念[1]后的幾十年間，以美國和日本為首的多個國家都展開了SSPS方案相關的研究工作，提出了30余種不同的系統設想。具體實現途徑可大致分成兩類：一類是在地球同步軌道(Geosynchronous Orbit，GEO)上將太陽能轉換為微波或激光后，通過無線方式傳輸到地面，再將微波或激光轉化為電能；另一類是在GEO軌道上將太陽光會聚后傳輸到地面，在地面再進行轉化[2-3]。

雖然SSPS不存在不可逾越的技術原理問題，但因其宏大的空間系統規模，能否在短期內實現仍存在很大爭議，尤其系統效率過低與構建成本巨大的矛盾是其頗受質疑的問題之一，但是最近幾年，一方面隨著航天器技術和運載技術的飛速發展，空間發電成本有望下降到具有商業價值的階段[4]，另一方面，隨著器件及技術進步，各個傳輸環節的效率也在提升中，SSPS似乎不再是遙不可及的空想[5]。根據國際無線電科學聯合會(Union Radio Scientific International，URSI)發表的關于SSPS的觀點中認為，從經濟因素考慮整個無線能量傳輸系統效率(直流—微波—直流轉換)至少要達到50%[6]。為實現該目標，需要提高傳輸路徑上各個環節的效率。其中在接收端，由整流天線完成能量接收和整流，雖然其性能良好并趨于成熟，但是仍存在著諸多限制。主要原因在于整流天線是由傳統天線和整流電路兩部分組成，所以傳統天線中的背向散射、不均勻口徑激勵、陣列單元之間互耦、接收性能隨入射角變化明顯等問題同樣也反映在整流天線中。這些問題導致了微波在整流天線口徑面產生反射，降低了天線增益，進而降低了能量轉換的效率。根據SSPS的系統設想，其發射功率達到吉瓦量級，所以即使是非常小的反射和衰減都將導致巨大的能量損失。此外，已有的地面試驗并未考慮傳輸波束的功率密度問題，根據URSI關于SSPS和微波能量傳輸的若干觀點，為了保證環境健康和安全，波束中心的微波傳輸功率密度建議限值約為23mW/cm2[6]。

針對上述問題，本文以SSPS為應用背景，創新地提出以SSPS系統相匹配的功率密度為目標，采用人工媒質完美匹配層實現能量接收整流表面，提高了接收端的效率。并結合固態體制微波能量發射端，開展了地面試驗驗證，試驗結果對于SSPS系統設計具有較高的參考價值。

1 微波能量傳輸技術

在URSI發表的觀點中，將微波能量傳輸效率作為SSPS存在的4個技術挑戰之一，因此，微波無線能量的傳輸技術是SSPS實現需要突破的關鍵技術，也是一直以來國際上關于SSPS研究的重點。

1.1 國外研究進展

美國、日本、加拿大等國進行了一系列的微波無線能量傳輸試驗研究[7-8]，幾個比較有代表性的系統試驗有：1975年美國在Goldstone完成了迄今最大功率的能量傳輸試驗，工作頻率2.388 GHz，發射端采用直徑為26 m的拋物面天線，發射功率450 kW，接收端整流天線尺寸為3.4 m×7.2 m，獲得30 kW的直流功率，傳輸距離為1.54 km。雖然本次試驗中所用的整流天線整流效率高達82.5%，但是由于接收整流陣列較小，波束收集效率僅為11.3%，同時由于接收天線的后向反射和整流電路的損耗，本次試驗的微波—直流的傳輸效率僅為6.6%[9]。

2008年，美國航空航天局將20 W微波能量從夏威夷毛伊島的山頂上傳輸至148 km外的另一座島嶼上，發射天線采用了平面陣列天線，工作頻率為2.45 GHz。這次試驗是迄今傳輸距離最遠的微波能量傳輸驗證試驗，但是此次試驗由于收發天線尺寸有限，傳輸距離遠，天線工作在遠場區，導致傳輸效率遠小于1%[10]。

日本是開展微波能量傳輸研究最為持續、深入的國家，至今已進行了十余次大型試驗和驗證，近期先后兩次進行了試驗，其中2015年3月8日JAXA將1.8 kW功率傳輸到55 m距離外的接收裝置。在接收端收到的功率范圍在320～340 W，通過變換為無線電愛好者的通信設備供電。此次試驗工作頻率為5.8 GHz，微波—直流效率為18.8%，系統總體直流—直流效率約為6.6%[11]。

1.2 國內研究進展

2009年，四川大學實現了微波能量傳輸中距離演示試驗系統，工作頻率5.8 GHz，微波功率源采用了速調管放大器，微波發射功率達到了600W，發射天線口徑面尺寸為2.4 m×1.5 m，接收天線尺寸為8 m×3 m，傳輸距離為200 m[12]。2013年完成了千瓦功率量級、千米距離的微波能量傳輸試驗，采用4個C波段磁控管進行功率合成，發射天線陣列面積為16 m2，接收天線陣列為64 m2。

2014年中國空間技術研究院西安分院成功實現了微波能量傳輸試驗。演示驗證試驗系統工作頻率2.45 GHz，發射天線直徑2.6 m，接收為2.6 m矩形口徑整流天線。在11 m傳輸距離和50 W發射功率下，實現了優于16.5%的傳輸效率[13]。

1.3 小結

國內外以SSPS為應用背景陸續開展了微波能量傳輸技術的地面試驗與演示系統驗證，并在有限的范圍內投入實際應用。總的來看，已經由理論和概念研究轉向實際試驗與應用系統研究。然而盡管在微波無線能量傳輸技術方面已經實現了千米距離、千瓦量級的地面無線能量傳輸試驗，但是系統總效率仍然較低，距離實際應用仍有較大差距。同時已經開展的地面試驗并未將微波傳輸波束中心的功率密度問題考慮在內。

2 固態微波能量傳輸系統設計

2.1 系統方案

微波能量傳輸系統主要由能量產生發射部分及能量接收整流兩部分組成。本系統方案設計的總體思想是保證接收端接收到的微波傳輸功率密度為23 mW/cm2，以該數值為約束條件構建能量傳輸系統。在接收端將其作為整流電路的輸入功率設計條件，并且為了提高接收整流表面的效率，接收天線采用陣列形式。在發射端，為保證接收整流陣列表面上的功率密度均勻且為23 mW/cm2，發射天線口徑、功率源輸出功率、傳輸距離間具有一定的相互制約關系，需協同考慮設計。

基于完美匹配層能量接收整流表面的固態微波能量傳輸系統組成框圖如圖1所示，系統工作頻率為5.8 GHz。其中發射端包括：1)產生適合能量傳輸工作頻率的微波信號的頻率源。本方案中采用信號源實現。2)為末級功率放大器提供功率驅動的驅動放大器及將直流功率轉換成微波功率的固態功率放大器。考慮到轉換效率、工作電壓、體積和質量等因素，目前有望應用于SSPS的高效微波功率源主要有固態微波功率器件及電真空器件。雖然在目前技術條件下，整體而言固態器件的效率仍然略低于電真空器件，但是隨著GaN和SiC等新型半導體材料構造的大功率固態器件的涌現，可以預見未來新型固態放大器的效率提升空間很大。本方案中采用的是GaN高效固態功率放大器。3)對輸出功率進行分配，將能量耦合進天線的功率分配器。由于方案中功率源使用的是單路GaN大功率固態源，需要分配網絡將功率源能量進行分配再饋入到發射天線上的各陣元，本方案中采用的是兩級一分四路功分器。4)將能量以微波形式輻射出去的發射天線陣列。在微波能量傳輸的早期研究中通常選擇大型拋物面天線，隨著微波能量傳輸研究的深入發展，為了精確快速控制微波波束方向，越來越傾向于使用平面微帶相控陣天線[14-15]，本方案中同樣采用平面微帶天線陣列，以構成高斯波束及高效能量傳輸為優化目標，設計發射天線陣列。在能量接收端，5)主要是將發射端發射的微波能量接收下來的接收天線陣列及將微波能量轉換成直流的整流陣列，再通過直流合成網絡饋送到直流負載。

以往試驗系統設計中，采用的接收天線為傳統的天線形式，設計中沒有考慮接收天線的后向反射問題，而在微波能量傳輸中接收天線的反向反射將導致微波能量散射，使得接收到的能量減少，降低了傳輸效率。為了解決這個問題，本文提出采用人工微波表面形成完美匹配層的方法來實現微波能量的無反射接收。完美匹配層具有類似黑體的特性，可以無反射地吸收微波輻射。盡管由于嚴格的數學形式的限制，完美匹配層在工程上很難實現，但是當微波波束在垂直和小角度入射時，可以基于微波超材料的概念合成人工完美匹配層，匹配層由周期排列的亞波長諧振單元構成。用人工完美匹配層無反射的吸收微波波束后，再接入到整流電路中轉化為直流功率。此外，可以通過改變諧振單元的結構來實現完美匹配層電路輸出阻抗和整流電路輸入阻抗的共軛匹配，對整流電路非線性而產生的高次諧波進行抑制，因此不再需要引入濾波器，使結構更加簡化。

2.2 能量發射端

功率源方面，本次試驗采用的是GaN高效固態功率放大器，由于信號源的最大輸出功率不足以推動功率放大器工作，因此先通過驅動放大器將信號源產生單頻5.8 GHz信號放大，再輸入到功率放大器中。鑒于此次試驗重點在能量接收表面的研究，因此并未對功率源展開深入研究，實驗中測試功率放大器的飽和輸出功率為69 W，計算得到的最大直流—微波轉換效率為51%。

對于發射天線陣列的設計，是將整個無線能量傳輸系統看作是一個多端口網絡，即發射天線陣列上的各個陣元作為多端口網絡中的獨立端口，同樣將接收天線也看作一個端口，根據網絡中各端口S參數相互作用，以能量傳輸效率最優作為目標，完成發射天線陣列的激勵優化。如圖2所示，將n×n的發射天線記為端口1，端口2，……，端口n，接收天線記為端口0，則能量傳輸系統可看做為由(n+1)個端口構成的微波網絡。當微波能量傳輸系統為匹配時，優化的激勵分布滿足：

(1)

對于確定的能量傳輸系統，A可通過測量或整體系統仿真獲得，經過矩陣運算，可以得到特征值向量at，即發射天線陣列的激勵分布。當發射天線陣列是中心對稱時，則式(1)中矩陣和向量的秩可減少至n/2以下，并且式(1)存在唯一的有效本征值，該值為最大的能量傳輸效率，而此時對應的特征向量即為優化的發射天線陣列激勵分布。

據此設計了8×8的微帶發射天線陣列，由16個子陣組成，每個子陣為工作在5.8 GHz的單饋的2×2圓極化微帶陣列，由同軸端口饋電。各子陣之間的中心距離為0.77λ(～8 cm)，整個發射天線陣列的尺寸為30.4 cm×30.4 cm。根據子陣位置，由陣列的對稱性可以將子陣分為三組，具體為：第一組4，7，10，13；第二組2，5，8，14，15，12，9，3；以及第三組1，6，16，11；其中每一組中各個端口的激勵都是一致的。因此需要進行優化的端口僅為端口1，2和4，而其優化的最佳激勵可由式(1)得到。最終設計的發射天線陣列如圖3所示。

2.3 能量接收端

(1)能量接收表面

物理學中的黑體可以完全地吸收任意頻率和入射角的來波，而在微波領域中完美匹配層也具有類似黑體的特性，可以無反射地吸收微波輻射。

電磁波在不同媒質邊界上的反射現象主要是由兩種媒質間的波阻抗不匹配造成的。因此阻抗匹配是實現微波高效接收的關鍵，在本系統的能量接收表面中利用復數阻抗匹配，直接將整流電路的輸入阻抗與左旋圓極化接收表面的阻抗進行共軛匹配，從而消除反射現象，達到完美匹配層的效果，這便是人工實現完美匹配層的基本原理。并且由于省去了接收表面與整流電路之間的匹配網絡和濾波器，減小了插入損耗，進一步提高了整流效率。

能量接收表面諧振單元示意如圖4所示，左側為頂視圖，右側為其側視剖面圖。可以看到，該單元結構由三層構成，上層為完美匹配層構成的諧振單元，下層為諧振單元背后配有的整流電路，中間層為天線和整流電路的公用地層。上層和下層間通過過孔相連，使得表面接收到的能量通過過孔饋入到背面的整流電路，從而作為整流電路的輸入信號。

設計的帶有開槽的正方形亞波長諧振結構，貼片金屬的邊長為13.6 mm，切槽的寬度和長度分別為0.3 mm和3.7 mm。對諧振單元在微波仿真軟件中進行S參數仿真，利用軟件的周期邊界模擬無限大周期表面，仿真結果如圖5所示，由結果可知5.8 GHz時接收表面輸入駐波約為-33 dB，整流表面端口輸入駐波約為-30 dB，接收表面到整流電路輸入端的損耗約為-0.3 dB，表明了輸入波能量基本都進入到整流電路中進行整流，并且在二次諧波11.6 GHz處基本全反射，證明去掉射頻濾波器是可行的。

(2)整流電路

整流電路采用單管并聯的電路形式，其原理如圖6(b)所示。可以看到，與傳統整流電路相比，它去掉了天線與整流二極管之間的射頻低通濾波器，從而消除了由濾波器帶來的插入損耗，增加了整流電路的能量收集效率。利用ADS軟件的諧波平衡仿真，用指定復數阻抗的功率源代替能量接收表面，進行整流效率和輸出諧波抑制仿真。直流濾波器采用圖7所示的微帶扇形和短枝節濾波器的結構實現，作用是分別對一次諧振5.8 GHz和二次諧波11.6 GHz的輸出分量進行諧波抑制。

根據前述設計的能量接收表面，一個單元所占的面積為1.36 cm×1.36 cm=1.85 cm2，與接收表面功率密度限定值23 mW/cm2相乘即可得到一個接收單元接收到的功率為42.55 mW，換算后約為16 dBm，則以16 dBm作為整流電路的輸入功率，同時以效率為優化目標對電路進行仿真，得到的整流電路版圖如圖7所示。此時的最高轉換效率為79%，輸出電壓約為3.22 V，負載電阻330 Ω，電路的輸入阻抗為20-j×58。

由于單個二極管的輸入功率有限，同時整個能量接收表面的接收效率跟其口徑效率有關，為了提高口徑效率，對單元進行組陣。常用的組陣方式包括串聯組陣、并聯組陣和串并聯組陣[17]。整流電路的線性等效模型可以等效為輸出電壓為E的電壓源與最佳負載R的串聯結構。n元并聯陣可以等效為輸出電壓為E的電壓源與最佳負載為r/n的串聯；n元串聯陣可以等效為輸出電壓為nE的電壓源與最佳負載為nR的串聯。而對于n×n串并聯陣，可以等效為輸出電壓為nE的電壓源與最佳負載為R的串聯。

在本次設計中，采用簡單n×n的并聯組陣方式，即直接將所有輸出端的電路并聯為一個R/n2的負載。最后實現的陣列為8×8陣列，接收整流表面的尺寸為16 cm×16 cm。

3 試驗系統

搭建微波能量傳輸試驗系統示意如圖8所示。

整流表面的轉換效率為：

(2)

式中：Vout為負載兩端的直流電壓；RLoad為負載電阻；Pr為整流表面接收到的總功率。其中，Vout和RLoad可以通過電壓表直接測得，而Pr則很難直接在已設計好的整流表面上直接測量得到，因此試驗中使用定標天線作為輔助，對整流表面所處位置的接收功率進行測量。理論上需要對整流表面上全部接收天線處的接收功率進行測量，再進行疊加得到整流表面接收得到的總功率，但是事實上，本系統中的整流表面所處位置的中心點處接收到的功率與整流表面上其他各處接收到的功率相差非常小，因此可以認為整流表面接收到的功率是均勻分布的。故通過功率密度作為中間量過渡進而計算得到整流表面接收到的總功率。

具體實現方法是在接收端采用任意的接收天線作為定標天線，天線后端接功率計，根據功率計的讀數，計算得到定標天線的接收功率，設為Pr0，則得到一定距離下的功率密度S0：

(3)

式中：Pr0為定標天線接收到的功率；Ae為定標天線的有效口徑面積。

根據電磁波傳輸理論，計算可知在2 m的傳輸距離下，以整流表面中心為原點，12 cm為直徑的圓面上，其中心的功率密度與邊沿的功率密度相差不超過0.4 dB，且由中心向邊沿的衰減趨勢非常平緩，因此可以認為整流表面的功率密度近似為均勻分布，則將得到的功率密度S0與整流表面的面積Ar相乘，即可得到此距離下整流表面的接收功率。

此時整流表面的轉換效率即為：

(4)

試驗中采用已有微帶天線作為定標天線用于測量接收功率，其有效面積為28.7 cm2，整流表面面積為256 cm2(16 cm×16 cm)，整流表面直流負載為4.3 Ω。

在對接收表面接收到的功率密度進行標定后，測試了整流表面的圓極化性能。此時發射天線采用線極化喇叭天線，傳輸距離為0.56 m處，對比整流表面水平放置及旋轉90°之后垂直放置的整流結果。利用高精度的萬用表讀出直流負載兩端的電壓，此時的功率密度為12.94 mW/cm2。利用上述方法定標的功率密度即計算出整個整流表面的轉換效率。其結果如表1所示，水平極化和垂直極化下整流表面轉化效率差異在4%，證明了接收整流表面圓極化性能良好。

表1 不同極化測試結果

然后使用前述設計的圓極化微帶平面天線陣作為發射天線，測試不同距離情況下整流表面的轉化效率，測試結果如表2所示。

表2 轉化效率測試結果

可見，在收發天線相距2 m時，整流表面轉化效率得到最高值57.7%；而在接近功率表面密度限值的23 mW/cm2處，傳輸距離為1.24 m，整流表面轉換效率僅為40.7%。表明在SSPS規定的波束中心傳輸微波功率密度限值附近，整流表面未能達到最佳轉換效率。

分析系統整體鏈路的效率，對于所研究的能量傳輸系統，傳輸效率為鏈路上各環節效率的乘積：

(5)

式中：ηs為微波功率源的能量轉換效率；ηtr為發射天線能量傳輸效率；ηb為接收天線對波束的收集效率；ηrect為能量接收整流表面的效率。

功率源方面，前述已測得最大直流—微波轉換效率為51%。

發射天線的效率主要是通過將功率源至發射天線間鏈路損耗換算所得，測得的一分四路功分器的插損為1.1 dB，線纜損耗總和為0.4 dB。因此損耗共計2.6 dB，由dB與功率間換算公式可得輸出功率與輸入功率的比為0.55，即發射天線的能量傳輸效率為55%。

波束收集效率則根據微波理論，通過：

(6)

能量接收整流表面的轉換效率測試結果見表2所列，傳輸距離為2 m時的能量轉換效率為57.7%。

因此，傳輸距離為2 m時的能量傳輸系統直流—直流的轉換效率為：η=51%×55%×19.4%×57.7%=3.14%。

4 結束語

1)受限于收發天線面積，設計的微波能量傳輸系統波束收集效率過低，系統整體效率僅為3%左右。由于波束擴散不可避免，對于提高波束收集效率，可以通過增大收發天線尺寸，擴大能量接收范圍的方法，但這將大大增加系統的規模并增大了設計復雜度。因此可以考慮對波束進行聚焦的方法，在發射端采用相控陣技術使得波束形狀產生改變，將能量匯聚，從而在不增加接收表面尺寸的前提下，增大能量波束密度，提高波束收集效率。

2)通過試驗對固態體制的微波能量傳輸系統進行了驗證，尤其是接收表面的能量接收與整流，基于完美匹配層設計的能量接收表面獲得了較為理想的試驗結果，整流表面轉化效率最高可達到57.7%，但是獲得最高轉化效率時接收表面的功率密度要比預期值低，需要在設計中進一步優化改進。

3)目前開展的微波能量傳輸試驗都是采用小口徑演示系統模擬大規模的發射陣列，與實際應用情況差異較大。因此，未來面向SSPS應用的固態能量傳輸技術的發展需要深入考慮功能的高集成度、大規模陣列實現及提高輻射效率和對準精度等方面的研究內容。而大規模的SSPS系統的功率容量將非常大，因此還需要考慮大功率微放電以及功率器件的空間使用壽命等方面的研究內容[18-21]。

References)

[1] GLASERP E. Power from the sun：its future[J]. Science，1968，162：857-861.

[2] 張興華，侯欣賓，王立，等. 空間太陽能電站聚光模式研究[J]. 中國空間科學技術，2016，36(2)：1-12.

ZHANG X H，HOU X B，WANG L，et al. Investigation of light concentrating mode for SSPS[J].Chinese Space Science and Technology，2016，36(2)：1-12(in Chinese).

[3] 楊陽，段寶巖，黃進，等. OMEGA型空間太陽能電站聚光系統設計[J]. 中國空間科學技術，2014，34(5)：18-23.

YANG Y，DUAN B Y，HUANG J，et al. SSPS OMEGA：a new concentrator system for SSPS[J]. Chinese Space Science and Technology，2014，34(5)：18-23(in Chinese).

[4] 王立，侯欣賓. 空間太陽能電站的關鍵技術及發展建議[J]. 航天器環境工程，2014，34(4)：343-350.

WANG L，HOU X B. Key technologies and some suggestions for the development of space solar power station[J].Spacecraft Environment Engineering,2014，34(4)：343-350(in Chinese).

[5] SASAKI S，TANAKA K. Wireless power transmission technologies for solar power satellite[C]. 2011 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission，Technologies Systems and Applications(IMWS)，IEEE，2011：3-6.

[6] URSI SPS國際委員會工作組. 太陽能發電衛星白皮書[M].北京：中國宇航出版社，2013：69-70.

URSI Inter-commission Working Group on SPS.Supporting document for the URSI white paper on solar power satellite systems[M].Beijing：China Astronautic Publishing House，2013：69-70(in Chinese).

[7] WILLIAMB C. History and status of beamed power technology and applications at 2.45 Gigahertz，N90-10150[R]. Massachusetts：NASA，1989.

[8] STRASSNER B， CHANG K. MPT historical milestones and system components[J]. Proceedings of the IEEE，2013，101(6)：1379-1396.

[9] DICKINSONR M.Performance of a high-power， 2.388-GHz receiving array in wireless power transmission over 1.54 km[C].IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium，1976:139-141.

[10] EVANS P. Solar power beamed from space within a decade? [EB/OL]．Gizmag， 2009. http:∥www.gizmag.com/solar-power-space-satellite/11064/.

[11] MATSUURA S. Transmitting power from space to ground. [EB/OL]．Tokyo：Japan Aerospace Exploration Agency，2015[2015-03-19]. http：∥www.xa.qp110.com/news/type-news.

[12] 劉長軍，李凱，黃卡瑪. 微波輸能技術研究進展[J]. 昆明理工大學學報(自然科學版)，2011，36(增刊)：19-22.

LIU C J，LI K，HUANG K M.Development of microwave power transmisson study[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2011，36(Sup.)：19-22(in Chinese).

[13] MA H H，LI X，SUN L L，et al. Design of high-efficiency microwave power transmission system[J]. Microwave and Optical Technology Letters，2016，58(7)：1704-1707.

[14] DONG Y Z，DONG S W，WANG Y，et al. Beam collecting efficiency analysis in microwave power transmission demonstration system for SSPS[C]. The 18thEurope Microwave Week，IEEE，Paris，France，6-11 September，2015.

[15] DONG Y Z，DONG S W，et al. Microwave power transmission demonstration system towards SSPS[C].The 66thInternational Astronautical Congress，Jerusalem，Israel，12-16 October，2015.

[16] LONG S，WEN G Y.Optimal design of focused antenna arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62(11)：5565-5571.

[17] 王業清，楊雪霞，江超. 整流天線組陣等效模型分析與實驗[J].上海大學學報，2013，19(3)：266-270.

WANG Y Q，YANG X X，JIANG C.Equivalent models and experiments of rectenna arrays[J]. Journal of Shanghai University，2013，19(3)：266-270(in Chinese).

[18] 邵文生，李季，于志強，等. 空間行波管陰極壽命試驗研究[J]. 中國空間科學技術，2017，37(2)：103-107.

SHAO W S，LI J，YU Z Q，et al. Study on life test of M-type impregnated cathode for space TWT[J].Chinese Space Science and Technology，2017，37(2):103-107(in Chinese).

[19] 李韻，崔萬照，張洪太，等. 星載大功率復雜微波部件微放電效應數值模擬[J]. 中國空間科學技術，2017，37(2)：73-80.

LI Y，CUI W Z，ZHANG H T ，et al. A novel simulation method of multipactor in complex component for satellite application[J].Chinese Space Science and Technology，2017，37(2):73-80(in Chinese).

[20] 伍成，孫鈞，陳昌華，等. 強電磁場真空擊穿中的電子束轟擊初步研究[J]. 中國空間科學技術，2017，37(2)：11-16.

WU C，SUN J，CHEN C H ，et al. Preliminary studies of electron beam bombardment in strong electromagnetic field breakdown[J].Chinese Space Science and Technology，2017，37(2):11-16(in Chinese).

[21] 白春江，崔萬照，葉鳴，等. 利用微加工工藝提高空間行波管收集極效率[J]. 中國空間科學技術，2017，37(2)：61-65.

BAI C J，CUI W Z，YE M ，et al. Improving the efficiency of the collector of space traveling wave tube with micromachining technology[J].Chinese Space Science and Technology，2017，37(2):61-65(in Chinese).

(編輯：車曉玲)

Design and test of microwave power transmission system

WANG Ying1，2，*，WEI Gao1，DONG Yazhou1，2，DONG Shiwei2，FU Wenli2，LI Xiaojun2，RAN lixin3

1.CollegeofElectronicInformation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi′an710072，China2.ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an)，Xi′an710000，China3.ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China

Microwave power transmission served as the core technology of the Space Solar Power Satellite(SSPS)was studied. The rectifying surface was researched based on the concept of perfectly matched layer to solve the problem that beam collection efficiency would decline with distance away from transmitting antenna because of the spread of beam，by changing perfectly matched layer structure conjugate match between antenna output impedance and rectifier circuit input impedance. The rectifying surface exhibits a strong restrain to high-order harmonics，without the need of RF filter which is an important element for the traditional rectenna，so the circuit structure is simple and high conversion efficiency energy can be realized. And under the proposed limit for the center-of-beam power density to assure environmental health and safety for microwave transmission，an experimental system with solid power amplifier at 5.8 GHz was constructed and tested，and the maximum conversion efficiency is 57.7%. The experiment results show that the designed microwave power transmission system is benefit for ground demonstration testing in miniature version and building of SSPS in future.

Space Solar Power Satellite；microwave power transmission；antenna；perfectly matched layer；rectifier；center-of-beam；power densitiy

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0028

2016-11-22；

2017-01-20；錄用日期：2017-05-18；網絡出版時間：2017-05-31 09:40:16

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.0940.002.html

王穎，韋高，董亞洲，等.微波能量傳輸系統設計及試驗[J].中國空間科學技術，2017，37(3)：：19-27.WANGY，

WEIG，DONGYZ，etal.Designandtestofmicrowavepowertransmissionsysytem[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(3)：：19-27(inChinese).

TN827+.2

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通訊作者：王穎(1981-)，女，博士研究生，wangying_c504@163.com，研究方向為微波整流與空間無線能量傳輸技術