王颖，韦高，董亚洲，，董士伟，付文丽，李小军，冉立新

1.西北工业大学 电子信息学院，西安 710072 2.中国空间技术研究院 西安分院，西安 710000 3.浙江大学 信息与电子工程学系 杭州 310027



微波能量传输系统设计及试验

王颖1，2，*，韦高1，董亚洲1，2，董士伟2，付文丽2，李小军2，冉立新3

1.西北工业大学 电子信息学院，西安 710072 2.中国空间技术研究院 西安分院，西安 710000 3.浙江大学 信息与电子工程学系 杭州 310027

面向空间太阳能电站应用，进行了固态体制微波能量传输技术研究。针对能量传输波束扩散导致收集效率低的问题，研究了基于人工媒质理论设计的完美匹配层的能量接收整流表面，通过调节人工媒质单元的结构参数实现天线输出阻抗与整流电路输入阻抗的共轭匹配，同时抑制整流电路高次谐波，省去原有匹配及低通滤波器，简化电路结构、实现高效微波能量吸收与转换。以空间太阳能电站规定的波束中心传输微波功率密度限制作为能量接收整流表面设计的约束条件，设计能量接收整流表面，结合固态体制微波能量发射端，搭建5.8 GHz小规模微波能量传输系统开展了地面试验验证，实测结果显示整流表面能量转换效率最高为57.7%。此次试验验证了先进的固态能量传输试验系统，为空间太阳能地面缩比试验及未来空间太阳能电站的建设提供了技术支撑。

空间太阳能电站；微波能量传输；天线；完美匹配层；整流；波束中心；功率密度

自1968年P.E.Glaser提出空间太阳能电站(Space Solar Power Satellite，SSPS)概念[1]后的几十年间，以美国和日本为首的多个国家都展开了SSPS方案相关的研究工作，提出了30余种不同的系统设想。具体实现途径可大致分成两类：一类是在地球同步轨道(Geosynchronous Orbit，GEO)上将太阳能转换为微波或激光后，通过无线方式传输到地面，再将微波或激光转化为电能；另一类是在GEO轨道上将太阳光会聚后传输到地面，在地面再进行转化[2-3]。

虽然SSPS不存在不可逾越的技术原理问题，但因其宏大的空间系统规模，能否在短期内实现仍存在很大争议，尤其系统效率过低与构建成本巨大的矛盾是其颇受质疑的问题之一，但是最近几年，一方面随着航天器技术和运载技术的飞速发展，空间发电成本有望下降到具有商业价值的阶段[4]，另一方面，随着器件及技术进步，各个传输环节的效率也在提升中，SSPS似乎不再是遥不可及的空想[5]。根据国际无线电科学联合会(Union Radio Scientific International，URSI)发表的关于SSPS的观点中认为，从经济因素考虑整个无线能量传输系统效率(直流—微波—直流转换)至少要达到50%[6]。为实现该目标，需要提高传输路径上各个环节的效率。其中在接收端，由整流天线完成能量接收和整流，虽然其性能良好并趋于成熟，但是仍存在着诸多限制。主要原因在于整流天线是由传统天线和整流电路两部分组成，所以传统天线中的背向散射、不均匀口径激励、阵列单元之间互耦、接收性能随入射角变化明显等问题同样也反映在整流天线中。这些问题导致了微波在整流天线口径面产生反射，降低了天线增益，进而降低了能量转换的效率。根据SSPS的系统设想，其发射功率达到吉瓦量级，所以即使是非常小的反射和衰减都将导致巨大的能量损失。此外，已有的地面试验并未考虑传输波束的功率密度问题，根据URSI关于SSPS和微波能量传输的若干观点，为了保证环境健康和安全，波束中心的微波传输功率密度建议限值约为23mW/cm2[6]。

针对上述问题，本文以SSPS为应用背景，创新地提出以SSPS系统相匹配的功率密度为目标，采用人工媒质完美匹配层实现能量接收整流表面，提高了接收端的效率。并结合固态体制微波能量发射端，开展了地面试验验证，试验结果对于SSPS系统设计具有较高的参考价值。

1 微波能量传输技术

在URSI发表的观点中，将微波能量传输效率作为SSPS存在的4个技术挑战之一，因此，微波无线能量的传输技术是SSPS实现需要突破的关键技术，也是一直以来国际上关于SSPS研究的重点。

1.1 国外研究进展

美国、日本、加拿大等国进行了一系列的微波无线能量传输试验研究[7-8]，几个比较有代表性的系统试验有：1975年美国在Goldstone完成了迄今最大功率的能量传输试验，工作频率2.388 GHz，发射端采用直径为26 m的抛物面天线，发射功率450 kW，接收端整流天线尺寸为3.4 m×7.2 m，获得30 kW的直流功率，传输距离为1.54 km。虽然本次试验中所用的整流天线整流效率高达82.5%，但是由于接收整流阵列较小，波束收集效率仅为11.3%，同时由于接收天线的后向反射和整流电路的损耗，本次试验的微波—直流的传输效率仅为6.6%[9]。

2008年，美国航空航天局将20 W微波能量从夏威夷毛伊岛的山顶上传输至148 km外的另一座岛屿上，发射天线采用了平面阵列天线，工作频率为2.45 GHz。这次试验是迄今传输距离最远的微波能量传输验证试验，但是此次试验由于收发天线尺寸有限，传输距离远，天线工作在远场区，导致传输效率远小于1%[10]。

日本是开展微波能量传输研究最为持续、深入的国家，至今已进行了十余次大型试验和验证，近期先后两次进行了试验，其中2015年3月8日JAXA将1.8 kW功率传输到55 m距离外的接收装置。在接收端收到的功率范围在320～340 W，通过变换为无线电爱好者的通信设备供电。此次试验工作频率为5.8 GHz，微波—直流效率为18.8%，系统总体直流—直流效率约为6.6%[11]。

1.2 国内研究进展

2009年，四川大学实现了微波能量传输中距离演示试验系统，工作频率5.8 GHz，微波功率源采用了速调管放大器，微波发射功率达到了600W，发射天线口径面尺寸为2.4 m×1.5 m，接收天线尺寸为8 m×3 m，传输距离为200 m[12]。2013年完成了千瓦功率量级、千米距离的微波能量传输试验，采用4个C波段磁控管进行功率合成，发射天线阵列面积为16 m2，接收天线阵列为64 m2。

2014年中国空间技术研究院西安分院成功实现了微波能量传输试验。演示验证试验系统工作频率2.45 GHz，发射天线直径2.6 m，接收为2.6 m矩形口径整流天线。在11 m传输距离和50 W发射功率下，实现了优于16.5%的传输效率[13]。

1.3 小结

国内外以SSPS为应用背景陆续开展了微波能量传输技术的地面试验与演示系统验证，并在有限的范围内投入实际应用。总的来看，已经由理论和概念研究转向实际试验与应用系统研究。然而尽管在微波无线能量传输技术方面已经实现了千米距离、千瓦量级的地面无线能量传输试验，但是系统总效率仍然较低，距离实际应用仍有较大差距。同时已经开展的地面试验并未将微波传输波束中心的功率密度问题考虑在内。

2 固态微波能量传输系统设计

2.1 系统方案

微波能量传输系统主要由能量产生发射部分及能量接收整流两部分组成。本系统方案设计的总体思想是保证接收端接收到的微波传输功率密度为23 mW/cm2，以该数值为约束条件构建能量传输系统。在接收端将其作为整流电路的输入功率设计条件，并且为了提高接收整流表面的效率，接收天线采用阵列形式。在发射端，为保证接收整流阵列表面上的功率密度均匀且为23 mW/cm2，发射天线口径、功率源输出功率、传输距离间具有一定的相互制约关系，需协同考虑设计。

基于完美匹配层能量接收整流表面的固态微波能量传输系统组成框图如图1所示，系统工作频率为5.8 GHz。其中发射端包括：1)产生适合能量传输工作频率的微波信号的频率源。本方案中采用信号源实现。2)为末级功率放大器提供功率驱动的驱动放大器及将直流功率转换成微波功率的固态功率放大器。考虑到转换效率、工作电压、体积和质量等因素，目前有望应用于SSPS的高效微波功率源主要有固态微波功率器件及电真空器件。虽然在目前技术条件下，整体而言固态器件的效率仍然略低于电真空器件，但是随着GaN和SiC等新型半导体材料构造的大功率固态器件的涌现，可以预见未来新型固态放大器的效率提升空间很大。本方案中采用的是GaN高效固态功率放大器。3)对输出功率进行分配，将能量耦合进天线的功率分配器。由于方案中功率源使用的是单路GaN大功率固态源，需要分配网络将功率源能量进行分配再馈入到发射天线上的各阵元，本方案中采用的是两级一分四路功分器。4)将能量以微波形式辐射出去的发射天线阵列。在微波能量传输的早期研究中通常选择大型抛物面天线，随着微波能量传输研究的深入发展，为了精确快速控制微波波束方向，越来越倾向于使用平面微带相控阵天线[14-15]，本方案中同样采用平面微带天线阵列，以构成高斯波束及高效能量传输为优化目标，设计发射天线阵列。在能量接收端，5)主要是将发射端发射的微波能量接收下来的接收天线阵列及将微波能量转换成直流的整流阵列，再通过直流合成网络馈送到直流负载。

以往试验系统设计中，采用的接收天线为传统的天线形式，设计中没有考虑接收天线的后向反射问题，而在微波能量传输中接收天线的反向反射将导致微波能量散射，使得接收到的能量减少，降低了传输效率。为了解决这个问题，本文提出采用人工微波表面形成完美匹配层的方法来实现微波能量的无反射接收。完美匹配层具有类似黑体的特性，可以无反射地吸收微波辐射。尽管由于严格的数学形式的限制，完美匹配层在工程上很难实现，但是当微波波束在垂直和小角度入射时，可以基于微波超材料的概念合成人工完美匹配层，匹配层由周期排列的亚波长谐振单元构成。用人工完美匹配层无反射的吸收微波波束后，再接入到整流电路中转化为直流功率。此外，可以通过改变谐振单元的结构来实现完美匹配层电路输出阻抗和整流电路输入阻抗的共轭匹配，对整流电路非线性而产生的高次谐波进行抑制，因此不再需要引入滤波器，使结构更加简化。

2.2 能量发射端

功率源方面，本次试验采用的是GaN高效固态功率放大器，由于信号源的最大输出功率不足以推动功率放大器工作，因此先通过驱动放大器将信号源产生单频5.8 GHz信号放大，再输入到功率放大器中。鉴于此次试验重点在能量接收表面的研究，因此并未对功率源展开深入研究，实验中测试功率放大器的饱和输出功率为69 W，计算得到的最大直流—微波转换效率为51%。

对于发射天线阵列的设计，是将整个无线能量传输系统看作是一个多端口网络，即发射天线阵列上的各个阵元作为多端口网络中的独立端口，同样将接收天线也看作一个端口，根据网络中各端口S参数相互作用，以能量传输效率最优作为目标，完成发射天线阵列的激励优化。如图2所示，将n×n的发射天线记为端口1，端口2，……，端口n，接收天线记为端口0，则能量传输系统可看做为由(n+1)个端口构成的微波网络。当微波能量传输系统为匹配时，优化的激励分布满足：

(1)

对于确定的能量传输系统，A可通过测量或整体系统仿真获得，经过矩阵运算，可以得到特征值向量at，即发射天线阵列的激励分布。当发射天线阵列是中心对称时，则式(1)中矩阵和向量的秩可减少至n/2以下，并且式(1)存在唯一的有效本征值，该值为最大的能量传输效率，而此时对应的特征向量即为优化的发射天线阵列激励分布。

据此设计了8×8的微带发射天线阵列，由16个子阵组成，每个子阵为工作在5.8 GHz的单馈的2×2圆极化微带阵列，由同轴端口馈电。各子阵之间的中心距离为0.77λ(～8 cm)，整个发射天线阵列的尺寸为30.4 cm×30.4 cm。根据子阵位置，由阵列的对称性可以将子阵分为三组，具体为：第一组4，7，10，13；第二组2，5，8，14，15，12，9，3；以及第三组1，6，16，11；其中每一组中各个端口的激励都是一致的。因此需要进行优化的端口仅为端口1，2和4，而其优化的最佳激励可由式(1)得到。最终设计的发射天线阵列如图3所示。

2.3 能量接收端

(1)能量接收表面

物理学中的黑体可以完全地吸收任意频率和入射角的来波，而在微波领域中完美匹配层也具有类似黑体的特性，可以无反射地吸收微波辐射。

电磁波在不同媒质边界上的反射现象主要是由两种媒质间的波阻抗不匹配造成的。因此阻抗匹配是实现微波高效接收的关键，在本系统的能量接收表面中利用复数阻抗匹配，直接将整流电路的输入阻抗与左旋圆极化接收表面的阻抗进行共轭匹配，从而消除反射现象，达到完美匹配层的效果，这便是人工实现完美匹配层的基本原理。并且由于省去了接收表面与整流电路之间的匹配网络和滤波器，减小了插入损耗，进一步提高了整流效率。

能量接收表面谐振单元示意如图4所示，左侧为顶视图，右侧为其侧视剖面图。可以看到，该单元结构由三层构成，上层为完美匹配层构成的谐振单元，下层为谐振单元背后配有的整流电路，中间层为天线和整流电路的公用地层。上层和下层间通过过孔相连，使得表面接收到的能量通过过孔馈入到背面的整流电路，从而作为整流电路的输入信号。

设计的带有开槽的正方形亚波长谐振结构，贴片金属的边长为13.6 mm，切槽的宽度和长度分别为0.3 mm和3.7 mm。对谐振单元在微波仿真软件中进行S参数仿真，利用软件的周期边界模拟无限大周期表面，仿真结果如图5所示，由结果可知5.8 GHz时接收表面输入驻波约为-33 dB，整流表面端口输入驻波约为-30 dB，接收表面到整流电路输入端的损耗约为-0.3 dB，表明了输入波能量基本都进入到整流电路中进行整流，并且在二次谐波11.6 GHz处基本全反射，证明去掉射频滤波器是可行的。

(2)整流电路

整流电路采用单管并联的电路形式，其原理如图6(b)所示。可以看到，与传统整流电路相比，它去掉了天线与整流二极管之间的射频低通滤波器，从而消除了由滤波器带来的插入损耗，增加了整流电路的能量收集效率。利用ADS软件的谐波平衡仿真，用指定复数阻抗的功率源代替能量接收表面，进行整流效率和输出谐波抑制仿真。直流滤波器采用图7所示的微带扇形和短枝节滤波器的结构实现，作用是分别对一次谐振5.8 GHz和二次谐波11.6 GHz的输出分量进行谐波抑制。

根据前述设计的能量接收表面，一个单元所占的面积为1.36 cm×1.36 cm=1.85 cm2，与接收表面功率密度限定值23 mW/cm2相乘即可得到一个接收单元接收到的功率为42.55 mW，换算后约为16 dBm，则以16 dBm作为整流电路的输入功率，同时以效率为优化目标对电路进行仿真，得到的整流电路版图如图7所示。此时的最高转换效率为79%，输出电压约为3.22 V，负载电阻330 Ω，电路的输入阻抗为20-j×58。

由于单个二极管的输入功率有限，同时整个能量接收表面的接收效率跟其口径效率有关，为了提高口径效率，对单元进行组阵。常用的组阵方式包括串联组阵、并联组阵和串并联组阵[17]。整流电路的线性等效模型可以等效为输出电压为E的电压源与最佳负载R的串联结构。n元并联阵可以等效为输出电压为E的电压源与最佳负载为r/n的串联；n元串联阵可以等效为输出电压为nE的电压源与最佳负载为nR的串联。而对于n×n串并联阵，可以等效为输出电压为nE的电压源与最佳负载为R的串联。

在本次设计中，采用简单n×n的并联组阵方式，即直接将所有输出端的电路并联为一个R/n2的负载。最后实现的阵列为8×8阵列，接收整流表面的尺寸为16 cm×16 cm。

3 试验系统

搭建微波能量传输试验系统示意如图8所示。

整流表面的转换效率为：

(2)

式中：Vout为负载两端的直流电压；RLoad为负载电阻；Pr为整流表面接收到的总功率。其中，Vout和RLoad可以通过电压表直接测得，而Pr则很难直接在已设计好的整流表面上直接测量得到，因此试验中使用定标天线作为辅助，对整流表面所处位置的接收功率进行测量。理论上需要对整流表面上全部接收天线处的接收功率进行测量，再进行叠加得到整流表面接收得到的总功率，但是事实上，本系统中的整流表面所处位置的中心点处接收到的功率与整流表面上其他各处接收到的功率相差非常小，因此可以认为整流表面接收到的功率是均匀分布的。故通过功率密度作为中间量过渡进而计算得到整流表面接收到的总功率。

具体实现方法是在接收端采用任意的接收天线作为定标天线，天线后端接功率计，根据功率计的读数，计算得到定标天线的接收功率，设为Pr0，则得到一定距离下的功率密度S0：

(3)

式中：Pr0为定标天线接收到的功率；Ae为定标天线的有效口径面积。

根据电磁波传输理论，计算可知在2 m的传输距离下，以整流表面中心为原点，12 cm为直径的圆面上，其中心的功率密度与边沿的功率密度相差不超过0.4 dB，且由中心向边沿的衰减趋势非常平缓，因此可以认为整流表面的功率密度近似为均匀分布，则将得到的功率密度S0与整流表面的面积Ar相乘，即可得到此距离下整流表面的接收功率。

此时整流表面的转换效率即为：

(4)

试验中采用已有微带天线作为定标天线用于测量接收功率，其有效面积为28.7 cm2，整流表面面积为256 cm2(16 cm×16 cm)，整流表面直流负载为4.3 Ω。

在对接收表面接收到的功率密度进行标定后，测试了整流表面的圆极化性能。此时发射天线采用线极化喇叭天线，传输距离为0.56 m处，对比整流表面水平放置及旋转90°之后垂直放置的整流结果。利用高精度的万用表读出直流负载两端的电压，此时的功率密度为12.94 mW/cm2。利用上述方法定标的功率密度即计算出整个整流表面的转换效率。其结果如表1所示，水平极化和垂直极化下整流表面转化效率差异在4%，证明了接收整流表面圆极化性能良好。

表1 不同极化测试结果

然后使用前述设计的圆极化微带平面天线阵作为发射天线，测试不同距离情况下整流表面的转化效率，测试结果如表2所示。

表2 转化效率测试结果

可见，在收发天线相距2 m时，整流表面转化效率得到最高值57.7%；而在接近功率表面密度限值的23 mW/cm2处，传输距离为1.24 m，整流表面转换效率仅为40.7%。表明在SSPS规定的波束中心传输微波功率密度限值附近，整流表面未能达到最佳转换效率。

分析系统整体链路的效率，对于所研究的能量传输系统，传输效率为链路上各环节效率的乘积：

(5)

式中：ηs为微波功率源的能量转换效率；ηtr为发射天线能量传输效率；ηb为接收天线对波束的收集效率；ηrect为能量接收整流表面的效率。

功率源方面，前述已测得最大直流—微波转换效率为51%。

发射天线的效率主要是通过将功率源至发射天线间链路损耗换算所得，测得的一分四路功分器的插损为1.1 dB，线缆损耗总和为0.4 dB。因此损耗共计2.6 dB，由dB与功率间换算公式可得输出功率与输入功率的比为0.55，即发射天线的能量传输效率为55%。

波束收集效率则根据微波理论，通过：

(6)

能量接收整流表面的转换效率测试结果见表2所列，传输距离为2 m时的能量转换效率为57.7%。

因此，传输距离为2 m时的能量传输系统直流—直流的转换效率为：η=51%×55%×19.4%×57.7%=3.14%。

4 结束语

1)受限于收发天线面积，设计的微波能量传输系统波束收集效率过低，系统整体效率仅为3%左右。由于波束扩散不可避免，对于提高波束收集效率，可以通过增大收发天线尺寸，扩大能量接收范围的方法，但这将大大增加系统的规模并增大了设计复杂度。因此可以考虑对波束进行聚焦的方法，在发射端采用相控阵技术使得波束形状产生改变，将能量汇聚，从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)通过试验对固态体制的微波能量传输系统进行了验证，尤其是接收表面的能量接收与整流，基于完美匹配层设计的能量接收表面获得了较为理想的试验结果，整流表面转化效率最高可达到57.7%，但是获得最高转化效率时接收表面的功率密度要比预期值低，需要在设计中进一步优化改进。

3)目前开展的微波能量传输试验都是采用小口径演示系统模拟大规模的发射阵列，与实际应用情况差异较大。因此，未来面向SSPS应用的固态能量传输技术的发展需要深入考虑功能的高集成度、大规模阵列实现及提高辐射效率和对准精度等方面的研究内容。而大规模的SSPS系统的功率容量将非常大，因此还需要考虑大功率微放电以及功率器件的空间使用寿命等方面的研究内容[18-21]。

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(编辑：车晓玲)

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；录用日期：2017-05-18；网络出版时间：2017-05-31 09:40:16

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

王颖，韦高，董亚洲，等.微波能量传输系统设计及试验[J].中国空间科学技术，2017，37(3)：：19-27.WANGY，

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

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*通讯作者：王颖(1981-)，女，博士研究生，wangying_c504@163.com，研究方向为微波整流与空间无线能量传输技术