毫米波高频段无线能量传输技术发展及其空间应用研究初步设想

2022-06-02董亚洲董士伟李小军

空间电子技术 2022年2期

董亚洲，董士伟，王颖，李小军

(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 710000)

0 引言

微波无线能量传输(wireless power transmission, WPT)摆脱了传统能量传输的电缆限制，可以满足多个领域的应用需求，也得到了越来越多的重视，包括空间太阳能电站、分布式卫星系统、在轨服务与维护系统等空间应用以及电磁能量获取、无人机无线输能、特殊场合下无线输电等地面应用[1-4]。其中航天器间的无线能量传输对于航天器来说具有特殊的意义。

能源供给是航天器面临的首要共性问题。利用无线能量传输技术，可以通过微波或激光，在日食期间向卫星短时间供电，解决能源问题对卫星功能和性能的限制，同时可以减小卫星的重量、体积，延长卫星的使用寿命。针对月球表面探测任务中，巡视探测器的动力可以通过无线能量传输系统获得，以保证无间断供电，使得巡视探测器可全天候工作。当对月球南北极进行探测任务时，太阳光与月面平行，位于月球环形山陨石坑等低洼位置或溶洞等弱光照和无光照区域进行探测任务的探测器将一直处于阴影区无法接收到太阳光，亟需全天候能量保障。而通过在已接收到太阳光的山峰上建立微波能量发射站，即可为阴影区域的探测器提供能源。

对于空间应用来说，系统设备的体积重量必然是重要的约束条件，现阶段微波无线能量传输技术面对的一大问题是为了保证高效传输，收发天线的尺寸较大，显而易见提高工作频率可以减小微波能量收发设备的尺寸，这对于空间应用微波能量传输技术来说尤为重要。

目前，地面验证及演示的微波无线能量传输的频段多为2.45 GHz和5.8 GHz[5-13]，国内外也有研究机构开展了毫米波无线能量传输技术研究[14-25]，大多都集中在Ka频段(35 GHz)以下，Ka频段以上的研究较少。本文首先简要介绍毫米波高频段无线能量传输技术的发展现状及趋势，在此基础上提出将毫米波高频段无线能量传输技术应用于航天器间无线能量传输的研究设想。

1 国内外研究现状

1.1 毫米波高频段无线能量传输发展现状及趋势

高频段微波能量的高效接收整流技术是实现未来高频段微波毫米波能量传输的关键基础之一。

2015年比利时鲁汶大学的研究人员提出了一种工作在160 GHz的谐波抑制整流天线[26]。如图1所示，接收天线为片上天线，为了提高转换效率减小天线尺寸，在天线的CPW馈线中嵌入了DCRMC(double compact microstrip resonant cell)滤波器，在160 GHz该天线的增益可达5.3 dBi。基于40 nm COMOS工艺研制的整流电路在输入功率为-2.46 dBm，负载为500 Ω时，转换效率可达8.5%。

图1 比利时鲁汶大学160 GHz整流天线Fig.1 160 GHz rectenna by KU Leuven

2016年美国高通公司联合博通公司和加州大学联合发布了一套60 GHz无线能量传输系统[27]，发射端的功率放大器饱和输出功率为24.6 dBm，功率附加效率最高可达9.4%，发射天线为2×2阵列。传输距离为40 mm，接收端接收整流效率可达32.8%，输出直流功率为1.22 mW。

2018年日本东京大学设计研制了94 GHz整流天线[28]，如图2所示。

图2 日本东京大学94 GHz整流天线Fig.2 94 GHz rectenna by Tokyo University

采用的整流二极管为MA4E1310 (MACOM)，当输入功率为104 mW负载电阻为125 Ω时，整流电路效率为46%，设计的16单元微带天线增益为9.0 dBi。整流天线集成在输入功率为38 mW时，整流天线的整流效率为27.4%。此外还在发射功率聚焦模式下进行了测试，当输入功率为378 mW时，整流天线的效率为2.75%。该项研究针对的潜在应用是微小卫星无线能量传输。

2018年日本筑波大学利用MACOM MA4E1317 GaAs肖特基二极管设计研制了303 GHz整流天线[29]，如图3所示。

图3 日本筑波大学303 GHz整流天线Fig.3 303 GHz rectenna by University of Tsukuba

实测的整流效率为2.17%，输出直流功率为17.1 mW。随后在2019年发表的论文中又报道了正在研制中的GaN肖特基二极管，用于提高SUB-THz频段整流天线的效率[30]，在此频率范围内的无线能量传输可能适合于未来的空间应用。

1.2 航天器间无线能量传输系统发展现状及趋势

2015年5月，美国航空航天局公布了最新的《NASA 技术路线图: 空间电力与能量存储分册》[19]，其中将无线能量传输技术作为重要发展方向，用于未来航天器间以及舱内设备间供电，从而减少设备线缆，降低航天器重量。如表1所列，2015年美国规划的7项航天器任务中，都需要采用无线能量传输技术。

表1 美国应用无线能量传输技术的航天器任务

2011年日本京都大学针对火星观测飞机的能源需求开展了研究，提出通过火星表面发射站采用微波无线能量传输技术为火星观测飞机供能[21]，基于可变功率的相位控制磁控管组成了相控阵发射天线用于跟踪目标，并进行了初步实验，如图4所示。

图4 日本针对移动目标能量传输实验Fig.4 WPT for moving target by Japan

2018年美国XISP公司(xtraordinary innovative space partnerships)在国际宇航联合会大会上提出了在国际空间站上发展空间微波无线能量传输技术(space-to-space power beaming,SSPB)的应用设想，将整个技术发展过程称为TD3(技术研发、验证与实施，technology development, demonstration, and deployment)任务[22]。计划在空间站上开展无线能量传输技术试验，在空间站上安装微波能量发射机，对距离200 m以外(最远1 km)的6U小卫星进行无线能量传输，如图5所示，并将其作为未来扩展空间无线传能任务的试验平台，分析在Ka频段26.5 GHz、36 GHz和W频段95 GHz时采用不同尺寸的发射天线在小卫星接收处可以达到的功率密度值。

图5 空间站微波无线能量传输验证Fig.5 MWPT demonstration on space station

2020年5月17日，通过搭载空军X-37B轨道试验车，美国海军研究实验室首次将“光电射频天线模块”(photovoltaic radio-frequency antenna module，PRAM)送入太空，旨在对比发射的波束和接收到的电能来计算PRAM穿越大气层的能量转换效率，以及测试PRAM长时间真空环境下的工作状态，并通过X-37B把PRAM带回地面检查分析损耗情况[14]。该实验项目是专门为太阳能发电卫星设计的设备首次在太空进行试验，由美国海军研究实验室负责。

PRAM由光伏模组、直流-射频转换以及天线3部分构成，如图6所示。主要功能是通过太阳能帆板收集电能，并将该电能转化为微波波束后发射回地面。PRAM在聚拢状态下外观上为一个30 cm的方砖形模块，展开后为阶梯状结构。

图6 “光电射频天线模块”PRAMFig.6 Photovoltaic radio-frequency antenna module ，PRAM

2 航天器间无线能量传输应用研究初步设想

毫米波无线能量传输由于能够显著减小无线能量传输系统的体积而得到了国际上主要研究机构的广泛关注，而航天器间无线能量传输系统工作在空间环境不受大气衰减、气候条件等影响，是验证和应用毫米波无线能量传输技术的重要方向。

2.1 远距离聚焦高效能量发射

航天器间无线能量传输可用的能量有限，收发天线的尺寸也受到火箭发射及航天器本身体积限制，由此造成远距离无线能量传输时接收处的功率密度很小，导致整流效率低，直流输出功率也低。但是航天器间无线能量传输时不要求具备实时性，可考虑利用瞬态电磁学理论，通过发射电磁脉冲在一定时间内慢衰减传输来实现能量聚焦提高接收功率密度，此外还可结合准无衍射波束产生方法，将能量在空间上进一步聚焦，提高特定位置处的接收功率密度。

根据瞬态电磁脉冲能量的慢衰减理论，对满足一定波形条件的瞬态电脉冲，经天线辐射后，其能量将呈现“3段式传输规律”。即：在近场区能量几乎不随距离z减小，称此距离为能量的“不衰减段”；在中近场区能量随距离衰减慢于平方反比率(∝z-1-δ，0<δ<1)，称此距离为能量的“慢衰减段”；在远场区能量随距离衰减满足平方反比率(∝z-2)，称此距离为能量的“快衰减段”。瞬态电磁脉冲能量随距离衰减慢于平方反比率的特性称为能量的慢衰减特性。在无线能量传输中应用瞬态电磁脉冲的慢衰减特性，使得可能在更远的传输距离情况下得到较大的功率密度，大大提高瞬态无线能量传输的效率。瞬态电脉冲经合理设计的阵列天线辐射后，结合准无衍射波束产生方法所得电磁脉冲波束容易实现空间场量的聚焦合成，使得阵列天线辐射的电磁能量集中于轴线附近很小的立体角内，实现电磁波束的空间聚焦。因此可考虑研究阵列天线发射的慢衰减理论和准无衍射波束产生理论。

电磁波在空间中传播都会有衍射现象发生，只是不同条件下电磁波的衍射程度不同，衍射会导致电磁波在传播的过程中能量更加分散，能量密度减小，但是在理论上存在空间中传播不发生衍射的电磁波存在，也称为无衍射波束。无衍射的概念是美国 Rochester大学的Durnin提出，其在1987年首先给出了波动方程与以往完全不同的解——贝塞尔函数形式解，该类解的形式理论上证明贝塞尔波束在垂直于传播轴的横截面电场或者磁场始终保持不变。通过对自由空间中波动方程的求解给出贝塞尔波束解的形式，其求解过程如下，自由空间的波动方程形式为[31]：

(1)

式(1)在z≥0的区域存在标量形式的解：

(2)

其中β2+α2=(ω/c)2，c为自由空间光速。从式(2)可以得到电磁波在传播过程中其电场在z大于0的任意面上除了相位的变化，其幅度值与z=0的面上分布情况完全相同。若电场具备轴对称性，即式(2)中的参数A(φ)是一个与φ无关的物理量，则式(2)可表示为：

(3)

其中r2=x2+y2，J0为零阶贝塞尔函数。

根据式(2)和式(3)可计算产生零阶贝塞尔波束这种准无衍射波束所需的发射阵列中各个单元幅相分布。传统的近场聚焦无线能量传输技术是通过相位聚焦实现能量的高效传输，但只有接收端位于发射天线的焦点时才可能实现高效率聚焦。当接收端偏离发射天线的焦点时其传输效率会急剧下降，且能够聚焦的距离较短。因此考虑零阶贝塞尔波束这种准无衍射波来实现较大范围内的波束空间聚焦，同时结合前文所述的电磁脉冲信号来实现远距离时空聚焦无线能量传输。

2.2 高频段整流器件建模方法及整流天线集成设计

通过时空聚焦方法提高航天器间远距离无线能量传输中接收端的功率密度之后，下一步要解决的关键问题就是W频段无线能量的接收整流问题。整流器件是整流电路的核心部件。最常用的整流器件为肖特基二极管(schottky barrier diod，SBD)。肖特基二极管是利用肖特基势垒特性而产生的电子元件，凭借着低功耗、大电流、正向导通压降低、反向恢复时间短等特点被广泛地应用于整流电路中作为整流二极管使用，它的电路模型是否精确直接影响整流电路设计是否准确，在毫米波高频段由于整流二极管的非线性特性，其等效模型复杂，等效参量较多，不易进行精确分析。

图7 肖特基平面势垒二极管剖面结构Fig.7 Struture of planar Schottky barrier diode

典型的肖特基平面势垒二极管剖面结构如图7所示，具体物理参数设置如表2所列。整个二极管在半绝缘GaAs 衬底(substrate)上，往上依次是重掺N 型GaAs 构成的缓冲层(buffer)、轻掺N 型GaAs 构成的外延层(epitaxial)和SiO2构成的钝化层(passivation)。金属阳极(anode)通过空气桥(air-bridge)后穿过SiO2与外延层接触，从而形成肖特基接触。阴极(cathode)穿过钝化层和外延层后与缓冲层接触形成欧姆接触。二极管阳极焊盘和阴极焊盘通常采用铂金或钛金制作，以防表面受到腐蚀并易于金丝、金带键合装配。

随着频率升高到毫米波高频段，二极管尺寸和波长已经可以相比拟，二极管封装将会对电磁分布产生较大影响，二极管封装引入的高频效应已不可忽略，因此需要建立充分考虑封装寄生参数的二极管等效电路模型，深入和定量地研究二极管的寄生效应，找出影响二极管寄生效应的关键。根据肖特基二极管的平面结构图、纵向物理结构及其物理参数设置，建立封装形式的肖特基二极管三维电磁结构仿真模型如图8所示，肖特基二极管等效电路模型如图9所示。影响二极管寄生效应的5个关键尺寸有：二极管长度、二极管宽度、二极管厚度、空气桥宽度和沟道长度。通过控制变量法，研究这5个关键尺寸对寄生效应的影响。

图8 肖特基二极管三维电磁仿真结构模型Fig.8 3D EM simulation model of Schottky diode

图9 肖特基二极管等效电路模型Fig.9 Equivalent circuit model of Schottky diode

在对整流二极管精确建模之后便可以进行W频段高效整流天线设计，主要通过设计W频段高效接收天线单元及阵列、低损耗波导-微带转换、高效整流电路等组件，完成整流天线的集成设计。在集成设计中考虑采用高效率复数阻抗匹配滤波天线，将整流电路直接与接收天线共轭匹配，且具备谐波抑制功能，避免使用额外的滤波器和匹配网络，减小损耗，提高接收整流效率。