CN108377038B - 一种空间毫米波无线输能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间毫米波无线输能系统，其包含：速调管电源；连续发射毫米波速调管，连接速调管电源；毫米波发射天线，输入端连接毫米波速调管；接收天线阵列，设置在自由空间内，与毫米波发射天线对应设置，其包含至少一个接收天线；整流电路，输入端连接接收天线阵列的输出端；直流功率合成电路，输入端连接整流电路的输出端；三端口变换器，输入端连接直流功率合成电路的输出端；负载，输入端连接三端变换器的输出端；蓄电池，连接三端口变换器。其优点是：采用毫米波波段进行无线输能，实现了高距径比能量传输，克服了传统微波输能系统需要装配发射/接收天线的体积和重量过大而产生的实用性不足问题。

Description

一种空间毫米波无线输能系统

技术领域

本发明涉及能源中的微波无线输能系统技术领域，具体涉及一种空间毫米波无线输能系统。

背景技术

早在上世纪六十年代，人们就基于微波输能技术提出了太阳能空间发电站的概念。在太阳能空间发电站领域，国外做了大量研究，与传统的输能方式相比，微波输能技术有其独特的优势，例如，无需传输介质，速度快、损耗小以及易于重新布局等等。但是，传统波段的微波输能系统由于频率较低，其发射/接收天线阵列提及巨大，重达数吨，实用性不强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间毫米波无线输能系统，采用Ka毫米波波段进行无线输能，实现了高距径比能量传输，解决了传输距离与天线口径间的瓶颈，克服了传统微波输能系统需要装配发射/接收天线的体积和重量过大而产生的实用性不足问题。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种空间毫米波无线输能系统，其特征是，包含：

速调管电源，具有恒流输入以及多路高电压输出，用于测试连续发射毫米波速调管的功能以及对其进行微波功率发生；

连续发射毫米波速调管，连接速调管电源，用于产生毫米波能量；

毫米波发射天线，输入端连接毫米波速调管，用于将毫米波发射到自由空间；

接收天线阵列，设置在自由空间内，与毫米波发射天线对应设置，用于接收射频信号，其包含至少一个接收天线；

整流电路，输入端连接接收天线阵列的输出端；

直流功率合成电路，输入端连接整流电路的输出端，将多路不同电压的整流电路高效合成为一路直流输出；

三端口变换器，输入端连接直流功率合成电路的输出端，以适应空间使用并完成直流功率合成电路、蓄电池和负载的功率管理和充放电控制；

负载，输入端连接三端变换器的输出端；

蓄电池，连接三端口变换器。

上述的空间毫米波无线输能系统，其中：

毫米波发射天线采用高透波拓扑架构材料的远距离点汇聚技术设计实现，以提高毫米波的传输效率并减小毫米波发射/接收阵列面积；

接收天线阵列采用分区分子阵设计以及天线共形设计，以提高毫米波的整流接收效率；

整流电路内的整流器采用GaN材料制备而成，以提高毫米波的整流效率。

上述的空间毫米波无线输能系统，其中：

每路接收天线均对应连接一个最大功率跟踪电路，以实现每路接收天线的最大功率输出。

上述的空间毫米波无线输能系统，其中：

通过电子能量回收、高功率密度高效散热、高功率密度电子光学、高功率容量输出窗的优化实现毫米波速调管高功率连续输出。

上述的空间毫米波无线输能系统，其中：

接收天线阵列以及整流电路构成整流天线；

整流天线采用剖面低、重量轻的平面印刷技术实现；

整流天线由接收天线、整流二极管、输入端低通或带通滤波器、输出端直流滤波器以及阻抗匹配网络组成。

上述的空间毫米波无线输能系统，其中：

最大功率跟踪电路设置在直流功率合成电路中，并设计成芯片的形式就近安装于对应的接收天线的输出端；

接收天线、最大功率跟踪电路以及直流功率合成电路进行一体化设计，以实现接收天线输出端的大规模直流合成。

上述的空间毫米波无线输能系统，其中：

所述的空间毫米波无线输能系统在Ka波段下进行无线输能。

上述的空间毫米波无线输能系统，其中：

所述的空间毫米波无线输能系统在35GHz毫米波波段下进行无线输能。

本发明与现有技术相比具有以下优点：采用Ka毫米波波段（27~40GHz）下进行无线输能，尤其在35GHz下，实现了高距径比能量传输，使微波能传输效率最大化，解决了传输距离与天线口径间的瓶颈，同时减小配套天线的体积和重量，克服了传统微波输能系统需要装配发射/接收天线的体积和重量过大而产生的实用性不足问题；对空间毫米波无线输能系统的空间应用进行了设计，使其适用于空间远场无线输能领域。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的实施例中的Ka波段连续波速调管的结构示意图；

图3为本发明的实施例中的馈源喇叭式毫米波发射天线的外形图；

图4为本发明的实施例中的馈源喇叭式毫米波发射天线的透射阵设计图；

图5为本发明的实施例中的分区分子阵整流分布示意图；

图6为本发明的实施例中的单路天线最大功率跟踪原理图；

图7为本发明的实施例中的大规模直流合成示意图；

图8为本发明的实施例中的三端口变换器的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提出一种空间毫米波无线输能系统，在Ka波段下进行无线输能，较佳的，在35GHz毫米波波段下进行，该空间毫米波无线输能系统包含：速调管电源1，具有恒流输入以及多路高电压输出，用于测试连续发射毫米波速调管的功能以及对其进行微波功率发生；连续发射毫米波速调管2，连接速调管电源1，用于产生毫米波能量，本实施例中，连续发射毫米波速调管2采用全金属陶瓷结构，由电子枪、高频互作用段、高功率输出窗、收集极、钛泵等部件经氩弧焊连接后真空排气密封而成；毫米波发射天线3，输入端连接连续发射毫米波速调管2，用于将毫米波发射到自由空间，且较佳的，综合考虑技术指标和已有技术基础，连续发射毫米波速调管2采用单注方案以满足高稳定性、高可靠性的要求，采用5腔高频段方案以满足高效率的要求，采用横波导输出方式满足结构和外Q调节的需要，采用永磁聚焦方式满足体积小、重量轻的要求，本实施例中采用的是Ka波段连续发射毫米波速调管1，其三维结构（含聚焦磁钢）如图2所示；接收天线阵列4，设置在自由空间内与毫米波发射天线3的对应设置，用于接收射频信号，其包含至少一个接收天线；整流电路9，输入端连接接收天线阵列的输出端；直流功率合成电路5，输入端连接整流电路9的输出端，将多路不同电压的整流电路9高效合成为一路直流输出；三端口变换器6，输入端连接直流功率合成电路5的输出端，以适应空间使用并完成直流功率合成电路5、蓄电池8和负载7的功率管理和充放电控制，如图8所示；负载7，输入端连接三端变换器的输出端；蓄电池8，连接三端口变换器6。相比传统的系统架构，本发明的系统的突出优点在于：在三端口变换器6任意两个端口之间为单级功率变换，系统变换效率高；器件及电路复用，功能集成，重量轻，功率密度高；整体统一功率管理控制，能量利用效率高，控制性能和稳定性高。

本实施例中，所述连续发射毫米波速调管2的收集极电性能设计采用EGUN、CST等电子光学计算软件完成。根据电子注在输出腔间隙段和收集极区域的发散状态，用ANSYS热计算软件计算其热分布状态，合理设计输出段漂移区和收集极的形状及其冷却系统的结构，从而实现连续波速调管高效大功率输出。即通过电子能量回收、高功率密度高效散热、高功率密度电子光学、高功率容量输出窗的优化实现毫米波速调管2高功率连续输出。

本实施例中，毫米波发射天线3采用高透波拓扑架构材料的远距离点汇聚技术设计实现，以提高毫米波的传输效率并减小毫米波发射/接收阵列面积；整流电路9内的整流器采用GaN材料制备而成，以提高毫米波的整流效率。其中，具体的毫米波发射天线3采用透射阵方式，喇叭天线作为馈源天线，采用黄铜制作，具体形状如图3所示，喇叭天线法兰采用FBE320形式；介质透镜用来对端口面的幅度和相位进行调节，以实现想要的波束汇聚效果。空馈天线能够避免复杂的馈电网络，大大减少能量的损耗。透射阵天线形式如图4所示。介质透镜采用3D打印技术进行加工，精度可以达到0.1mm，透镜的形状任意，加工方便，成本较低。采用低损耗的介质材料，减少能量的损耗，能够有效提高天线的辐射功率以及传输效率。

本实施例中，接收天线阵列4采用分区分子阵设计以及天线共形设计，以提高毫米波的整流接收效率，具体的，分区分子阵设计的提出是为了解决大规模接收阵列效率不高的问题，设计时对不同能量密度通过不同的整流电路对其进行匹配，分别优化到最大效率，根据接收天线阵列4的射频能量密度大小分为若干区域设计，每个区域使用同一种整流电路形式和参数，确保整体整流接收效率最佳，如图5所示，根据接收天线阵列4能量密度的不同，中心能量高，越往外能量越弱，将接收天线分为环形的若干子阵列，V1、V2、V3……Vn，根据每个子区域能量密度的特点，设计各自的整流电路拓扑和参数，从而达到接收天线能量的最大化接收。这样可以实现对不同能量密度处通过调节整流电路的负载和源端的匹配，分别优化到最大效率。同时，根据射频能量密度大小分为若干区域设计，每个使用同一整流电路形式，确保每个子阵整流效率最佳。

每路接收天线均对应连接一个最大功率跟踪电路，以实现每路接收天线的最大功率输出。

本实施例中，接收天线阵列4以及整流电路9构成整流天线，整流天线采用剖面低、重量轻的平面印刷技术实现；整流天线由接收天线、整流二极管、输入端低通或带通滤波器、输出端直流滤波器以及阻抗匹配网络组成，其中，整流二极管采用具有低串联电阻和结电容及高反向电压特性的射频二极管。

最大功率跟踪电路设置在直流功率合成电路中，并设计成芯片的形式就近安装于对应的接收天线的输出端；接收天线、最大功率跟踪电路以及直流功率合成电路5进行一体化设计，以实现接收天线输出端的大规模直流合成。

本发明采用的的整流天线（天线阵列5与整流电路9）原理图如图6所示，接收天线阵列4可等效为电流源，Zs为等效源的阻抗，为天线的共轭虚部，其与整流电路9的输入阻抗共轭匹配以达到最大效率；C1为隔直电容，其作用是隔离直流，只让射频信号通过整流管，在整流天线设计时由于天线只接收射频信号，所以隔直电容可以省略；两个二极管为整流二极管，采用双管并联的方式进行整流；C2为直流滤波电容，作用是直流滤波，只允许直流信号通过，能够把基波和谐波反射回去。

图6中R为负载阻抗，根据输入功率不同，应选择最佳电阻把整流效率提到最高。为提高直流功率合成电路5的转换效率，对每路天线通过DC/DC变换电路对天线进行阻抗匹配，将输出电压升压至天线要求的最佳匹配点，从而实现单路天线的最大功率传输。

由于本发明的接收天线阵列4采用了分区分子阵优化设计技术，在直流合成时也对各分子阵进行分别合成，最后进行并联输出，可得到直流合成方案如图7所示，该方案主要特点为：

1）根据输出电压和功率的不同，对接收天线阵列4的输出端进行分类，共分为四类：4~5V，5~6V，6~7V，7~8V。对每一类分别就行稳压输出，由于稳压电路的输入与输出的压差较小（小于1V），这样稳压电路的效率也比较高。

2）对四类电路分别通过boost电路进行阻抗匹配，将负载的电阻匹配到整流天线需求的最佳电阻以提高整流电路的效率。

3）通过三端口变换器对boost电路后的功率进行二次变换，以适应卫星载荷所需电压范围。

4）由于直流合成模块需控制的开关电路较多，采用FPGA作为控制器，并设计了状态显示和监控电路。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种空间毫米波无线输能系统，其特征在于，包含：

速调管电源，具有恒流输入以及多路高电压输出，用于测试连续发射毫米波速调管的功能以及对其进行微波功率发生；

连续发射毫米波速调管，连接速调管电源，用于产生毫米波能量；

毫米波发射天线，输入端连接毫米波速调管，用于将毫米波发射到自由空间；

接收天线阵列，设置在自由空间内，与毫米波发射天线对应设置，用于接收射频信号，其包含至少一个接收天线；每路接收天线均对应连接一个最大功率跟踪电路，以实现每路接收天线的最大功率输出；

整流电路，输入端连接接收天线阵列的输出端；

直流功率合成电路，输入端连接整流电路的输出端，将多路不同电压的整流电路高效合成为一路直流输出；

三端口变换器，输入端连接直流功率合成电路的输出端，以适应空间使用并完成直流功率合成电路、蓄电池和负载的功率管理和充放电控制；

负载，输入端连接三端口变换器的输出端；

蓄电池，连接三端口变换器；

其中，接收天线阵列采用分区分子阵设计以及天线共形设计，以提高毫米波的整流接收效率；其中所述分区分子阵设计包含将接收天线分为环形的若干子阵列，V1、V2、V3……Vn，根据每个子区域能量密度的特点，设计各自的整流电路拓扑和参数，从而达到接收天线能量的最大化接收。

2.如权利要求1所述的空间毫米波无线输能系统，其特征在于：

毫米波发射天线采用高透波拓扑架构材料的远距离点汇聚技术设计实现，以提高毫米波的传输效率并减小毫米波发射/接收阵列面积；

整流电路内的整流器采用GaN材料制备而成，以提高毫米波的整流效率。

3.如权利要求1所述的空间毫米波无线输能系统，其特征在于：

通过电子能量回收、高功率密度高效散热、高功率密度电子光学、高功率容量输出窗的优化实现毫米波速调管高功率连续输出。

4.如权利要求1或2所述的空间毫米波无线输能系统，其特征在于：

接收天线阵列以及整流电路构成整流天线；

整流天线采用剖面低、重量轻的平面印刷技术实现；

整流天线由接收天线、整流二极管、输入端低通或带通滤波器、输出端直流滤波器以及阻抗匹配网络组成。

5.如权利要求1所述的空间毫米波无线输能系统，其特征在于：

最大功率跟踪电路设置在直流功率合成电路中，并设计成芯片的形式就近安装于对应的接收天线的输出端；

接收天线、最大功率跟踪电路以及直流功率合成电路进行一体化设计，以实现接收天线输出端的大规模直流合成。

6.如权利要求1所述的空间毫米波无线输能系统，其特征在于：

所述的空间毫米波无线输能系统在Ka波段下进行无线输能。

7.如权利要求6所述的空间毫米波无线输能系统，其特征在于：

所述的空间毫米波无线输能系统在35GHz毫米波波段下进行无线输能。

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