微波能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

王穎，韋高，董亞洲，，董士偉，付文麗，李小軍，冉立新

1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710072 2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710000 3.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系 杭州 310027

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微波能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

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(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710072 2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710000 3.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系 杭州 310027

面向空間太陽(yáng)能電站應(yīng)用，進(jìn)行了固態(tài)體制微波能量傳輸技術(shù)研究。針對(duì)能量傳輸波束擴(kuò)散導(dǎo)致收集效率低的問(wèn)題，研究了基于人工媒質(zhì)理論設(shè)計(jì)的完美匹配層的能量接收整流表面，通過(guò)調(diào)節(jié)人工媒質(zhì)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)天線輸出阻抗與整流電路輸入阻抗的共軛匹配，同時(shí)抑制整流電路高次諧波，省去原有匹配及低通濾波器，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)高效微波能量吸收與轉(zhuǎn)換。以空間太陽(yáng)能電站規(guī)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(shè)計(jì)的約束條件，設(shè)計(jì)能量接收整流表面，結(jié)合固態(tài)體制微波能量發(fā)射端，搭建5.8 GHz小規(guī)模微波能量傳輸系統(tǒng)開(kāi)展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示整流表面能量轉(zhuǎn)換效率最高為57.7%。此次試驗(yàn)驗(yàn)證了先進(jìn)的固態(tài)能量傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)，為空間太陽(yáng)能地面縮比試驗(yàn)及未來(lái)空間太陽(yáng)能電站的建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

空間太陽(yáng)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(guān).E.Glaser提出空間太陽(yáng)能電站(Space Solar Power Satellite，SSPS)概念[1]后的幾十年間，以美國(guó)和日本為首的多個(gè)國(guó)家都展開(kāi)了SSPS方案相關(guān)的研究工作，提出了30余種不同的系統(tǒng)設(shè)想。具體實(shí)現(xiàn)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(yáng)能轉(zhuǎn)換為微波或激光后，通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)降孛?，再將微波或激光轉(zhuǎn)化為電能；另一類是在GEO軌道上將太陽(yáng)光會(huì)聚后傳輸?shù)降孛妫诘孛嬖龠M(jìn)行轉(zhuǎn)化[2-3]。

雖然SSPS不存在不可逾越的技術(shù)原理問(wèn)題，但因其宏大的空間系統(tǒng)規(guī)模，能否在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)仍存在很大爭(zhēng)議，尤其系統(tǒng)效率過(guò)低與構(gòu)建成本巨大的矛盾是其頗受質(zhì)疑的問(wèn)題之一，但是最近幾年，一方面隨著航天器技術(shù)和運(yùn)載技術(shù)的飛速發(fā)展，空間發(fā)電成本有望下降到具有商業(yè)價(jià)值的階段[4]，另一方面，隨著器件及技術(shù)進(jìn)步，各個(gè)傳輸環(huán)節(jié)的效率也在提升中，SSPS似乎不再是遙不可及的空想[5]。根據(jù)國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)合會(huì)(Union Radio Scientific International，URSI)發(fā)表的關(guān)于SSPS的觀點(diǎn)中認(rèn)為，從經(jīng)濟(jì)因素考慮整個(gè)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)效率(直流—微波—直流轉(zhuǎn)換)至少要達(dá)到50%[6]。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要提高傳輸路徑上各個(gè)環(huán)節(jié)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(tǒng)天線和整流電路兩部分組成，所以傳統(tǒng)天線中的背向散射、不均勻口徑激勵(lì)、陣列單元之間互耦、接收性能隨入射角變化明顯等問(wèn)題同樣也反映在整流天線中。這些問(wèn)題導(dǎo)致了微波在整流天線口徑面產(chǎn)生反射，降低了天線增益，進(jìn)而降低了能量轉(zhuǎn)換的效率。根據(jù)SSPS的系統(tǒng)設(shè)想，其發(fā)射功率達(dá)到吉瓦量級(jí)，所以即使是非常小的反射和衰減都將導(dǎo)致巨大的能量損失。此外，已有的地面試驗(yàn)并未考慮傳輸波束的功率密度問(wèn)題，根據(jù)URSI關(guān)于SSPS和微波能量傳輸?shù)娜舾捎^點(diǎn)，為了保證環(huán)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(duì)上述問(wèn)題，本文以SSPS為應(yīng)用背景，創(chuàng)新地提出以SSPS系統(tǒng)相匹配的功率密度為目標(biāo)，采用人工媒質(zhì)完美匹配層實(shí)現(xiàn)能量接收整流表面，提高了接收端的效率。并結(jié)合固態(tài)體制微波能量發(fā)射端，開(kāi)展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于SSPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

1 微波能量傳輸技術(shù)

在URSI發(fā)表的觀點(diǎn)中，將微波能量傳輸效率作為SSPS存在的4個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)之一，因此，微波無(wú)線能量的傳輸技術(shù)是SSPS實(shí)現(xiàn)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，也是一直以來(lái)國(guó)際上關(guān)于SSPS研究的重點(diǎn)。

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)進(jìn)行了一系列的微波無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)研究[7-8]，幾個(gè)比較有代表性的系統(tǒng)試驗(yàn)有：1975年美國(guó)在Goldstone完成了迄今最大功率的能量傳輸試驗(yàn)，工作頻率2.388 GHz，發(fā)射端采用直徑為26 m的拋物面天線，發(fā)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(yàn)中所用的整流天線整流效率高達(dá)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(shí)由于接收天線的后向反射和整流電路的損耗，本次試驗(yàn)的微波—直流的傳輸效率僅為6.6%[9]。

2008年，美國(guó)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(fā)射天線采用了平面陣列天線，工作頻率為2.45 GHz。這次試驗(yàn)是迄今傳輸距離最遠(yuǎn)的微波能量傳輸驗(yàn)證試驗(yàn)，但是此次試驗(yàn)由于收發(fā)天線尺寸有限，傳輸距離遠(yuǎn)，天線工作在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，導(dǎo)致傳輸效率遠(yuǎn)小于1%[10]。

日本是開(kāi)展微波能量傳輸研究最為持續(xù)、深入的國(guó)家，至今已進(jìn)行了十余次大型試驗(yàn)和驗(yàn)證，近期先后兩次進(jìn)行了試驗(yàn)，其中2015年3月8日J(rèn)AXA將1.8 kW功率傳輸?shù)?5 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(guò)變換為無(wú)線電愛(ài)好者的通信設(shè)備供電。此次試驗(yàn)工作頻率為5.8 GHz，微波—直流效率為18.8%，系統(tǒng)總體直流—直流效率約為6.6%[11]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2009年，四川大學(xué)實(shí)現(xiàn)了微波能量傳輸中距離演示試驗(yàn)系統(tǒng)，工作頻率5.8 GHz，微波功率源采用了速調(diào)管放大器，微波發(fā)射功率達(dá)到了600W，發(fā)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(jí)、千米距離的微波能量傳輸試驗(yàn)，采用4個(gè)C波段磁控管進(jìn)行功率合成，發(fā)射天線陣列面積為16 m2，接收天線陣列為64 m2。

2014年中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院成功實(shí)現(xiàn)了微波能量傳輸試驗(yàn)。演示驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)工作頻率2.45 GHz，發(fā)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(fā)射功率下，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于16.5%的傳輸效率[13]。

1.3 小結(jié)

國(guó)內(nèi)外以SSPS為應(yīng)用背景陸續(xù)開(kāi)展了微波能量傳輸技術(shù)的地面試驗(yàn)與演示系統(tǒng)驗(yàn)證，并在有限的范圍內(nèi)投入實(shí)際應(yīng)用?？偟膩?lái)看，已經(jīng)由理論和概念研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H試驗(yàn)與應(yīng)用系統(tǒng)研究。然而盡管在微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千米距離、千瓦量級(jí)的地面無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)，但是系統(tǒng)總效率仍然較低，距離實(shí)際應(yīng)用仍有較大差距。同時(shí)已經(jīng)開(kāi)展的地面試驗(yàn)并未將微波傳輸波束中心的功率密度問(wèn)題考慮在內(nèi)。

2 固態(tài)微波能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

微波能量傳輸系統(tǒng)主要由能量產(chǎn)生發(fā)射部分及能量接收整流兩部分組成。本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(shù)值為約束條件構(gòu)建能量傳輸系統(tǒng)。在接收端將其作為整流電路的輸入功率設(shè)計(jì)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(fā)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(fā)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(guān)系，需協(xié)同考慮設(shè)計(jì)。

基于完美匹配層能量接收整流表面的固態(tài)微波能量傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，系統(tǒng)工作頻率為5.8 GHz。其中發(fā)射端包括：1)產(chǎn)生適合能量傳輸工作頻率的微波信號(hào)的頻率源。本方案中采用信號(hào)源實(shí)現(xiàn)。2)為末級(jí)功率放大器提供功率驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)放大器及將直流功率轉(zhuǎn)換成微波功率的固態(tài)功率放大器?？紤]到轉(zhuǎn)換效率、工作電壓、體積和質(zhì)量等因素，目前有望應(yīng)用于SSPS的高效微波功率源主要有固態(tài)微波功率器件及電真空器件。雖然在目前技術(shù)條件下，整體而言固態(tài)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(dǎo)體材料構(gòu)造的大功率固態(tài)器件的涌現(xiàn)，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)新型固態(tài)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(tài)功率放大器。3)對(duì)輸出功率進(jìn)行分配，將能量耦合進(jìn)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(tài)源，需要分配網(wǎng)絡(luò)將功率源能量進(jìn)行分配再饋入到發(fā)射天線上的各陣元，本方案中采用的是兩級(jí)一分四路功分器。4)將能量以微波形式輻射出去的發(fā)射天線陣列。在微波能量傳輸?shù)脑缙谘芯恐型ǔ＿x擇大型拋物面天線，隨著微波能量傳輸研究的深入發(fā)展，為了精確快速控制微波波束方向，越來(lái)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(gòu)成高斯波束及高效能量傳輸為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)發(fā)射天線陣列。在能量接收端，5)主要是將發(fā)射端發(fā)射的微波能量接收下來(lái)的接收天線陣列及將微波能量轉(zhuǎn)換成直流的整流陣列，再通過(guò)直流合成網(wǎng)絡(luò)饋送到直流負(fù)載。

以往試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的接收天線為傳統(tǒng)的天線形式，設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮接收天線的后向反射問(wèn)題，而在微波能量傳輸中接收天線的反向反射將導(dǎo)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(gè)問(wèn)題，本文提出采用人工微波表面形成完美匹配層的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)微波能量的無(wú)反射接收。完美匹配層具有類似黑體的特性，可以無(wú)反射地吸收微波輻射。盡管由于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式的限制，完美匹配層在工程上很難實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)微波波束在垂直和小角度入射時(shí)，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(zhǎng)諧振單元構(gòu)成。用人工完美匹配層無(wú)反射的吸收微波波束后，再接入到整流電路中轉(zhuǎn)化為直流功率。此外，可以通過(guò)改變諧振單元的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)整流電路非線性而產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行抑制，因此不再需要引入濾波器，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化。

2.2 能量發(fā)射端

功率源方面，本次試驗(yàn)采用的是GaN高效固態(tài)功率放大器，由于信號(hào)源的最大輸出功率不足以推動(dòng)功率放大器工作，因此先通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器將信號(hào)源產(chǎn)生單頻5.8 GHz信號(hào)放大，再輸入到功率放大器中。鑒于此次試驗(yàn)重點(diǎn)在能量接收表面的研究，因此并未對(duì)功率源展開(kāi)深入研究，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試功率放大器的飽和輸出功率為69 W，計(jì)算得到的最大直流—微波轉(zhuǎn)換效率為51%。

對(duì)于發(fā)射天線陣列的設(shè)計(jì)，是將整個(gè)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)看作是一個(gè)多端口網(wǎng)絡(luò)，即發(fā)射天線陣列上的各個(gè)陣元作為多端口網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立端口，同樣將接收天線也看作一個(gè)端口，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各端口S參數(shù)相互作用，以能量傳輸效率最優(yōu)作為目標(biāo)，完成發(fā)射天線陣列的激勵(lì)優(yōu)化。如圖2所示，將n×n的發(fā)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(tǒng)可看做為由(n+1)個(gè)端口構(gòu)成的微波網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)微波能量傳輸系統(tǒng)為匹配時(shí)，優(yōu)化的激勵(lì)分布滿足：

(1)

對(duì)于確定的能量傳輸系統(tǒng)，A可通過(guò)測(cè)量或整體系統(tǒng)仿真獲得，經(jīng)過(guò)矩陣運(yùn)算，可以得到特征值向量at，即發(fā)射天線陣列的激勵(lì)分布。當(dāng)發(fā)射天線陣列是中心對(duì)稱時(shí)，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(shí)對(duì)應(yīng)的特征向量即為優(yōu)化的發(fā)射天線陣列激勵(lì)分布。

據(jù)此設(shè)計(jì)了8×8的微帶發(fā)射天線陣列，由16個(gè)子陣組成，每個(gè)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(gè)發(fā)射天線陣列的尺寸為30.4 cm×30.4 cm。根據(jù)子陣位置，由陣列的對(duì)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(gè)端口的激勵(lì)都是一致的。因此需要進(jìn)行優(yōu)化的端口僅為端口1，2和4，而其優(yōu)化的最佳激勵(lì)可由式(1)得到。最終設(shè)計(jì)的發(fā)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(xué)中的黑體可以完全地吸收任意頻率和入射角的來(lái)波，而在微波領(lǐng)域中完美匹配層也具有類似黑體的特性，可以無(wú)反射地吸收微波輻射。

電磁波在不同媒質(zhì)邊界上的反射現(xiàn)象主要是由兩種媒質(zhì)間的波阻抗不匹配造成的。因此阻抗匹配是實(shí)現(xiàn)微波高效接收的關(guān)鍵，在本系統(tǒng)的能量接收表面中利用復(fù)數(shù)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(jìn)行共軛匹配，從而消除反射現(xiàn)象，達(dá)到完美匹配層的效果，這便是人工實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)和濾波器，減小了插入損耗，進(jìn)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(cè)為頂視圖，右側(cè)為其側(cè)視剖面圖。可以看到，該單元結(jié)構(gòu)由三層構(gòu)成，上層為完美匹配層構(gòu)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(guò)過(guò)孔相連，使得表面接收到的能量通過(guò)過(guò)孔饋入到背面的整流電路，從而作為整流電路的輸入信號(hào)。

設(shè)計(jì)的帶有開(kāi)槽的正方形亞波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)，貼片金屬的邊長(zhǎng)為13.6 mm，切槽的寬度和長(zhǎng)度分別為0.3 mm和3.7 mm。對(duì)諧振單元在微波仿真軟件中進(jìn)行S參數(shù)仿真，利用軟件的周期邊界模擬無(wú)限大周期表面，仿真結(jié)果如圖5所示，由結(jié)果可知5.8 GHz時(shí)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(jìn)入到整流電路中進(jìn)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(lián)的電路形式，其原理如圖6(b)所示?？梢钥吹?，與傳統(tǒng)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(lái)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(fù)數(shù)阻抗的功率源代替能量接收表面，進(jìn)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(jié)濾波器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，作用是分別對(duì)一次諧振5.8 GHz和二次諧波11.6 GHz的輸出分量進(jìn)行諧波抑制。

根據(jù)前述設(shè)計(jì)的能量接收表面，一個(gè)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(gè)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(shí)以效率為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到的整流電路版圖如圖7所示。此時(shí)的最高轉(zhuǎn)換效率為79%，輸出電壓約為3.22 V，負(fù)載電阻330 Ω，電路的輸入阻抗為20-j×58。

由于單個(gè)二極管的輸入功率有限，同時(shí)整個(gè)能量接收表面的接收效率跟其口徑效率有關(guān)，為了提高口徑效率，對(duì)單元進(jìn)行組陣。常用的組陣方式包括串聯(lián)組陣、并聯(lián)組陣和串并聯(lián)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(fù)載R的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。n元并聯(lián)陣可以等效為輸出電壓為E的電壓源與最佳負(fù)載為r/n的串聯(lián)；n元串聯(lián)陣可以等效為輸出電壓為nE的電壓源與最佳負(fù)載為nR的串聯(lián)。而對(duì)于n×n串并聯(lián)陣，可以等效為輸出電壓為nE的電壓源與最佳負(fù)載為R的串聯(lián)。

在本次設(shè)計(jì)中，采用簡(jiǎn)單n×n的并聯(lián)組陣方式，即直接將所有輸出端的電路并聯(lián)為一個(gè)R/n2的負(fù)載。最后實(shí)現(xiàn)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(yàn)系統(tǒng)

搭建微波能量傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖8所示。

整流表面的轉(zhuǎn)換效率為：

(2)

式中：Vout為負(fù)載兩端的直流電壓；RLoad為負(fù)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(guò)電壓表直接測(cè)得，而Pr則很難直接在已設(shè)計(jì)好的整流表面上直接測(cè)量得到，因此試驗(yàn)中使用定標(biāo)天線作為輔助，對(duì)整流表面所處位置的接收功率進(jìn)行測(cè)量。理論上需要對(duì)整流表面上全部接收天線處的接收功率進(jìn)行測(cè)量，再進(jìn)行疊加得到整流表面接收得到的總功率，但是事實(shí)上，本系統(tǒng)中的整流表面所處位置的中心點(diǎn)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(rèn)為整流表面接收到的功率是均勻分布的。故通過(guò)功率密度作為中間量過(guò)渡進(jìn)而計(jì)算得到整流表面接收到的總功率。

具體實(shí)現(xiàn)方法是在接收端采用任意的接收天線作為定標(biāo)天線，天線后端接功率計(jì)，根據(jù)功率計(jì)的讀數(shù)，計(jì)算得到定標(biāo)天線的接收功率，設(shè)為Pr0，則得到一定距離下的功率密度S0：

(3)

式中：Pr0為定標(biāo)天線接收到的功率；Ae為定標(biāo)天線的有效口徑面積。

根據(jù)電磁波傳輸理論，計(jì)算可知在2 m的傳輸距離下，以整流表面中心為原點(diǎn)，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(guò)0.4 dB，且由中心向邊沿的衰減趨勢(shì)非常平緩，因此可以認(rèn)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(shí)整流表面的轉(zhuǎn)換效率即為：

(4)

試驗(yàn)中采用已有微帶天線作為定標(biāo)天線用于測(cè)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(fù)載為4.3 Ω。

在對(duì)接收表面接收到的功率密度進(jìn)行標(biāo)定后，測(cè)試了整流表面的圓極化性能。此時(shí)發(fā)射天線采用線極化喇叭天線，傳輸距離為0.56 m處，對(duì)比整流表面水平放置及旋轉(zhuǎn)90°之后垂直放置的整流結(jié)果。利用高精度的萬(wàn)用表讀出直流負(fù)載兩端的電壓，此時(shí)的功率密度為12.94 mW/cm2。利用上述方法定標(biāo)的功率密度即計(jì)算出整個(gè)整流表面的轉(zhuǎn)換效率。其結(jié)果如表1所示，水平極化和垂直極化下整流表面轉(zhuǎn)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(cè)試結(jié)果

然后使用前述設(shè)計(jì)的圓極化微帶平面天線陣作為發(fā)射天線，測(cè)試不同距離情況下整流表面的轉(zhuǎn)化效率，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)化效率測(cè)試結(jié)果

可見(jiàn)，在收發(fā)天線相距2 m時(shí)，整流表面轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率僅為40.7%。表明在SSPS規(guī)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(dá)到最佳轉(zhuǎn)換效率。

分析系統(tǒng)整體鏈路的效率，對(duì)于所研究的能量傳輸系統(tǒng)，傳輸效率為鏈路上各環(huán)節(jié)效率的乘積：

(5)

式中：ηs為微波功率源的能量轉(zhuǎn)換效率；ηtr為發(fā)射天線能量傳輸效率；ηb為接收天線對(duì)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(cè)得最大直流—微波轉(zhuǎn)換效率為51%。

發(fā)射天線的效率主要是通過(guò)將功率源至發(fā)射天線間鏈路損耗換算所得，測(cè)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(jì)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(fā)射天線的能量傳輸效率為55%。

波束收集效率則根據(jù)微波理論，通過(guò)：

(6)

能量接收整流表面的轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所列，傳輸距離為2 m時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率為57.7%。

因此，傳輸距離為2 m時(shí)的能量傳輸系統(tǒng)直流—直流的轉(zhuǎn)換效率為：η=51%×55%×19.4%×57.7%=3.14%。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)受限于收發(fā)天線面積，設(shè)計(jì)的微波能量傳輸系統(tǒng)波束收集效率過(guò)低，系統(tǒng)整體效率僅為3%左右。由于波束擴(kuò)散不可避免，對(duì)于提高波束收集效率，可以通過(guò)增大收發(fā)天線尺寸，擴(kuò)大能量接收范圍的方法，但這將大大增加系統(tǒng)的規(guī)模并增大了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。因此可以考慮對(duì)波束進(jìn)行聚焦的方法，在發(fā)射端采用相控陣技術(shù)使得波束形狀產(chǎn)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(guò)試驗(yàn)對(duì)固態(tài)體制的微波能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，尤其是接收表面的能量接收與整流，基于完美匹配層設(shè)計(jì)的能量接收表面獲得了較為理想的試驗(yàn)結(jié)果，整流表面轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)到57.7%，但是獲得最高轉(zhuǎn)化效率時(shí)接收表面的功率密度要比預(yù)期值低，需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

3)目前開(kāi)展的微波能量傳輸試驗(yàn)都是采用小口徑演示系統(tǒng)模擬大規(guī)模的發(fā)射陣列，與實(shí)際應(yīng)用情況差異較大。因此，未來(lái)面向SSPS應(yīng)用的固態(tài)能量傳輸技術(shù)的發(fā)展需要深入考慮功能的高集成度、大規(guī)模陣列實(shí)現(xiàn)及提高輻射效率和對(duì)準(zhǔn)精度等方面的研究?jī)?nèi)容。而大規(guī)模的SSPS系統(tǒng)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?jī)?nèi)容[18-21]。

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(編輯：車曉玲)

Design and test of microwave power transmission system

WANG Ying1，2，*，WEI Gao1，DONG Yazhou1，2，DONG Shiwei2，F(xiàn)U 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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-31 09:40:16

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*通訊作者：王穎(1981-)，女，博士研究生，wangying_c504@163.com，研究方向?yàn)槲⒉ㄕ髋c空間無(wú)線能量傳輸技術(shù)