远距离大容量连续无线功率传输的机遇与挑战

远距离大容量连续无线功率传输的机遇与挑战一文创作于：2023-08-16 05:27:29，全文字数：41377。

远距离大容量连续无线功率传输的机遇与挑战

次远距离大功率地面微波功率传输试验,首先采用5.4m口径抛物面天线和1.02m×1.09m整流表面阵进行了1046m功率传输,工作频率9.73GHz,微波功率源输出91.2kW,整流输出功率1.65kW。然后采用36.6m口径卡塞格伦天线和2.06m×2.19m圆极化整流表面阵进行了1141m微波功率传输,工作频率10.5GHz,发射功率可达210kW以上,整流输出功率为1030W。这2次微波功率传输试验是第一次频率高达X频段、距离超过1km、传输电功率大于1kW的试验[13]。

2019年5月,PowerLight公司开展了激光功率传输试验,发射激光2kW,传输距离325m,接收电功率约400W[14]。2022年6月,美国国防高级研究计划局(DARPA)发布 “机载能源井”(airborne energy wells)的吊舱项目,利用激光为无人机进行无线充电。DARPA要求吊舱的激光功率达到100kW以上,并认为机载能源井可成为“更广泛的发电、电力中继和接收的能源网络的一部分”。

日本对远距离大容量连续微波功率传输的研究广泛而深入,规划长远且执行有力,2015年开展了远距离水平微波功率传输地面试验,之后进入垂直传输验证阶段[15]。2019年5月,相关团队联合开展了用微波功率波束驱动无人机飞行的垂直传输试验,地面功率发射天线采用1.2m×1.2m固态相控阵,整流天线采用200mm×186mm轻量化整流表面,无人机在10m和30m高度飞行时整流输出功率分别达到60W和42W,为无人机电池充电的同时点亮LED灯[16]。这次试验利用无人机实现了地对空的微波功率传输,测量了功率方向图,还验证了反向波束控制技术。

2020年,京都大学基于相控电真空微波源和波导缝隙阵列开发了微波功率发射阵列,天线口径尺寸为1.0m×0.58m,发射功率达到1340W,整流输出功率为142W。功率波束指向可以在±3°范围内调控[17]。这项工作为实现地面低成本大功率微波功率传输系统探索了技术途径。

2016年5月,JAXA等机构利用213m高的电梯研究开展了高精度激光无线功率传输试验,1070nm激光器最高输出功率350W,发射望远镜口径为12cm,光束精度达到2.5 μrad,输出电力74.7W,光电转化效率达到21.3%。

中国的微波功率传输研究在空间太阳能电站等应用牵引下迅速开展起来。2020年,中船701所利用35GHz微波功率传输试验验证了微波功率波束的无衍射传输,发射端采用电真空功率源和波导缝隙阵列,接收端采用GaN整流天线,发射功率近1kW,传输距离300m,总体效率达到9.89%。这项工作的意义在于远距离传输条件下提高波束收集效率。四川大学于2020年开展了10m传输距离的微波功率传输试验,总体效率达到18.5%[18]。重庆大学在2014年就开展了基于气球的微波功率垂直传输演示试验,近年来又在微波驱动斯特林发电机技术方面取得一系列进展,可用于大功率微波整流,并基于此提出了新的微波功率垂直传输试验方案。2021年6月,中国空间技术研究院西安分院面向空间太阳能电站应用开展了C频段全功能微波功率传输验证试验,发射端采用1.2m×1.2m固态相控阵,发射功率900W,传输距离30m;接收端采用包络为2m×2m的非均匀序整流表面,整流输出功率37W;还开展了波束指向控制试验,指向精度为0.266°,最高精度优于0.1°[19],该精度指标是见诸报道的最高水平。2022年6月,西安电子科技大学面向空间太阳能电站应用开展了第一次全链路功率转换与传输试验,演示了从太阳光汇聚到微波整流输出的全部功率转换和传输环节,其中微波发射功率达到2081W,传输距离55m,传输效率达到15.5%。

山东航天电子技术研究所在“十二五”期间进行了远距离的激光无线功率传输地面试验,在国际上首次实现两飞艇之间的激光无线功率传输,实现了100W传输功率和16.08%的传输效率[20]。“十三五”期间,开展了无人机激光无线功率传输试验,传输距离约200m,激光发射功率为700W,接收端功率为150W。2020年,上海光机所基于全固态激光器的谐振光束实现了无线充电,输出光功率为10.18W,将2W的电功率最远传输到2.6m的距离,通过进一步提升谐振腔的可移动性,该技术有望广泛应用于手机等电子器件的远程无线充电。

2019年,韩国参加了韩美微波功率传输联合试验,在暗室内用微波功率波束为气球供电[21]。近年来,韩国还开发了X频段微波功率发射端,采用GaN功放MMIC和平面天线阵,发射功率达到1500W。

英国的空间太阳能电站系统直接以微波功率发射天线来命名——恒定口径固态集成在轨相控阵(CASSIOPeiA)。该相控阵采用了具有360°扫描能力的单元,每个单元又包含3个全向天线,通过调整3个天线上电流的相对幅度和相位,可以形成零点在任意位置的心形方向图,从而可以优化大范围扫描时的栅瓣特性[22]。

欧空局月球车项目PHILIP(powering rovers by high intensity laser induction on planets)目标是设计一套激光系统,执行任务的着陆器将携带一个太阳能驱动的500W红外激光器,在15km以上的距离为月球南极陨石坑永久阴影区内的月球车提供能源。2016年10月,俄罗斯能源火箭航天公司对1.5km之外的手机进行了激光充电试验,光电转换效率高达60%。2021年11月,该公司宣布将进行太空能源的激光无线传输测试。

无线能量传输技术的发展在系统验证中表现为传输距离越来越远、效率越来越高,其中微波能量传输系统的规模呈现出逐渐增大的趋势,而且直接面向应用的在轨验证已经逐步开展起来。

3.2 高集成度有源相控阵天线

空间大容量微波功率传输发射端的主体是大口径有源相控阵天线,其主要发展需求是低面密度和高效率,而低面密度的实现途径是高集成度和先进材料应用。当前,多功能结构(MFS)和薄膜天线都得到了快速发展。

多功能结构(MFS)是一种将系统的结构机构、供配电、热控、电子等功能子系统和部件进行集成的设计思想和实现方式,由洛克希德·马丁公司提出[24-26]。多功能结构思想已经用于星载SAR天线的开发,C频段SAR天线阵列的面密度已经达到10kg/m2。该思想同样可用于开发微波功率发射阵列,并继续减小阵列面密度。

加州理工学院在低面密度微波功率发射阵列方面取得了重要进展。2019年他们面向空间太阳能电站开发了有源相控阵样机,其中有源部分是基于CMOS工艺的射频芯片,称为功率同步与控制单元(PSCU),具有信号同步、幅相控制、信号采样、功率放大等功能,为每个辐射单元提供50mW的微波功率。高效辐射阵列采用聚酰亚胺为支撑结构,单元采用独立贴片形式。金属贴片和接地板部分进行了打薄或采用网格结构;贴片天线采用空气基板[27]。通过上述技术手段,微波功率发射阵列的面密度达到1kg/m2,在面密度方面已经满足了空间太阳能

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