董亚洲，董士伟，王颖，付文丽，李小军，高式昌，韦高

1.西北工业大学 电子信息学院，西安 710129 2.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100



空间太阳能电站微波能量传输验证方案设计

董亚洲1，2，董士伟2，*，王颖1，2，付文丽2，李小军2，高式昌1，韦高1

1.西北工业大学 电子信息学院，西安 710129 2.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100

微波能量传输技术作为空间太阳能电站(Space Solar Power Station，SSPS)的关键技术之一，目前的研究和验证工作均集中在各单项技术的突破和验证，缺乏针对SSPS系统特点的全面优化设计。文章根据SSPS的工作模式给出了全面验证空间太阳能电站微波能量传输的验证系统方案设计，对收发天线进行了一体化设计，利用了幅度近似高斯分布的发射阵列场分布设计和低反射的接收整流阵列设计，以高精度来波方向测量和高精度移相控制为波束指向控制的技术途径。对验证系统的波束收集效率进行了分析，收集效率可达94.2%，比传统均匀分布系统高出17.6%。验证系统可从系统规模缩比、波束扫描范围、发射天线口径场分布、整流天线处功率密度、反向波束控制方法等方面模拟SSPS微波能量传输工作模式，推动SSPS系统技术的发展。

空间太阳能电站；微波能量传输；场分布；整流天线

近几十年来，以美国和日本为首的许多国家都展开了空间太阳能电站(Space Solar Power Station，SSPS)相关研究工作，提出了30余种不同的系统设想[1-5]。空间太阳能电站的核心——微波能量传输(Microwave Power Transmission，MPT)成为研究的重点之一，得到了广泛而深入的研究和验证[6-8]。

在中国，SSPS的概念也被广泛接受并开展了持续研究，中国空间技术研究院和西安电子科技大学的研究人员分别提出了多旋转关节空间太阳能电站和OMEGA型空间太阳能电站概念方案设计[9-11]。中国空间技术研究院西安分院、重庆大学、四川大学均开展了针对SSPS的微波能量传输技术研究及验证[12-14]，在2.45 GHz和5.8 GHz频段上分别开展了关键技术研究，取得了初步研究成果，并进行了传输系统的初步验证试验。但是仍然存在一些问题，如系统整体效率不够高、缺乏波束控制等关键环节。目前的研究主要集中在能量转换技术等单项技术的研究和系统传输功能等初步验证上，在针对空间太阳能电站特点的研究方面，如高精度指向控制、波束收集效率提高及空间太阳能电站最为关键的整体效率指标的验证等方面，研究尚不够深入。

本文提出了全面验证SSPS微波能量传输工作模式的验证系统，对收发天线进行了一体化设计，在发射天线阵列上采用了近似高斯的场分布设计，接收整流阵列采用了低反射的电磁超材料设计，波束指向控制技术以软件化高精度来波方向测量和高精度移相控制为技术途径，显著地提高了波束收集效率和接收整流效率，可为未来空间太阳能电站、分布式卫星系统及地面无线输电等应用提供技术支撑。

1 SSPS微波能量传输验证系统架构

微波能量传输系统作为空间太阳能电站中的关键部分，微波能量传输技术相关研究大多关注于能量转换效率的突破和简单的功能验证。SSPS微波能量传输系统的关键难点在于系统整体效率的提高需要从各环节各方面全面考虑，目前缺乏针对SSPS系统特点全面优化设计的验证系统。

面向空间太阳能电站的MPT验证系统缩比验证思想如图1所示，商业化运行的吉瓦级SSPS发射天线口径达1 km以上，位于GEO轨道，到地面接收站的传输距离约为36 000 km，为了达到90%以上的波束收集效率，地面接收整流阵列的口径约4 km以上。从系统规模和验证试验成本方面考虑，发射天线口径定为1.1 m左右，可根据天线单元的尺寸、数量和排布进行微调。由波束收集效率与收发天线口径面积、传输距离之间的比例关系，可以确定验证系统的整流天线口径为4.3 m，传输距离为36 m时可以在收发天线口径与传输距离缩比的情况下验证SSPS微波能量传输波束收集效率。口径场分布为近似高斯分布[2]。吉瓦级空间太阳能电站接收处的最大功率密度为23 mW/cm2，由于整流效率与功率密度大小密切相关，在验证系统中整流天线中心需达到同等水平的功率密度，经计算得到微波能量发射功率约需要900W。SSPS所在的静止轨道到中国国土范围内的指向范围为0°～8.5°，因此验证系统中的发射天线波束扫描范围为0°～8.5°，为了减小移相单元的数量，同时避免栅瓣的影响，可利用机械扫描结合相位控制实现大范围的波束扫描和高精度指向控制，高精度指向控制技术基于导引信号(Direction of Arrival，DOA)估计和移相控制波束综合技术实现，波束控制精度与波束宽度相关，一般为波束宽度的1/10。验证系统将从以下几个方面模拟SSPS微波能量传输的工作模式：系统规模缩比、波束扫描范围、发射天线口径场分布、整流天线处功率密度、反向波束控制等。微波能量传输验证系统的系统框图见图2。

影响微波能量传输系统各部分转换效率和传输效率的主要因素有收发天线口径及场分布、传输距离、接收功率密度及波束指向的准确性。整个系统的效率链计算公式为:

(1)

式中：ηt、ηbeam和ηr分别为包含微波功率放大器和发射天线的微波能量发射机效率、收发天线之间的波束收集效率和微波能量接收整流效率。基于以上考虑，本文提出的验证系统试图从以下几个方面验证微波能量传输系统功能和效率的可行性：

1)收发天线与传输距离内在约束关系对效率的影响；

2)发射阵列口径场分布对效率的影响；

3)接收功率密度分布对效率的影响；

4)波束指向控制对效率的影响。

2 直流—微波转换技术

在空间微波能量传输系统发射端，高效直流微波能量转换技术是重点研究内容之一，因此高效的微波功率放大器是支撑微波能量传输的关键。高效微波功率放大器除了大功率电真空器件[15-17]以外，近年来以第三代半导体GaN等为代表的固态功率器件因其功率密度高，对提高转换效率、减小尺寸和简化电路设计具有重要意义，已得到了广泛关注。

在直流—微波能量转换环节，采用新型电路和新型GaN器件，通过谐波调谐等技术，利用特定比例的谐波分量调控晶体管漏极电压和电流波形，实现固态微波功率放大器的高效率和大功率，如图3所示。谐波控制类功放的基本思想是从频域出发，利用特定比例的谐波分量来调控晶体管漏极电压和电流波形，使漏极电压与电流波形交错，即完全没有重叠部分，这样，晶体管上的热耗散为零，直流能量就可以全部转化为交流能量，从而实现高效率的能量转换。由于寄生参数的存在，基波电压和电流之间的相位差在最大输出功率时并不等于180°，因此如果简单地按照理想F类功放的设计思路，仅仅将偶次谐波设定为短路，奇次谐波设定为开路，漏极电压和电流也会出现较大重叠，并不能实现高效率的目的。要求在设计功放的输出匹配电路时同时考虑最佳基波和谐波阻抗。

研制了C频段F类高效功率放大器如图4所示，工作频率为5.8 GHz，饱和输出功率为41.2 dBm，增益为12 dB，漏极效率高达63%。

3 发射天线阵列设计

发射天线阵列如图5所示，为148个子阵组成的平面微带天线阵列，整个天线阵列近似呈圆形，口径为1.1 m。各个子阵的发射功率分为7种等级以形成准高斯分布。每个子阵为工作在5.8 GHz的2×2个圆极化辐射单元构成的微带天线阵列，其回波损耗和增益的仿真结构见图6。辐射单元中心相距0.77个波长，5.8 GHz电磁波波长为5.18 cm，因此各子阵中心相距约为8 cm。由此可根据方向图相乘原理计算得到整个阵列的辐射方向图，见图7。第一零点波束宽度为9°，最大副瓣电平为-26 dB。

4 整流天线阵列设计

国际上多次微波能量传输验证试验中均发现整流天线阵列后向散射导致的损耗不可忽略，尤其是当微波波束斜入射时。如在1975年NASA/JPL在Goldstone的微波能量传输试验中有111 W的微波能量(约占到达整流天线阵列处总能量的5%)被接收天线反射，主要原因是阵列的失配、谐波的再次辐射和极化失配[18]。

传统的整流天线设计中天线单元与常规发射单元类似，存在一些不可避免的问题，如由天线雷达散射截面带来的不可避免的后向散射，不均匀场分布带来的口径效率下降，阵列单元之间互耦及吸收效率随入射角变化而降低等。此外，传统的整流天线为了实现接收天线单元与整流电路之间的阻抗匹配，同时抑制由于整流电路非线性产生的高次谐波的再次辐射，通常需要在天线与整流电路之间引入低通滤波器，将导致额外的插入损耗，影响到最终的接收整流效率。

为了解决这个问题，可基于亚波长谐振单元形成理想匹配层的方法来实现微波能量的低反射接收[19]，通过优化谐振单元结构来实现与空间阻抗与整流电路阻抗的匹配，同时可以与谐波阻抗失配，抑制谐波辐射，不需要引入滤波器，提高了整体效率。基于人工完美匹配层的整流表面如图8所示。目前已经进行了2.18 GHz和5.8 GHz的试验验证。

在2.18 GHz的试验中微波能量波束为线极化，在±30°的角度范围内接收效率大于96%，整流效率大于27.7%。在5.8 GHz的试验中微波能量波束为圆极化，总体整流效率高达58%。

5 波束指向控制技术

高精度波束指向控制(如图9所示)采用在接收端发送导引信号，发射端基于DOA估计测角，再通过控制发射阵列相移来高精度控制能量波束。

在软件化反向波束控制中，到达角测量可利用相位干涉技术实现，通过接收整流阵列发送导引信号，在发射阵列上设置多个导引信号接收机，使用鉴相器测得各接收机接收到的导引信号相位差即可确定来波方向。接收机之间的基线长度越长，角度测量精度也越高。但是容易产生相位和角度的多值模糊现象，致使系统无法得到目标的真实来向。通常可采用多基线相位干涉仪系统解决干涉仪测角多值模糊问题，利用附加的短基线确定出真实来波方向的范围，从而唯一确定来波方向。

得到了接收端的精确方向之后通过阵列天线波束综合算法分析产生低副瓣高效率的微波波束所需的阵列天线幅度、相位分布，控制各发射天线单元的幅度和相位，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，有多种优化目标和算法可供选择，但需要考虑计算时间因素。

利用各种波束控制算法得到发射天线各单元的相位分布之后便需要通过移相器来实现所需的相位分布，阵列天线所需的移相器位数与波束指向精度的关系为：

(2)

式中：m为移相器位数；d为天线单元间距。目前实际应用的移相器位数为6位左右，且移相器位数越高成本越高，插损也越大。当计算可得所需的移相器位数大于6位时，为了降低成本，减小插损，并满足波束指向精度的要求，必须采用虚位移相技术。

6 波束收集效率分析

根据发射天线阵列的口径计算可得远场距离大于46 m，验证系统中收发天线相距36 m，因此整流天线工作在接近远场的发射天线菲涅尔区，与SSPS系统的情况相同。根据微波理论，最佳场分布情况下的收发天线之间的波束效率ηbeam：

(3)

另一方面，从数学的角度出发，波束收集效率ηbeam可以用辐射场积分的方法得到[21-22]，根据系统模型，本系统的波束收集效率可以用以下方程计算得到：

(4)

(5)

(6)

式中：Pt，Pc分别为发射天线发出的功率和整流天线接收到的功率；E(u，v)为辐射场强；u=sin(θ)cos(φ)，v=sin(θ)sin(φ)；Ω为整流天线所覆盖的立体角，如图11所示。

尽管传输距离小于整个发射天线阵列的远场距离，但是对于每个子阵来说传输距离均大于各个子阵的远场距离，因此阵列的辐射场可以通过各个子阵在整流天线处相位聚焦的远场叠加计算得到[23]。通过这种方法计算得到ηbeam，结果见图12中所示的实线曲线，当整流天线口径为4.3 m时波束收集效率为94.2%。以上两种计算方法得到的结果吻合良好。

当发射天线阵列的场分布为均匀分布时，同样用辐射场积分方法计算了波束收集效率见图12中虚线。可以看出当整流天线较小时，由于均匀分布的波束宽度较窄，其波束收集效率比准高斯分布时略高，但是当整流天线足够大时准高斯分布的波束收集效率要高的多(均匀分布时仅为76.6%)，这是因为准高斯分布的副瓣电平较低。

7 结束语

本文提出了面向SSPS的微波能量传输演示验证系统，该验证系统可以全面模拟空间太阳能电站微波能量传输的工作模式，并验证系统功能和效率。

重点分析了发射天线阵列和系统的波束收集效率。发射天线阵列为近似圆形平面微带天线阵列，场分布为准高斯分布，第一零点波束宽度为9°，最大副瓣电平为-26 dB。根据两种方法分别计算了波束收集效率，结果均表明波束收集效率可达约94%。同样还对比了均匀分布情况下的波束收集效率，从结果可以看出本系统的准高斯分布对于提高系统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层的方法来实现微波能量的低反射接收，可以实现电路输出阻抗和整流电路输入阻抗的共轭匹配，且可以抑制整流电路非线性性产生的高次谐波的辐射，从而不需要引入滤波器，使结构更加简化，减小了损耗。

未来工作中，本验证系统可从以下几个方面验证微波能量传输系统功能和效率的可行性：收发天线与传输距离内在约束关系对效率的影响，发射阵列口径场分布对效率的影响，接收功率密度分布对效率的影响，波束指向控制对效率的影响。

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(编辑：车晓玲)

Microwave power transmission demonstration system design for Space Solar Power Station

DONG Yazhou1，2，DONG Shiwei2，*，WANG Ying1，2，FU 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；录用日期：2017-05-18；网络出版时间：2017-03-21 15:59:45

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

装备预研基金(9140A20090314HT05310)

董亚洲(1985-)，男，博士研究生，yazhoudong@gmail.com，研究方向为空间微波功率技术

*通讯作者：董士伟(1974-)，男，高级工程师，sw.dong@126.com，研究方向为空间微波功率技术

董亚洲，董士伟，王颖,等.空间太阳能电站微波能量传输验证方案设计[J].中国空间科学技术,2017,37(3)：

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

TM615

A

http:∥zgkj.cast.cn