CN111653877A - 一种高效能源蒙皮架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一种高效能源蒙皮架构，包括四个子模块，四个子模块架构一致，且四个子模块呈田字形且顺时针方向相互垂直，即每相邻两个子模块的轴线旋转90度角；高效能源蒙皮架构的外形呈方形薄片状复合体。本发明有效克服了现有技术在微波能菲涅尔区远端有效规模接收的困难，解决了非常规幅相理论意义下的微波能焦斑整流的实际问题，本发明大大缩小了接收物理面积，轴向高低能级信号拾取范围宽，频域适配度广，纵向焦斑面集成可重构，平台蒙皮面稀布可共形，解决了移动小平台长期以来在无线能源远程高效接收等方面的急需。

Description

一种高效能源蒙皮架构

技术领域

本发明涉及空天、太空、空空中远距离上的移动平台微波无线能接收领域，具体涉及一种蒙皮架构。通过子单元设计、子模块综合、模块层叠集成形成了高效能级阵，实现了移动子平台高效接收母平台微波能的科学目的。能源架构可共形在小卫星、飞机、导弹的蒙皮结构之中，大大提高了平台在通信、导航、侦测、对抗、保障、救援等任务中的能源战略保障能力。小平台省去太阳能电池板，其隐身性极大改善，在空天多领域应用模式将得到大大提升。本发明在民用汽车、机器人等领域同样具有客观的价值和非凡的意义。

背景技术

中远程无线高效输能技术近些年已成为多领域研究的重点技术方向之一。无线充电传输方式可分为电磁感应、磁场共振、电波辐射三种。前两种方式无法实现远程无线传输，微波输能能够解决这一问题。

微波输能在无线电能传输中起到了举足轻重的作用，具有巨大的发展前景，广泛应用于电子，医疗，军事等许多领域，受到国内外越来越多的关注。近几年、日本、法国、美国、俄罗斯更是进一步加大研究力度，取得了许多突破。我国在该领域的研究也已进入发展阶段。

微波输能有下面三个过程：微波的产生、微波的发射和传播、微波的接收和转换。在整个微波输能系统中，主要装置是接收整流天线及整流电路，它能够完成微波输能的第三个过程，即接收微波并将其转换成直流电。

高效接收阵是微波输能系统的关键技术。微波能源传输只有在菲涅尔区的远端才有实际意义，远场信号对能源传输没有意义；微波能源传输遵循的是焦斑理论，而非常规的幅相理论。不同的接收阵列形式将得到不同的能源接收效果。即常规的天线阵遵循了天线阵间距理论，在远场有效地解出了载波所承担的任务信息，但对于能源接收毫无意义。常规的微波接收阵体积大、升本高、能源转换效率极低，如何在小卫星、飞机、导弹等小型移动平台上实现小型化高效蒙皮化接收，成为技术攻关的热点和难点。

现有的技术中许多单元及阵列已可以实现一定的能源接收，但如何针对远程辐射端传输而来的高斯波束，在有限的尺寸、重量和动平台模式下高效拾取能源流信号的新型技术设备，却未能见到。其中的如何适配高斯波束带来的功率密度不均匀的天线阵、整流阵、电源阵串并联以及复合集成技术都亟需深入研究解决。

为了保证在小型移动载体上实现微波能高效接收，有必要发明一种高效能源蒙皮架构，它能实现高效能级阵接收，体现“能源绒毛”式密集综合、开放、重构等前沿思想理念。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高效能源蒙皮架构，在菲涅尔区的远端可有效工作，并能较好地适配高斯波束带来的功率密度不均匀性，阵列结构可扩展集成，并且串并联结构输出电压稳定可靠，总输出带载能力远优于传统天线接收阵。如此的能源蒙皮架构，目前国内文献中尚未有相关技术的报道。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高效能源蒙皮架构，包括四个子模块，四个子模块架构一致，且四个子模块呈田字形且顺时针方向相互垂直，即每相邻两个子模块的轴线旋转90度角；高效能源蒙皮架构的外形呈方形薄片状复合体，高效能源蒙皮架构的整体接收俯仰面-90度到+90度、全方位上半空域的空间电磁能信号；

所述子模块包含16至19个蒙皮子单元，且每两个蒙皮子单元之间间隔复合介质夹层，蒙皮子单元与复合介质夹层之间由环氧胶粘结；

所述蒙皮子单元为双层微带结构，包括顶层微带电路布局和底层微带电路布局；蒙皮子单元的微波板材分为上下两部分结构，分别为上半部和下半部，蒙皮子单元的上半部包括两对宽带对称耦合阵子，上半部所含的两组宽带对称耦合阵子分别先经过驻波调试测量，满足特性后与下半部的功分整流电路焊接级联；子模块下端的串并联单元将输出有带载能力的电压给存储部件形成能源库，子模块集成为能源蒙皮模块架构；

蒙皮子单元的顶层微带电路布局包括耦合阵子上单臂及馈电微带、下单臂及馈电微带、功率合路器和倍压整流电路，耦合阵子上单臂及馈电微带和下单臂及馈电微带分别连接至功率合路器，功率合路器将两组宽带对称耦合阵子的射频能级信号进行合成后，通过倍压整流电路的微带电路和双路倍压整流微波对管及偏执电路完成微波能向直流电平的转换，基铜厚度在0.035mm以上；

蒙皮子单元的底层微带电路布局包括耦合阵子背向上单臂及馈电微带、背向下单臂及馈电微带和下部接地敷铜，耦合阵子背向上单臂及馈电微带、背向下单臂及馈电微带分别连接下部接地敷铜，基铜厚度在0.035mm以上；

耦合阵子上单臂及馈电微带和耦合阵子背向上单臂及馈电微构成一组宽带对称耦合阵子，下单臂及馈电微带和背向下单臂及馈电微带构成另一组宽带对称耦合阵子，两组宽带对称耦合阵子相同，两组宽带对称耦合阵子构成蒙皮子单元的两路微波能源接收触手；

功率合路器将两组宽带对称耦合阵子的射频能级信号进行合成，功率合路器分别连接耦合阵子上单臂及馈电微带和下单臂及馈电微带后，形成环状结构，并在环状结构的另一端连接连接倍压整流电路，环状结构连接耦合阵子上单臂及馈电微带和下单臂及馈电微带的一端设有开口，且开口相对的位置设有电阻，电阻为贴片平衡电阻，阻值在100—200欧姆，基铜厚度在0.035mm以上，微带敷铜形状结合微波波板材的参数实现所涉及的功率合成，功率合路器拾取的微波能级信号通过匹配耦合，在倍压整流微波对管作用下，在负载电阻和地线端产生出所需直流压降。

倍压整流电路通过微带电路和双路倍压整流微波对管及偏执电路完成微波能向直流电平的转换，倍压整流电路由微带电路支节、耦合贴片电容、倍压整流微波对管、偏置电容、负载电阻及引出微带线组成。

所述高效能源蒙皮架构在S波段的架构尺寸为272×272×68(mm)。

所述蒙皮子单元的尺寸为136×68×h(mm)，h为1.5mm到2.0mm厚；蒙皮子单元的主体为微波板材，板材介电常数Er大于等于4.5，损耗角正切为0.002，基铜厚度0.035mm。；

所述复合介质夹层为轻质阻燃介质泡沫板，尺寸为136×68×5(mm)。

所述多个高效能源蒙皮架构和多个子模块进行装备蒙皮系统集成，同一尺寸的高效能源蒙皮架构和子模块同时集成后，可以支持S、C、X、Ka多种频段。

所述高效能源蒙皮架构包含若干个蒙皮子单元，且每两个蒙皮子单元之间间隔复合介质夹层，蒙皮子单元与复合介质夹层之间由环氧胶粘结，所有蒙皮子单元形成共形弧面。

本发明的有益效果在于有效克服了现有技术在微波能菲涅尔区远端有效规模接收的困难，解决了非常规幅相理论意义下的微波能焦斑整流的实际问题。

本发明提供的高效能源蒙皮架构是发明团队通过方案所述的理论分析，数学计算，模型构建、仿真研究，样件试制、实验室试验、外场试验等环节，攻克了能源绒毛理论、一体化能源拾取、合成、倍压整流、能级阵综合、轻便适装等关键技术。主要参数达到了满足272mm×272mm×68m范围内多单元能级阵综合，高效带载集成；子模块满足136mm×136mm×68mm范围内多单元能级阵综合，高效带载集成。

相比传统整流接收阵，本发明的高效能源蒙皮架构大大缩小了接收物理面积，轴向高低能级信号拾取范围宽，频域适配度广，纵向焦斑面集成可重构，平台蒙皮面稀布可共形，这些是本发明的重大创新和突出贡献。

实现了研究目标:能级接收阵体现“能源绒毛”式密集综合、开放、重构等前沿思想理念。达到同尺寸条件总输出带载能力优于常规幅相阵面5倍以上，焦斑能源吸收率提高50％以上。

本发明的能源蒙皮可在小卫星、无人飞机、无人艇、无人车、机器人等小型平台上灵活布局、安装，解决了移动小平台长期以来在无线能源远程高效接收等方面的急需。

本发明的优势在于：

第一、装载在小平台上能源蒙皮架构在远端辐射场的作用下，实际总输出带载能力并压12V、15W，串压大于300V。见附表1、能源蒙皮模块试验测试数据。

第二、能源蒙皮子模块加载负载灯泡后，在远端辐射场的作用下，阵列实际接收到123V以上电压，灯泡被点亮。见附图21、能源蒙皮子模块负载点亮实验图。

第三、以本发明子单元集成构建的共形弧面能级阵试验取得了有益的效果，实际总输出带载能力并压12V、8W；串压大于135V。见附图22、一种共形弧面高效能源蒙皮三维模型图。见附表1、能源蒙皮模块试验测试数据。

第四、与1米×1米60单元传统实验比较阵，能源蒙皮架构体现出了功率可双向扩展，面积不增加单元可扩展，面积不增加频率可扩展的优点。传统实验阵体现出功率扩展难，物理尺寸大整流换能效率低，面积扩展不便，频率扩展困难等缺点。见附图22、一种1平方米60单元传统实验比较阵。见附表1、能源蒙皮模块试验测试数据。

第五、能源蒙皮架构体积小、结构紧凑轻便、易重构。其微波能接收转换效能高，测试结果与模型分析吻合。蒙皮架构与小平台适配性良好，技术可移植性强。可应用于多种军民平台的规模化实际接收需要。

第六、能级接收阵体现了“能源绒毛”式密集综合、开放、重构等前沿思想理念。达到同尺寸条件总输出带载能力优于常规幅相阵面5倍以上，焦斑能源吸收率提高50％以上的开发目的。见附表1、能源蒙皮模块试验测试数据。

附图说明

图1为本发明无线微波能发射接收示意图。

图2为本发明无线微波能轴向功率密度聚焦示意图。

图3为本发明一种高效能源蒙皮模块架构。

图4为本发明高效能源蒙皮架构子模块图。

图5为本发明高效能源蒙皮子单元图。

图6为本发明能源蒙皮子单元顶层微带电路布局顶视图。

图7为本发明能源蒙皮子单元底层微带电路布局透视图。

图8为本发明宽带对称耦合阵子二分之一组图。

图9为本发明宽带对称耦合阵子S波段驻波曲线。

图10为本发明贴片耦合单元示意图。

图11为本发明贴片耦合单元S波段驻波曲线。

图12为本发明功率合路器微带电路布局图。

图13为本发明功率合路器电路仿真拓扑图。

图14为本发明功率合路器S11曲线。

图15为本发明功率合路器S21曲线。

图16为本发明功率合路器S31曲线。

图17为本发明功率合路器S23曲线。

图18为本发明倍压整流微带电路布局图。

图19为本发明倍压整流电路仿真拓扑图。

图20为本发明整流电路功率电压比曲线。

图21为本发明能源蒙皮子模块负载点亮实验图。

图22为本发明一种共形弧面高效能源蒙皮三维模型图。

图23为本发明一种1平方米60单元传统实验比较阵。

其中，1-能源蒙皮架构，2-子模块，3-蒙皮子单元，4-顶层微带电路布局，5-底层微带电路布局，6-宽带对称耦合阵子，7-上半部，8-下半部，9-耦合阵子背向上单臂及馈电微带，10-耦合阵子上单臂及馈电微带，11-背向下单臂及馈电微带，12-下单臂及馈电微带，13-功率合路器，14-倍压整流电路，15-电阻，16-第一耦合贴片电容，17-第二耦合贴片电容，18-第一倍压整流微波对管，19-第二倍压整流微波对管，20-第一偏置电容，21-第二偏置电容，22-负载电阻，23-平面贴片单元23，24-共形弧面高效能源蒙皮24，25-复合介质夹层，26-单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1所示的一种无线微波能发射接收示图中给出了子母卫星之间传输无线能的示意，其中多个子卫星采用了本发明所述的能源蒙皮1。对于传统能源接收，普通单元往往面积较大、频带较窄，

一种高效能源蒙皮架构，包括四个子模块2，四个子模块2架构一致，且四个子模块2呈田字形且顺时针方向相互垂直，即每相邻两个子模块2的轴线旋转90度角；高效能源蒙皮架构的外形呈方形薄片状复合体，高效能源蒙皮架构的整体接收俯仰面-90度到+90度、全方位上半空域的空间电磁能信号。外形如图3所示。

每个子模块2包含16至19个蒙皮子单元3，且每两个蒙皮子单元3之间间隔复合介质夹层25；蒙皮子单元3的尺寸为136×68×h(mm)，h为1.5mm到2.0mm厚；蒙皮子单元的主体为微波板材，板材介电常数Er大于等于4.5，损耗角正切为0.002，基铜厚度0.035mm。复合介质夹层25为轻质阻燃介质泡沫板，尺寸为136×68×5(mm)；蒙皮子单元3与介质夹层25之间由环氧胶粘结。子模块2的三维模型如图4所示。

蒙皮子单元3为双层微带结构，包括顶层微带电路布局4和底层微带电路布局5；蒙皮子单元3的微波板材分为上下两部分结构，分别为上半部7和下半部8，蒙皮子单元3的上半部包括两对宽带对称耦合阵子6，上半部7所含的两组宽带对称耦合阵子6分别先经过驻波调试测量，满足特性后与下半部8的功分整流电路焊接级联。蒙皮子单元3的三维模型如图5所示。

蒙皮子单元3的顶层微带电路布局4包括耦合阵子上单臂及馈电微带10、下单臂及馈电微带12、功率合路器13和倍压整流电路14。蒙皮子单元顶层微带电路布局见图6，耦合阵子上单臂及馈电微带10和下单臂及馈电微带12分别连接至功率合路器13，功率合路器13将两组宽带对称耦合阵子6的射频能级信号进行合成后，通过倍压整流电路14的微带电路和双路倍压整流微波对管及偏执电路完成微波能向直流电平的转换。图6所示的顶层微带电路布局顶视图，长宽尺寸为136mm×68mm，图中所述10、12、13和14所示的敷铜微带几何关系依照版图长宽尺寸，进行1:1照相后可形成layout加工版图，版图中敷铜微带的方位及布局在照相版图中将实现唯一性。基铜厚度在0.035mm以上。

能源蒙皮子单元3的底层微带电路布局5包括耦合阵子背向上单臂及馈电微带9、背向下单臂及馈电微带11和下部接地敷铜，耦合阵子背向上单臂及馈电微带9、背向下单臂及馈电微带11分别连接下部接地敷铜。蒙皮子单元底层微带电路布局见图7。图7所示的底层微带电路布局透视图，长宽尺寸为136mm×68mm，图中所述9、11敷铜微带和下部接地敷铜几何关系依照版图长宽尺寸，进行1:1照相后可形成layout加工版图，版图中敷铜的方位及布局在照相版图中将实现唯一性。基铜厚度在0.035mm以上即可。

耦合阵子上单臂及馈电微带10和耦合阵子背向上单臂及馈电微带9构成一组宽带对称耦合阵子6，下单臂及馈电微带12和背向下单臂及馈电微带11构成另一组宽带对称耦合阵子，两组宽带对称耦合阵子相同，两组宽带对称耦合阵子构成蒙皮子单元3的两路微波能源接收触手。图8为其中一组宽带对称耦合阵子图。

功率合路器13是为进一步提高能源接收强度，将两组宽带对称耦合阵子6的射频能级信号进行合成，功率合路器13的微带电路布局如图12所示，功率合路器13的电路仿真拓扑如图13所示，功率合路器13分别连接耦合阵子上单臂及馈电微带10和下单臂及馈电微带12后，再形成环状结构，并在环状结构的另一端连接连接倍压整流电路14，环状结构连接耦合阵子上单臂及馈电微带10和下单臂及馈电微带12的一端设有开口，且开口相对的位置设有电阻15。电路中的15为贴片平衡电阻，阻值在100—200欧姆，微波板材的参数见前面文字表述。图14、图15、图16、图17为功率合路器13发明设计中的分析曲线，即两组宽带对称耦合阵子6的接收信号互有隔离，每组宽带对称耦合阵子6对能级合成端而言呈现低损耗状态，能源的反射损耗小。功率合路器微带电路布局图收敛在4能源蒙皮子单元顶层微带电路的整体布局之内，在随4顶层微带电路整体进行1:1照相后可形成layout加工版图，版图中敷铜的方位及布局在照相版图中将实现唯一性。基铜厚度在0.035mm以上。此时的微带敷铜形状结合微波波板材的参数将实现所涉及的功率合成。

倍压整流电路14通过微带电路和双路倍压整流微波对管及偏执电路完成微波能向直流电平的转换，倍压整流电路14由图18所示的微带电路支节、第一耦合贴片电容16、第二耦合贴片电容17、第一倍压整流微波对管18、第二倍压整流微波对管19、第一偏置电容20、第二偏置电容21、负载电阻22及引出微带线组成。

同样，倍压整流微带电路布局图收敛在4能源蒙皮子单元顶层微带电路的整体布局之内，在随4顶层微带电路整体进行1:1照相后可形成layout加工版图，版图中敷铜的方位及布局在照相版图中将实现唯一性，基铜厚度在0.035mm以上。耦合贴片电容16、耦合贴片电容17、贴片倍压整流微波对管18、贴片倍压整流微波对管19、贴片偏置电容20、贴片偏置电容21、贴片负载电阻22按照图18所述位置进行焊接。焊接完成的部件整体将在微波能级信号、微波板材的电参数、微带电路的几何形状的共同约束下，实现出倍压整流电路拓扑设计的功能效果。

功率合路器13拾取的微波能级信号通过匹配耦合，在倍压整流微波对管18、倍压整流微波对管19的作用下，在负载电阻22和地线端产生出所需直流压降。图19是倍压整流电路14的电路仿真拓扑图，单路测试的射频直流转换曲线如图20所示。

蒙皮子单元3为一个微波能转换接收基点，多个相同的蒙皮子单元3级联成子模块2，子模块2下端的串并联单元将输出有带载能力的电压给存储部件形成能源库，子模块2集成综合为能源蒙皮模块架构，能源蒙皮1模块架构仍可集成综合为更大规模的能源蒙皮架构。

所述高效能源蒙皮架构包含若干个蒙皮子单元，且每两个蒙皮子单元之间间隔复合介质夹层，蒙皮子单元与复合介质夹层之间由环氧胶粘结，所有蒙皮子单元形成共形弧，如图22所示。

宽带对称耦合阵子6带来较好的能量吸收带宽，图9为宽带对称耦合阵子6在S波段的驻波曲线，如图10所述贴片耦合单元示意图，如此形成的接收阵面积大、效能低，图11为平面贴片单元23在S波段的驻波曲线。图9的有效工作带宽大于500MHz，图11有效工作带宽小于20MHz。这样的设计可满足同一宽带对称耦合阵子6有效拾取多频率能源接收。并且相对平面贴片单元23而言可以大大节省方位面布局集成的空间尺寸。

本发明蒙皮子单元3集中在单板实现了S波段能源采集、功率合成和倍压整流，并由此高密度层叠综合形成能级阵蒙皮子模块2。在频率扩展为X波段时，蒙皮子单元3的物理尺寸将由于频率的升高而变小(X波段时尺寸约为50×mm 28mm×2mm)。同理在频率扩展为毫米波波段时，蒙皮子单元3的尺寸变得更小(20GHz时尺寸约为25×mm 15mm×2.5mm)。本发明所述的能源蒙皮是一种开放架构，在某些载体平台上可根据实际规模和安装要素，选取多个能源蒙皮1模块架构、多个子模块2架构进行灵活的装备蒙皮系统集成，同一尺寸架构内蒙皮模块1和子模块2可同时集成入S、C、X、Ka等多种频段。此时各种频段对应的宽带对称耦合阵子大小不同，能级接收阵将真正体现“能源绒毛”式密集综合、开放、重构等前沿思想理念。达到同尺寸条件总输出带载能力强，焦斑能源吸收率高的目标。

本发明的高效多阵元的微波能源接收能级阵，满足小卫星、飞机、导弹、机器人等小型机动平台的蒙皮架构。实现微波能在菲涅尔区远端高效规模接收，解决非常规幅相理论意义下的微波能高斯焦斑整流的实际问题，突破子单元、子模块、模块能级综合等关键技术，能源蒙皮模块达到可共形、功率可双向扩展、面积不增加单元可扩展、面积不增加频率可扩展的实际使用功效。能级接收阵体现“能源绒毛”式密集综合、开放、重构等前沿思想理念。达到同尺寸条件总输出带载能力优于常规幅相阵面5倍以上，焦斑能源吸收率提高50％以上。

通常接收设备使用的是发射天线辐射远场区，传输能量很低，通常为10-¹⁰到10-¹²的数量级。在微波能源传输中，要求接收的能量为0.1-1之间，使用辐射远场区会使大部分能量浪费掉，因而我们需要使用天线的辐射近场区。

天线场的区域可分为：电抗近场区、辐射近场区(即菲涅尔区)、辐射远场区(即夫朗荷费区)。

电抗近场区与辐射近场区的分界线为：

h＝D^4/3/2λ^1/3 (1)

辐射近场区和辐射远场区的分界线为：

h＝2D²/λ (2)

以上D是天线口面的最大线尺寸，λ是工作波长。

在微波定向输能中，需要将目标接收阵列放置在输能的发射波束的菲涅尔区域内，即接收天线到发射天线之间的距离大于D^4/3/2λ^1/3，并且小于2D²/λ。

若h代表微波在自由空间传输的距离，T1、R1分别代表发射天线和接收天线的面积，λ表示工作波长，则微波在自由空间的传输效率η是参数

的函数。假设发射口径场为高斯分布。

则传输效率是由

决定，不与传输距离直接相关。距离h的增大可由T1、R1的增加或λ的减小来补偿。

非聚焦口面在远区功率密度下降明显，能量传输效率低。在微波能源传输的应用中要实现高功率密度和长距离的传输，须提高天线口径和系统工作频率，并采用聚焦口面发射信号。对于收发阵列而言，我们总能找到合适的频率，设计出合理的发射场口面，分析出有效的接收间距，实现能源的远、中、近传输接收。

依据电磁理论，在仿真工具中构建不同口面的发射阵。通关通过不同频率、功率和焦距等参数，进行计算分析可知：聚焦发射口面轴向功率密度在轴向距离因子上呈现出焦斑汇聚效应(如图2、无线微波能轴向功率密度聚焦示意图)，在横截面上功率密度呈现出高斯分布特性。

从分析可知，在相对较远的地域可以有效将微波能聚焦传送到远端。焦斑分析结果符合能源蒙皮的接收预期。并且通过能源蒙皮的能级接收阵扩展功能可以使功率密度得到较好适配。

传统信号接收传感器阵列的布局设计考虑单元互耦、阵元间距、阵因子等因素进行阵面综合，但对能源接收效率低下。接收微波能需进行理论和实践创新，重点关注功率电平的最大化，进行传感器高密度层叠综合，利用互耦，可有效提升焦斑内高功率密度场的拾取效率，形成能级阵蒙皮。

非线性器件的整流效率是RF-DC转换效率的核心,效率与工作频率、输入功率、负载等密切相关。非线性器件在特定频率下的动态范围区别于线性电路中的频域S11，整流结构追求的是非线性功率S11。既要功率电平的通带尽可能的宽，又要功率S11的绝对值相对较大。

子母星充电接收蒙皮：在子母卫星任务系统中，子卫星多为无大型太阳能板的微卫星，母卫星或其他高低轨的无线输能是主要手段。若系统工作在S波段，选取对应频段蒙皮子单元3，根据子卫星结构尺寸选取蒙皮架构子模块2或能源蒙皮模块架构1。本发明所述的能源蒙皮是一种开放架构，在某些载体平台上可根据实际规模和安装要素，选取多个能源蒙皮1模块架构、多个子模块2架构进行灵活的装备蒙皮系统集成，以实现能级接收最大化。子母卫星系统中，对于较大的子卫星可以选取多个1，对于较小的子卫星某些面可进行模块2架构设计，对于某些弧形表面小卫星可采用子单元进行集成设计。子模块2尺寸136mm×136mm×68mm，共38路接收单元；蒙皮模块架构1尺寸272mm×272mm×68m，共152路接收单元。来自母卫星的辐射波束能够有效照射到若干个装备了能源蒙皮的子卫星上。能源蒙皮在宽范围拾取微波能源信号，宽带对称耦合阵子6组成的能级阵可在S波段±200MHz内有效工作，信号合成增强，倍压整流电路实现能级转换，多单元串并网络实现并压12V、15W级以上连续充能。需要说明的是，往往子母卫星任务充能系统中辐射能高于想定值，则对应总输出带载能力将大幅提高。

无人机群能源接收蒙皮：许多中小型无人机、无人机群已在导航、通信、勘测等任务中广泛运用，无线能接收蒙皮是这类平台的急需。假设系统采用S波段、C波段、X波段灵活对空中的无人机群进行无线输电，此时选取蒙皮架构子模块2或蒙皮模块架构1或共形弧面高效能源蒙皮24进行无人机平台共形适配。方法一：独立选S波段、C波段、X波段三个频率对应的三个子模块2或蒙皮模块架构1进行整机综合集成。方法二：选取三种频率对应的蒙皮子单元3，此时S波段子单元尺寸约为136mm×68mm×2mm，C波段子单元尺寸约为80mm×48mm×2mm，X波段子单元尺寸约为50mm×28mm×2mm，按照蒙皮架构子模块2或共形弧面高效能源蒙皮24进行复合多频综合集成。关注功率电平的最大化，进行高密度层叠综合，利用互耦，有效提升焦斑内高功率密度场的拾取效率，形成能级阵蒙皮。

假定构建S、C、X三频段复合0.136米×0.272米共形弧面76单元源蒙皮三块，则无人机在接收地面、空中或高空的能源波束照射时，能级阵能实时输出针对S、C、X三频段任何一段的并压12V、8W级以上连续充能，或针对S、C、X三频同时输送的并压12V、20W级以上连续充能。

机器人自动充电蒙皮:在处理污染、救援或大规模无人加工场都需要大量的机器人进行现场不间断连续作业，机器人无线高效输能一直是个热点技术问题。假定在工作场区的几处高点布设有路灯式辐射源，工作在X和Ku波段。在机器人的前后背或头顶可适配子模块2或蒙皮模块架构1或共形弧面高效能源蒙皮24进行一体化设计。对于X波段子单元尺寸约为50mm×28mm×2mm，单元26蒙皮开口尺寸为50mm×50mm×28mm，机器人前胸后背可布设2块共52单元的X波段能源蒙皮。对于Ku波段子单元尺寸约为30×mm 20mm×2mm，16单元蒙皮开口尺寸为30mm×30mm×20mm，机器人头顶可布设4块共64单元的Ku波段能源蒙皮。机器人在作业区工作的同时可持续接收总输出带载能力为并压12V、10W级以上连续充能。

如图23所示一种1平方米60单元传统实验比较阵，其接收效果反而比本发明的小尺寸蒙皮阵差许多。能源蒙皮模块试验测试数据如表1所示。

表1能源蒙皮模块试验测试数据

本项发明有效克服了现有技术在微波能菲涅尔区远端有效规模接收的困难；解决了非常规幅相理论意义下的微波能焦斑整流的实际问题。

本发明提供的能源蒙皮架构攻克了能源绒毛理论、一体化能源拾取、合成、倍压整流、能级阵综合、轻便适装等关键技术。突破了子单元、子模块、模块能级综合集成方法。

相比传统整流接收阵，本发明的高效能源蒙皮架构大大缩小了接收物理面积，轴向高低能级信号拾取范围宽，频域适配度广，纵向焦斑面集成可重构，平台蒙皮面稀布可共形，这些是本发明的重大创新和突出贡献。达到同尺寸条件总输出带载能力优于常规幅相阵面5倍以上，焦斑能源吸收率提高50％以上。

能源蒙皮架构体积小、结构简单、易于移动小平台装配、重构。其微波能接收转换良好，测试试验结果与理论分析吻合。多频段组合异构，技术可移植性强。可应用于多种微波输能平台的规模化实际接收需要。发明可在小卫星、无人飞机、无人艇、无人车、机器人等小型平台上灵活布局、安装，解决了移动小平台长期以来在无线能源远程高效接收等方面的急需。

根据上述说明，结合本领域技术可在多种系统中实现本发明工程设计方案。

Claims (9)

1.一种高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述高效能源蒙皮架构，包括四个子模块，四个子模块架构一致，且四个子模块呈田字形且顺时针方向相互垂直，即每相邻两个子模块的轴线旋转90度角；高效能源蒙皮架构的外形呈方形薄片状复合体，高效能源蒙皮架构的整体接收俯仰面-90度到+90度、全方位上半空域的空间电磁能信号；

所述子模块包含16至19个蒙皮子单元，且每两个蒙皮子单元之间间隔复合介质夹层，蒙皮子单元与复合介质夹层之间由环氧胶粘结。

2.根据权利要求1所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述蒙皮子单元为双层微带结构，包括顶层微带电路布局和底层微带电路布局；蒙皮子单元的微波板材分为上下两部分结构，分别为上半部和下半部，蒙皮子单元的上半部包括两对宽带对称耦合阵子，上半部所含的两组宽带对称耦合阵子分别先经过驻波调试测量，满足特性后与下半部的功分整流电路焊接级联；子模块下端的串并联单元将输出有带载能力的电压给存储部件形成能源库，子模块集成为能源蒙皮模块架构；

蒙皮子单元的顶层微带电路布局包括耦合阵子上单臂及馈电微带、下单臂及馈电微带、功率合路器和倍压整流电路，耦合阵子上单臂及馈电微带和下单臂及馈电微带分别连接至功率合路器，功率合路器将两组宽带对称耦合阵子的射频能级信号进行合成后，通过倍压整流电路的微带电路和双路倍压整流微波对管及偏执电路完成微波能向直流电平的转换，基铜厚度在0.035mm以上；

蒙皮子单元的底层微带电路布局包括耦合阵子背向上单臂及馈电微带、背向下单臂及馈电微带和下部接地敷铜，耦合阵子背向上单臂及馈电微带、背向下单臂及馈电微带分别连接下部接地敷铜，基铜厚度在0.035mm以上；

耦合阵子上单臂及馈电微带和耦合阵子背向上单臂及馈电微构成一组宽带对称耦合阵子，下单臂及馈电微带和背向下单臂及馈电微带构成另一组宽带对称耦合阵子，两组宽带对称耦合阵子相同，两组宽带对称耦合阵子构成蒙皮子单元的两路微波能源接收触手。

3.根据权利要求2所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述功率合路器将两组宽带对称耦合阵子的射频能级信号进行合成，功率合路器分别连接耦合阵子上单臂及馈电微带和下单臂及馈电微带后，形成环状结构，并在环状结构的另一端连接连接倍压整流电路，环状结构连接耦合阵子上单臂及馈电微带和下单臂及馈电微带的一端设有开口，且开口相对的位置设有电阻，电阻为贴片平衡电阻，阻值在100—200欧姆，基铜厚度在0.035mm以上，微带敷铜形状结合微波波板材的参数实现所涉及的功率合成，功率合路器拾取的微波能级信号通过匹配耦合，在倍压整流微波对管作用下，在负载电阻和地线端产生出所需直流压降。

4.根据权利要求2所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述倍压整流电路通过微带电路和双路倍压整流微波对管及偏执电路完成微波能向直流电平的转换，倍压整流电路由微带电路支节、耦合贴片电容、倍压整流微波对管、偏置电容、负载电阻及引出微带线组成。

5.根据权利要求1所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述高效能源蒙皮架构在S波段的架构尺寸为272×272×68(mm)。

6.根据权利要求1所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述蒙皮子单元的尺寸为136×68×h(mm)，厚度h为1.5mm到2.0mm；蒙皮子单元为微波板材，板材介电常数Er大于等于4.5，损耗角正切为0.002，基铜厚度0.035mm。

7.根据权利要求1所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述复合介质夹层为轻质阻燃介质泡沫板，尺寸为136×68×5(mm)。

8.根据权利要求1所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述多个高效能源蒙皮架构和多个子模块进行装备蒙皮系统集成，同一尺寸的高效能源蒙皮架构和子模块同时集成后，支持S、C、X、Ka多种频段。

9.根据权利要求1所述的高效能源蒙皮架构，其特征在于：

所述高效能源蒙皮架构包含若干个蒙皮子单元，且每两个蒙皮子单元之间间隔复合介质夹层，蒙皮子单元与复合介质夹层之间由环氧胶粘结，所有蒙皮子单元形成共形弧面。

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