MW级SPS微波能量传输系统微波源相位误差的影响分析①

0 引言

空间太阳能电站(Solar Power Satellite，SPS)被视为解决未来能源问题的有效途径之一，因此日本、美国等国已开展了广泛和深入的研究[1-5]。有志于建设航天强国的中国近年来也十分关注空间太阳能电站事业，并多次在国际舞台上发出自己的声音，已经提出了多旋转关节空间太阳能电站(MR-SPS)、OMEGA 型空间太阳能电站和同心圆空间太阳能电站等概念系统[6-8]。以中国空间技术研究院为核心的团队已经提出了空间太阳能电站发展规划建议，根据这一建议，我国将在2030年以后开展MW级SPS演示验证。

微波能量传输是空间太阳能电站的核心技术，以电磁波为载波将能量从GEO(Geostationary Earth Orbit)轨道传输到地球，并实现微波能量与直流电能的相互转换。GEO轨道MW级SPS的微波能量发射天线采用大型阵列形式，与之相适应，大功率微波也通过大规模微波功率通道分布式实现，这就涉及到相当数量的微波功率源[9-11]。微波功率源的幅度、频率、相位等特性对微波能量传输系统都将产生重要影响[12]，本文重点分析微波功率源相位误差对波束收集效率的影响。

本文首先简要介绍GEO轨道MW级SPS的微波能量传输系统的设想，然后建立微波源相位误差影响问题的分析模型，并提出分析方法，最后给出分析结果并对其进行讨论。

(2)利用式(2)，建立几何要素与其在T-Map中映射点pF的关系：pF=pF(Df1,Df2,,Dfm)。

1 MW级SSPS微波能量传输系统

本文以中国空间技术研究院提出的MR-SPS方案为基准展开讨论(但分析模型、方法和结论适用于其他形式的SPS方案)，MW级SPS的构型见图1。通过多个旋转关节将光伏电池阵列分解为多个子阵，提高系统的可靠性。微波能量发射阵列采用准圆形式，向地面发射10 MW以上的微波功率。

  

图1 MW级空间太阳能电站构型图

 

Fig.1 Configuration of mega-watt solar power satellite

而微波功率源的相位误差dφ服从高斯分布，该分布的均值为0，均方差为σ。

  

图2 MW级SPS微波能量收发口径与波束收集效率的约束关系

 

Fig.2 Microwave power trans-ceiving apertures vs BCE of MW-level SPS

2 分析模型与分析方法

不可忽视的是，网格员招聘人员也存在许多弊端。 例如： 招聘的工作人员流动性大、三班倒的工作时制如何有效保障网格员的安全、家庭住址远近等问题。

2.1 分析模型

根据微波能量发射阵列的构建设想，微波功率源相位误差影响分析的模型如图3所示，其中Dt为阵列口径，一维阵列上分布Na个微波源，每个微波源通过功分网络激励Nepa个辐射单元。每个微波源的特性为(A1，f1，dφ1)、(A2，f2，dφ2)、…、(ANa，fNa，dφNa)。其中，A为微波功率源的幅度；f为微波功率源的频率；dφ为微波功率源的相位误差。

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图3 微波功率源相位误差影响的分析模型

 

Fig.3 Analysis model for phase error effect of microwave power sources

从波束收集效率的角度开展对微波源相位误差的影响分析。对于GEO轨道MW级SPS的微波能量传输系统，能量发射天线为200 m的情况下，5000 m口径的整流阵列只覆盖微波能量波束中心处的一小部分，如图4所示。因此，因微波源相位误差导致的增益下降直接引起整流阵列波束收集效率的降低。

A1=A2=…=ANa

(1)

f1=f2=…=fNa

(2)

微波能量发射阵列的口径是微波能量传输系统设计的重要内容之一，设计中主要考虑地面整流阵列对微波能量波束的收集效率，其影响因素除了收发阵列的口径，还包括工作频率和传输距离。从演示验证的工程可行性和意义上，还应该考虑运载能力、对光伏电池阵列的要求等。如图2是C频段微波能量收发阵列口径与波束收集效率(Beam Collection Efficiency，BCE)的关系。为了保持MW级SPS各分系统的均衡，波束收集效率应达到15%以上。由图2可见，如果整流整列口径选为5000 m，则微波能量发射阵列口径要接近200 m。

2.2 分析方法

本文针对均匀口径场的发射阵列开展分析，各微波通道和子阵工作在频率统一分发体制下，所以微波源有如下特性：

微波能量发射阵列是一个准圆口径的面阵，为了提高分析效率，用线阵对该问题进行建模和分析。

（1）该水源地历年变化分析得出氨氮、总磷等水质指标有逐年好转的趋势，但是COD存在一定的水质恶化风险。

一维能量发射天线的辐射方向图可写为

 

(3)

式中 N为辐射单元总数，N=Nepa×Npa；d为单元间距；λ为工作波长；ΔφB为子阵间空间相位差。

对辐射方向图取平方并进行归一化，就可以得到功率方向图。功率增益相比于理想阵列的减损就代表着波束收集效率大的下降。

(1)相位误差均方差越大，波束收集效率下降越多，如果将波束收集效率减少容限设置为3.0%左右，微波源相位误差的均方差为10°；

1.2.2 找出近端原因根据责任护士对患者跌倒坠床经过的汇报材料(包括人物、时间、地点、如何发生跌倒坠床以及致伤的情况)和跌倒患者病历资料,采集相关的主客观资料,对存在争议或疑问的地方由小组成员对患者进行电话回访核实补充。召集科内医生、护士共同讨论患者跌倒的可能原因,尽可能多地发现问题,采用鱼骨图进行展示,如图1。

3 结果分析与讨论

本文首先明确一维阵列的口径Dt=192 m，分别在Nepa取4、8和16(对应的微波功率源数目Na分别为1280、640和320)情况下对给定的不同相位误差均方差进行仿真，得到典型仿真结果如图5和图6所示。完备的分析结果列于表1中。

  

图4 GEO轨道MW级SPS的波束范围与整流阵列的关系

 

Fig.4 Rectifying array in the beam coverage of MW-level SPS on GEO

  

(a)相位误差分布 (b)Nepa=4

  

(c)Nepa=8 (d)Nepa=16

 

图5 相位误差均方差为10°时微波能量发射阵列的归一化功率方向图

 

Fig.5 Normalized power pattern of the microwave power transmitting array with phase error RMS of 10°

  

(a)σ=1.406° (b)σ=5.625°

  

(c)σ=10.0° (d)σ=22.5°

 

图6 Nepa=4时微波能量发射阵列的归一化功率方向图

 

Fig.6 Normalized power pattern of the microwave power transmitting array with Nepa=4

 

表1 微波源相位误差影响分析结果

 

Table 1 Analyzed results of phase error effect of microwave power sources

  

相位误差均方差σ/(°)Nepa=4增益减损/dBBCE下降/%Nepa=8增益减损/dBBCE下降/%Nepa=16增益减损/dBBCE下降/%1.4060.002 7450.0630.002 3520.0540.002 2950.0535.6250.040 710.9330.038 590.884 6-0.041 810.95810.00.132 43.0030.126 52.870.133 83.0322.50.71315.140.638 613.67-0.567 312.24

从上述分析结果可得到：

在分析中，在总口径不变的情况下，给定不同的Nepa值，并在不同的相位误差均方差下进行分析，根据对波束收集效率下降的容限确定特定方案对相位误差的容限。

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(2)微波源相位误差均方差一定的情况下，微波源的数量越多，功率方向图包络副瓣电平越高；微波源的数量一定的情况下，微波源相位误差均方差越大，功率方向图包络副瓣电平越高；

(3)在微波能量发射阵列口径和微波源相位误差均方差一定的前提下，因微波源相位误差导致的波束收集效率下降的量基本保持不变。

4 结束语

MW级微波能量传输是支撑GEO轨道空间太阳能电站演示验证的核心。能量发射天线阵列的口径达到百米量级，大规模微波功率源的相位误差对微波能量传输系统的性能产生重要影响。本文从波束收集效率的角度提出了分析这一影响的建模和分析方法，并以192 m口径发射阵列为例，分别在微波源数目为320、640和1280时，分析了不同相位误差均方差条件下发射天线功率增益减损和波束收集效率的下降，当微波源相位误差的均方差不超过10°时，可以保证波束收集效率下降量不超过3.0%。本文的研究可为GEO轨道MW级空间太阳能电站微波能量传输系统的设计提供依据。

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