微波功率传输的研究①

0 引言

无线功率传输(WPT-Wireless Power Transmission)主要有激光功率传输(LPT-Laser Power Transmission)和微波功率传输(MPT-Microwave Power Transmission)两种方式。它们都包含发端、收端和无线传输介质三部分。

LPT的发端由激光产生系统、光学机械系统、捕获跟踪瞄准系统和控制系统组成。激光产生器有三大指标是总体人员关注的:高功率、高效率、波段。

对于武器可能更多关注高功率和波段。对于LPT，高功率、高效率和波段都需要关注。激光器斜率效率(Slope Efficiency) ，也称微分效率(Differential Efficiency) ，是衡量激光器输出特性的一个物理量。对光泵激光器而言，以泵浦功率作为横坐标、激光器输出功率作为纵坐标画一条曲线，该曲线的斜率即为激光器的斜率效率。一般情况下，当泵浦输入高出阈值很多时，激光器输出功率和泵浦输入功率的关系曲线接近直线。所以，激光器斜率效率是一个确定的值。现在最好的商业产品大约可做到60%左右，实验室可做到70%以上了。低温激光器下一个目标：转换效率超过80%。 LPT的收端由光电转换装置和电源管理装置组成，光电转换装置是将激光能量转化为电能的装置，而光电转换效率是LPT技术的重要指标。光电电池与太阳能电池相似，都是利用半导体PN结在激光照射下产生光生伏特效应发电，但由于太阳光是多光谱组成，强度也不固定，难于与光伏电池材料特征参数匹配。然而，在LPT系统中，光电电池的特征参数与入射激光的波长和强度可很好匹配。例如，激光波长可选择为光电电池峰值能量转化率对应的波长，从而获得高的光电转换效率。

在LPT的收端一个重要的问题是散热。在激光通信系统中，激光波长短，波束窄，收发天线尺寸小重量轻，是优点，但在LPT系统中，却是问题。LPT系统中功率都在若干kW量级。例如，传输功率为200 kW，光电电池的效率为50%。100 kW的功率转换成热量，对尺寸小重量轻的LPT系统就难于散掉。LPT受对流层、地面地形和人工建筑的影响。

无线传输介质主要有地面对流层介质、平流层介质、太空环境介质。空间太阳功率站(SSPS-Space Solar Power Station)要通过三种传输介质才把太阳功率传回地面。LPT受对流层、地面地形和人工建筑的影响。SSPS-MPT在C波段穿过对流层只损失2%左右。以下以SSPS-MPT为例，介绍作者参加的MPT工作。

高校的众多的业务系统，大多是业务部门与二级学院自建设。平时对系统的日常管理与运维，主要是部门自己来完成。信息主管部门不能对应用业务系统自行统一管理，无法对所有的信息系统作出安全的评估，系统是否存在漏洞。加之，部分业务系统开发时，就重应用轻安全。部门本身的运维金费与管理队伍投入又不足，缺乏专业技术人员，导致有些应用系统长期无人管理。这些系统往往就成了学校网络的薄弱环节，极易造成师生的个人信息泄露与被攻击。往往都是在网络安全事故发生以后，才能意识到存在着安全漏洞，再由信息的主管理部门或者运维公司派人来维修，使整个学校的网络安全工作一直处于较为被动的状态。

1 基于微波功率传输的空间太阳能电站MSSPS(MPT Based SSPS)的概念

半导体微波放大器。理想的MSSPS的微波源是半导体微波放大器。除GaN固态功率源外，还有硅功率器件价廉，其截止频率对C波段也足够。但目前半导体微波放大器的功率太小，在百瓦量级，只能用于仿真演示实验系统。

  

图1 基于微波输能的空间太阳能电站MSSPS的示意

 

Fig.1 Microwave power transmission based SSPS

星蚀效应：由于星蚀，一颗太阳能卫星SPS不能全季侯供电。多个SPS可组成空间信息功率网[1]，通过功率星际链路PISL，把能量汇聚到离我国最近的卫星，再传回来。对赤道面上周期为T的圆轨道卫星星蚀时间估算，如图2所示。图2中，m、M分别为卫星和地球质量；R=6378 km为地球半径；r为卫星轨道半径；t=卫星星蚀时间；T=卫星周期(s)，p=T/3600 h。对同步卫星，以春分时太阳光直射地球赤道来计算。r=R+35 788=42 166 km , P=24 h。 由图2曲线估计得：星蚀时间=1.16 h。

太阳光的收集：如图3所示，太阳光的收集方式有 ①非聚光型：平板光伏电池的法线自动跟踪太阳光。②聚光型：在超大面积上收集太阳光，汇聚于光伏电池。聚光系统有多种设想[2]，其中之一是SPS-ALPHA聚光系统。图4是其原理分解图。

SPS-ALPHA聚光系统包括三部分：指向天底的巨大主阵系统 、 巨大的太阳光截获反射器系统、 将上述二系统连接起来的捆绑式结构。SPS-ALPHA 把组装的不动的太阳能产生器整体装在一个重力梯度稳定卫星上。SPS-ALPHA系统用定日镜Heliostat原理把太阳光汇聚在光伏电池。SPS-ALPHA系统原理分解如图4所示。

猪后腿肉:武夷山菜市场；红曲红：广东科隆生物科技有限公司；辣椒红：晨光生物科技集团股份有限公司；蛋黄粉：郑州安康食品化工有限公司；亚硝酸钠：郑州佳捷化工产品有限公司；山梨酸钾：南通醋酸化工股份有限公司；食用盐：福建省盐业集团有限责任公司。

  

图2 赤道面上周期为T的圆轨道卫星星蚀时间计算

 

Fig.2 Eclipse time of satellite on circular orbit with period of T in the equatorial plane

  

图3 太阳光的收集方式

 

Fig.3 Sunlight collection techniques

  

图4 SPS-ALPHA系统原理分解图

 

Fig.4 Decomposition of SPS-ALPHA system principle

2 聚光后各环节效率

聚光后各环节效率如图5所示。

  

图5 SSPS聚光后各环节效率

 

Fig.5 Efficiency of each segment of SSPS after sunlight focusing

光电效率：光电效率定义为：η=Pm/Pm×100%=(ImVm/Pm)×100%

其中，Pin 为太阳光入射功率，Pm为最大输出功率，Im与Vm为在最大输出功率时的电流与电压。 提高效率：(1)将不透光的金属电极作成指状或网状，减少反射，使大部分的入射光都能进入半导体材料中；(2)将表面制成角锥结构，并加入抗反射层，以减少光的反射量；(3)将金属电极埋入基板中，以增加接触面积，减少串联电阻；(4)点接触式太阳能电池，其特点为电极均做在同一面，增加入射光的面积，且易於焊线；(5)将太阳能电池制成串叠型电池(tandem cell)，把几个元件堆叠起来，吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池放在下层，透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收。 射频效率：射频效率ERF=POUT/PIN，如图6所示，可写为

  

图6 SSPS的射频效率ERF=POUT/PIN

 

Fig.6 RF efficiency of SSPS ERF=POUT/PIN

 

 

 

式中 E1=PTX/PIN,E2=PRAD/PTX,E3=PINC/PRAD，E4=PRX/PRAD,E5=POUT/PRX为各子系统效率。

整个MPT的效率ERF与以下相关 ① DC-RF转换和波束形成网络与发射天线效率ERF=E1×E2;②波束瞄准收集区的赋形与瞄准能力,E3;③ 接收天线效率,E4; ④ RF-DC 的转换效率,E5 。讨论如下：

目前，我国军品单一来源采购方式仍然占85%以上，竞争性采购占比不足15%，和欧美60%、70%的竞争性采购比例相比差距仍然较大，个别领域由一家或几家承制单位垄断的现象仍然存在。军品科研生产向民营企业开放的窗口，从产品门类、数量到产品级别仍非常有限，民营企业在竞争中处于配套和从属地位或竞争只局限于民营企业之间的竞争。

适合于WPT Based SSPS的微波源的器件有回旋波行波管(Cyclotron TWT)。其平均功率可达100 kW，多只回旋波行波管共由一个微波源驱动。各行波管的输出彼此相干，并分别向对应的天线阵馈电。经天线阵的聚合作用，104个CTWT的功率在空间相干合成，达100万kW。这种直流到微波转换(DC/RF)效率达85%。

磁控管。本身是个振荡器而不是放大器。例如，100万kW的SSPS至少需106只1 kw磁控管。PCM技术难于同时对106只磁控管作相位校正；再加上各磁控管之间参数离散度大，实验和仿真建立的复杂函数关系各管不同，长期漂移也不同。因此，难以把多只磁控管的输出相干相加。发明PCM的日本最近也不用磁控管馈电天线阵，只用于单天线的大功率馈电(参见中国空间技术研究院CAST，钱学森实验室组织编写的“太空发电站国外发展现状调研分析报告P145”)。

MSSPS系统的组成如图1所示，MSSPS包含①空间聚光；②光伏发电——蓄电；③直流到微波转换DC/MW；④天-地微波传输；⑤微波到直流转换MW/DC；⑥馈入电网等6个环节。在图1中，微波柱在地面波前呈现高斯分布，为了保护环境地面中心功率密度约25 mW/cm2。边缘处的功率密度约2 μW/cm2。另外地面接收孔径边缘，上下左右有4个功率密度检测点，用以检测微波柱照射方向偏差。当微波柱重心与地面接收孔径的相位中心重合时，4个点的功率密度相等。反之，上下左右4个点的功率密度不等，将检测到的4点功率密度输入到图1中微波柱中心检测与遥控分系统，经上行遥控链路，调整天上天线阵的阵元相位，修正微波柱的赋形与指向，使微波柱重心与地面接收孔径的相位中心重合。聚光系统相对太大，图1中没有画出。

  

图7 计算阵因子方向图的参考图

 

Fig.7 Reference used to compute array factor

(1)发端波束赋形目的是使微波功率最大地投射到照射区Ω。由N个阵元构成发端面阵天线。第n阵元位于(xn ,yn),n=1…N，其权系数为Wn。阵因子方向图为(参见图7):

发端波束赋形问题：求解Wn；n=1…N，使E2最大：

 

式中wn；n=0…N-1；Ω=欲照射的接收区。

小瓶虽然封着口，可由于没封严实，瓶中灌满了水，倒出水后又倒出一张泡软了的纸条，纸条上的字迹已模糊不清。王敬凯迅即回到局里，经过技术处理，看到如下一行字迹：

鉴于此，本研究采用Citespace V软件对2008年以来我国群众体育研究领域的文献进行可视化分析，绘制相关科学知识图谱，以把握我国群众体育研究现状和演进脉络、研究热点与发展趋势，从而为新时代建设体育强国进程中的群众体育研究提供参考与理论支持。

另外，工程中要考虑简单紧凑可靠、天馈网络鲁棒性等因素。

原点O与阵元(x,y,z)的相对误差OΔ为

 

 

=x·sinθcosφ+y·sinθsinφ+zcosθ

3.科研创新能力：三级指标主要包括参加科研活动的情况、发表专业学术论文的情况、创新活动参与情况、创新素质。

(2)发端波束须准确照射地面接收区域Ω(x,y)。发端用N个阵元构成的天线阵。天线阵便于功率合成，且可通过调整阵元的复数加权值去调整波束指向与赋形。有两种方法控制发端波束指向：

一种方法是：监测收端功率密度p(x,y)：p(x,y)的分布近似为高斯分布，为了减小对环境的影响，中心功率密度约25 mW/cm2,边缘降到1μW/cm2。测量接收区域功率流重心，即的矢端。

若重心与地面天线的相位中心不重合，上行遥控根据此误差调整SSPS天线阵的相位，从而波束指向，使重心与地面天线的相位中心重合。实际上，只需对地面接收区域边缘前后左右4个点采样，即可确定微波束的指向误差，通过上行遥控修正发射天线阵的相位分布，使4个采样点功率密度相等，从而微波束照射地面接收区域Ω(x,y)。

(a)提取DOA，改变阵元相对相位来调整天线阵波束指向提取的DOA。见图7、图8。

另一种方法是：复制来波方向法(RD=Retrodirectivity)：收端发射导引信标到发端。以此信标方向导引发端波束指向收端。

α=(-2π/λ)sinΘ×cosΦ；β=(-2π/λ)sinΘ×sinΦ

 

举例:地面移动316 m，对应GEO上角度为(316/3.6*107)*57=0.000 5 °。

若指向变化0.000 5°。权系数相对变化6.56×10-4。

(三)语义的规范性。语义的规范性主要是指在语言的发展过程中,其语义应符合社会风范、社会道德、词语要健康文明等原则。网络是一个开放的世界，人们随心所欲, 因此为了表达畅快, 不惜用一些语义不健康, 不文明的词语, 如“我勒个去”、“靠”(一种不文明的骂人的话, 类似与“操”)等。这样的词虽使用起来简单、便利, 表达起来痛快, 但这是一种极不文明的言语行为。曹德和先生指出:“在现代汉语词汇系统中, 除了‘不快语’以外, 还充斥着许多污言秽语, 这些垃圾自然应予清除。事实说明, 伦理原则亦适用于语言的规范……”④ 据此, “我勒个去”、“靠”等一类污秽词语将是不能进入现代汉语词汇系统中的。

这不便测量DOA和控制波束方向。

 

 

 

 

  

图8 天线阵波束仿真Θ=150°，Φ=0-3600°

 

Fig.8 Beam simulation of the antenna array, Θ=150°，Φ=0-3600°

根据学生问卷调查和访谈记录所反映的建议，笔者从课程设计、教材拓展、教学工具等多方面入手，调整教学手段和教学方法，在英语教学进行文化导入实验。

直流到射频的转换效率E1=PTX/PIN

  

图9 干涉仪方向角变化与输出相位关系图

 

Fig.9 DOA variation vs.output phase for the interferometer

 

 

 

 

57dΘ=5×10-4 57dφ(Θ)=1.257×10-5°

(b)收端发射导引信标到发端。以此信标方向导引发端波束指向收端。即复制来波方向(RD=Retrodirectivity)。位于(xn，yn),n=0…N-1, 的阵元天线接收的信标信号复数值为rn 。rn的共轭相位馈到发端天线阵，其波束照RD指向接收区。如上行信标频率fU与下行功率发射频率fd不同,rn的相位须乘(fd /fU)。步骤如下：

第三：微波整流效率：E5=POUT/PRX

第二：把χn与星上本地振荡器产生的参考相位比较，得相位差Δχn

对比相干涉仪，若方向角(DOA)变化0.000 5°，则干涉仪输出相位将变化1.26×10-5，见图9。

第三：把共轭相位差rn=-Δχn作为各阵元的相位加权因子。星上发射天线阵的波束便被校正指向接收区的信标天线。

共轭复数信号产生：根据天线阵各阵元收到的导引信号，产生一个相位共轭的信号再馈到各对应阵元。天线阵的发射波束将反过来指向导引信号源。图10为一种产生共轭相位信号的发收系统。自评简单，可靠，响应快。

  

图10 复制来波方向的异频相干收发电路

 

Fig.10 Different Frequency coherent transceiving circuit for DOA duplication

  

图11 256方阵波束仿真

 

Fig.11 Beam simulation of 256-element square array

图10所示倍频共轭的难点有：一是双频天线收发功率相差100 dB以上，须保证高功率发信号不干扰引导信标的接收。二是混频器的射频输入频率与中频带通放大器BPA的中心频率相同，使射频输入信号不经过混频而直接串入BPA放大，干扰输出相位。

当加强筋的厚度小于塑料件的主壁厚时，其冷却速度快于主体部分，主体部分有更多的时间可以收缩，最终两者收缩差异造成塑料件翘曲变形。从分析结果(见图7)来看：加强筋厚度越接近主壁厚，对翘曲变形影响越小。

(3)256方阵波束仿真如图11所示。

第一：空间传输效率E3=PINC/PRAD

(三)保证事业单位内部各项财务管理工作严格按照规章制度开展，提升事业单位财务工作效率，必须把强化内部控制作为基础性的工作，但是现阶段不少事业单位在这方面还存在着不少的问题，内部控制体系薄弱，内部管控力度不足，内部审计缺失，导致财务管理中出现的一些问题得不到及时的发现解决，财务管理体系中存在着薄弱环节，影响了事业单位财务管理工作水平的优化提升。

3.3 妥善固定 根据外露长度做好固定计划。用一条胶布先将圆盘固定住，然后将外露导管及圆盘覆盖在3M透明敷料以下(外露导管呈S型)，贴膜边缘与圆盘边缘平齐，在圆盘处再固定交叉一条胶布。将输液接头及附件尽量固定在额部，避免患儿变换头部体位时压到头下而引起压疮。13例患儿中有1例肠梗阻术后的患儿活动较多，活动后出汗导致透明敷贴松动，当患儿烦躁哭闹时将可来福接头握在手中将PICC导管扯出，导致意外脱管。对于这种活动较多、烦躁易哭闹的患儿，除了常规的固定外还应适当约束手臂，及时给予安抚，防止患儿将PICC导管扯出。

星地输电用2.45 GHz或5.8 GHz的微波，易穿透大气层。在良好气象条件下，电能仅损失2%。美日在夏威夷两座相距90英里的岛上，成功实现了微波能量无线传输。这个距离相当于从太空输电到地面所穿透的大气层厚度。

第二：接收天线效率：E4=PRX/PINC

接收孔径直径2 km难于建造。另一条路是地面若干较大天线组成超大天线阵。各馈源的组合有以下a、b、c三种。如图12 所示。

  

图12 接收天线阵组合方式

 

Fig.12 Structure of receiving antenna arrays

第一：对每一阵元提取导引信标信号的相对相位(χn∠rn)

这里所说的“操作系统”，是指可以借助计算机实现图形界面化的“教师专业发展评价系统”。该操作系统的界面应该具备以下模块及功能：（1）有权限各异的“用户登录”模块和查询与输出模块；（2）供教师本人输入并上传各评价要素栏目的模块；（3）可供添加的扩展项，包括评价要素的扩展；（4）可以修改板块结构及各评价要素的权重；（5）教学监控模块，相关信息直接由“学生学业评价系统”关联导入。

对小功率接收站用整流天线阵Rctenna Array，将微波能转换为直流电。在天线馈线处或天线电流分布集中处(如振子天线的振背上)，用肖特基二极管把微波整流为直流电。整流天线原理直观，结构简单。主要用于小功率无线输电场合。

图13所示的回旋电子束波微波整流器CWMR转换效率高，功率适应范围大，又无二次谐波再辐射问题，适于高功率无线输电。微波输到波粒相互作用空间，与内部的电动力学结构相互作用激起横向电磁振荡。电子束由电子枪注入，在横向微波场的作用下获得动能，激起回旋电子束波。当电子的回旋角频率等于输入微波的角频率时，它与微波场发生共振，输入微波的电磁能量转变为电子的横向动能。 在转换区反向磁场的作用下，电子的横向能量被转变为纵向动能，使电子束的空间形状从直线型转变为空间螺旋型。在转换区纵向受到加速的电子冲向负压的收集极，电子的动能转变为直流电能量，在外电路中形成电流。

  

图13 回旋电子束波微波整流器CWMR原理图和实物图

 

Fig.13 Block diagram and photograph of cyclotron electron beam wave microwave rectifier

CWMR的典型产品参数如表1所示。

 

表1 回旋波整流器系列产品典型的实验参数

  

输入微波频率/GHz2.452.452.4510.010.0输入微波功率/kW10501001025微波-直流转换效率/%10501001025输出电压/kV23107.51082323.7电子束流/A0.380.40.80.380.93电子枪阳极电压/kV1010101010初始电子束半径/mm1.11.71.71.71.7谐振腔磁场/G输入端89289289236423642 输出端9731104110438253825转换区长度/mm731211211859转换区反向磁场/G187110110765383转换区末端回旋直径/mm3777779.6151.1收集极功率损耗/kW1.37131.33

第四：整个射频效率为

ERF=POUT/PIN=E1×E2×E3×E4×E5

=PTX/PIN×PRAD/PTX×PINC/PRAD×PRX/PINC×POUT/PRX

江西环境工程职业学院“测量基础”课堂教学设有82个课时，学期末有2周的实训，课程教学中涉及 “教什么”和“怎么教”的问题。为了能让学生扎实掌握测量的基本理论知识和基本技能，经过认真的教学设计，把该课程概括为：基础知识模块、基本测量技能模块和普通测量技能模块，各模块包含的知识点[2-3]，如图1所示。

3 结束语

现各国规划的SSPS都要到2040年后才能建成，产生效益。为此建议：在近期开展基于气球平台的太阳能电站研究。目的是：①为SSPS研究奠定基础；②缓解SSPS耗资巨大，等望太久问题；③支撑临近空间多种资源开发。

(1)BSPS作为SSPS验证仿真模型，用以研究SSPS在地表垂直环境下的系统和各环节的基础理论与关键技术：a、正、反向(上、下行)过渡场和远场MPT通道特性； b、反向波束赋形与快速低精度指向控制；c、共源驱动微波功率放大器馈电的DBF天线阵；d、地面超大天线阵波束赋形与对SSPS跟踪控制;e、接收孔径区功率密度监测→赋形与指向误差计算→上行遥控进行DBF慢速高精度闭环赋形与指向修正。

(2)对流层外的平流层阳光能远高于地面。BSPS是一种新能源方案。

(3)将地面车载站、舰载站的能量通过MPT对无人机等飞行器加能，实现无油无人机，直接为炮兵、海军服务。

(4)BSPS能长期锚定在22 km高空，是立体IP网络节点的理想平台，是实现HAP通High Altitude Platform Communication)主要途径。

参考文献：

[1] YANG Shizhong,Space information and power network[C]//2017 First IEEE conference on energy internet-space energy internet workshop,Beijing.

[2] 太阳能发电卫星白皮书.URSI SPS国际委员会工作报告[R].中国宇航出版社,2013.

[3] 李贝贝,李小将.激光输能光电转换增效方法研究现状[J].激光与红外，2016 ,46(10).