毫米波高频段无线能量传输技术发展及其空间应用研究初步设想

随着我国航天事业的发展,空间任务也越来越复杂,能源供给是航天器面临的首要共性问题,航天器间的无线能量传输也显得愈发重要。由于航天器在体积重量和功耗上的限制,为了保证有效的无线能量传输,需要采用毫米波高频段,同时还要解决如何在有限的发射功率和发射天线口径情况下提高接收功率等技术难题。在回顾毫米波高频段无线能量传输技术发展的基础上,提出探索基于慢衰减电磁波产生和准无衍射波束形成的远距离时空聚焦微波能量传输理论与方法,并开展毫米波高频段整流器件建模研究和高效整流天线集成设计工作,建立航天器间毫米波无线能量传输缩比简化原理验证系统的研究设想,有望为航天器间无线能量传输效率提升提供技术基础和技术途径,也将推动无线能量传输在无人机无线输能、地面特殊场合供电等远距离无线输能应用系统的发展。     

微波无线能量传输与收集应用系统的研究进展及发展趋势

随着无线技术的发展，包括感应式、磁耦合谐振式等传统形式的无线能量传输方式传输距离限制的缺点愈发凸显，制约了其在更多领域的应用推广。而微波无线能量传输技术的出现为解决这一问题提供新的思路，逐渐成为近年来研究的热点。微波无线能量传输应用系统根据接收端的状态不同分为静态应用系统与动态应用系统两种形式。静态点对点的输能系统包括艾利波束传输系统、点对点传输系统；动态传输系统的实现有多种多样的形式，主流的技术包括：基于相控阵技术的微波无线能量传输系统；基于方向回溯技术的微波无线能量传输系统；基于时间反演的微波无线能量传输系统。本文从微波无线输能系统的架构，不同工作方式的输能系统进行研究技术发展总结，最后在现有微波无线输能系统的研究进展基础上，分析概括了微波无线能量传输应用系统的未来发展趋势。     

国外空间磁场耦合式近场无线能量传输技术发展分析

磁场耦合式近场无线能量传输具有高效率、非接触、无金属触点裸露等优点,对于解决空间非接触供电具有重要应用前景。为了推进空间磁场耦合式近场无线能量传输相关技术的研发和成果转化,文章重点梳理了国外在空间磁场耦合式近场无线能量传输技术的发展路线图,调研近十五年来已经开展的演示验证或技术示范项目,分析国外关键技术方案及指标,提出航天器内设备间厘米级范围内优先采用感应耦合式无线能量传输、航天器间几十厘米到米级范围优先采用谐振耦合式无线能量传输、传输功率需提升至千瓦级以上、传输效率优于85%的发展建议,为未来发展空间磁场耦合式近场无线能量传输技术提供指导。     

空间网络无线能量传输技术研究进展

基于分布式可重构系统对能量传输的灵活性需求，开展空间网络无线能量传输技术研究。介绍了无线能量传输技术分类及特点，分析了微波无线能量传输技术和激光无线能量传输技术两种不同的传输方式及其应用条件，对比了目前国内外所完成的微波无线能量传输系统的性能指标，讨论了影响无线能量传输效率的主要因素，探讨了空间网络无线能量传输系统组成及其关键技术，为后续深入开展空间网络无线能量传输系统研究提供理论支持。     

空间太阳能电站反向波束控制仿真分析

分析几项重要的空间太阳能电站反向波束控制技术研究工作,提出空间太阳能电站微波无线能量传输(MPT)分系统的初步方案和主要参数,在此基础上建立空间太阳能电站微波波束发射和反向波束控制仿真模型,重点分析发射天线子阵列的微波馈电相位误差、频率误差和姿态误差等因素对于系统传输效率的影响,相关结论将为微波无线能量系统的设计和微波无线能量传输技术的研究提供参考。     

滤波天线技术在微波能量传输中的应用研究

微波无线能量传输摆脱了传统能量传输的电缆限制,可以满足多个领域的应用需求,整流天线是完成微波-直流能量转换的重要装置。目前常规整流天线中存在的滤波器、阻抗匹配网络等损耗及常规微带天线的窄带特性,使得其效率及带宽等特性存在可提升的空间。文章在回顾滤波天线及整流天线的发展现状的基础上,提出将滤波天线的概念与整流电路相结合,开展滤波整流天线技术研究。将天线单元作为滤波器电路理论中的谐振单元开展滤波整流天线建模和分析理论研究,设计具有辐射、滤波、复数阻抗匹配等功能的天线及阵列结构,有望突破整流天线高效集成的技术难点,为微波无线能量传输效率提升提供技术基础。     

利用等离子体通道实现空间太阳能无线能量传输

空间太阳能电站是高效利用太阳能的有效途径,受到了国际的广泛关注。空间无线能量传输技术是空间太阳能电站的关键技术之一。文章首先分析了微波与激光无线能量传输技术的问题,根据空间太阳能传输的具体需求进一步提出基于等离子体通道的无线能量传输技术,并对基于此项技术的空间太阳能传输系统进行了论证,完善并发展了空间太阳能传输模型。基于等离子体通道的无线能量传输技术为多个领域的能量补给提供了新颖的技术途径,是具有广阔应用前景的战略选择。     

空间太阳能电站及其对微波无线能量传输技术的需求

1968年由Peter Glaser博士提出的空间太阳能电站(SPS)概念作为未来最有前景的能源方式之一,正在获得更多的关注。世界上已经提出许多的发展计划,并且已经研究了几十个典型的空间太阳能电站概念。无线能量传输是空间太阳能电站概念的基础,是决定空间太阳能电站效率、尺寸、重量的重要影响因素之一。同时,空间太阳能电站也是无线能量传输技术的最重要的应用方向。文章在空间太阳能电站的发展背景和典型概念方案介绍的基础上,分析了空间太阳能电站对于微波无线能量传输技术的需求,提出未来的发展建议。     

模块航天器间激光无线能量传输系统方案设想

模块化航天器是未来航天器发展的重要方向,模块航天器之间的能量传输是实现模块化功能应用的关键技术。文章针对模块化航天器系统能量分配需求,对无线激光能量传输技术进行了研究。阐述了无线激光能量传输系统的功能组成,建立了系统框架模型,分析了系统的关键技术,并对系统各组成模块进行了初步设计。在此基础上对激光传能系统进行了试验验证,获得了理想的光电转换效率。文章的研究成果可为我国模块航天器的发展提供技术支持。     

激光无线能量传输技术应用及其发展趋势

介绍了无线能量传输技术的分类,分析了无线能量传输技术在未来航天方面的应用需求,最后以激光无线能量传输系统为例,对系统组成、关键技术以及未来的发展趋势进行了展望。无线能量传输技术将为我国空间科学研究、天基遥感和环境监测等领域提供技术先进、应用灵活、可满足多类重大应用需求的支持。     

微波输能中一款S波段整流天线阵列研究

微波无线能量传输是空间无线能量传输的一种途径,微波整流天线阵列作为微波无线能量传输系统的重要组成部分,得到了迅速发展和研究。文章在2.45GHz频段分别设计了微带偶极子接收天线和高效微带整流电路,并组成50cm×50cm的微波整流天线阵列。阵列由72个整流天线单元组成,每个整流天线单元包括一个偶极子天线和一个整流电路。实验测试得到37.1%的整体传输效率。     

用于微波无线能量传输的无衍射电磁超表面设计

微波无线能量传输作为一种远距离能量传输技术受到广泛关注,但是电场随着距离增加会快速衰减。为了减缓电场衰减趋势,提高接收端功率,文章推导出了用于产生无衍射波束的相位计算表达式。另外,设计了一款相位覆盖360°,传输系数优于-3dB的相位控制单元,并利用该单元设计了一个口径为500mm的超表面。仿真和实测数据显示,在加载电磁超表面后,电场明显增强,能量更加集中。微波无线传输实验结果表明,在发射总功率为36dBm时,相较于无电磁超表面情况下,接收端接收的能量最大可以提升9倍之多,证明了设计出的电磁超表面助于提高微波传能系统的传输效率。     

基于可重构寄生阵列的封闭空间微波能量传输

针对航天器内部空间等封闭环境下电磁波的多径传播特性和阵列天线单元间的耦合效应,本文研究采用寄生阵列,通过控制寄生阵列单元负载的电抗实现高效率微波无线能量传输的方法。通过多端口微波网络建模,分析了寄生阵列天线方案相较于传统相控阵天线方案的能量传输性能和效率最大化机理。设计实现了基于射频开关切换的可调反射负载,并在此基础上形成了寄生阵列反射负载自动控制系统和传输效率优化程序。基于该系统和程序,在1m 边长立方体的金属边界封闭空间实验环境下,测试了不同单元数可重构寄生阵列无线能量传输的性能和快速优化方法。测量结果表明增加寄生天线单元数目能够显著提高能量传输效率,从而提供了可重构寄生阵列传能技术实用化的一种有效途径。     

激光无线能量传输在轨应用方法

根据分离模块航天器系统特点和任务需求,结合无线能量传输的技术能力和水平,开展激光无线能量传输在分离模块航天器系统中应用方法研究,设计了一种基于激光相控阵技术的多光束激光能量发射天线以及由其组成的激光无线能量系统方案,包括航天器编队、能量转换、激光发射等方式,对未来的激光能量传输的在轨应用具有参考价值。     

无线能量传输整流天线技术研究进展

近年来,无线电技术不断发展,其中无线能量传输技术可以实现无线供电,引起了广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。无线能量传输系统中的整流天线用来将接收到的电磁波转换为直流电,其转换效率是衡量系统能量传输能力的一个重要指标。文中首先介绍了无线能量传输技术的基本原理,接下来阐述了无线能量传输整流天线的研究进展,总结了近年来整流天线设计的主流技术方案,包括多频段和宽带整流天线、谐波抑制整流天线、高增益整流天线、双极化整流天线、大功率及负载范围整流天线、基于电磁超材料的整流天线等,并讨论了不同方案的关键技术及优势,展望了未来的发展趋势。     

基于感应耦合式无线能量传输的 微纳聚合体航天器电源系统设计与验证

微纳聚合体航天器是一种以机械或电磁锁紧机构实现各模块化基本单元航天器连接的新型航天器架构,可以灵活实现在轨组装与自重构以满足不同任务需求。但是,基于传统电连接器的电气互联方式无法适应模块化航天器间灵活交汇对接与快速分离需求。针对上述问题,文章建立了基于感应耦合式双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构,根据地面演示验证需求分别设计了能源核航天器和载荷任务航天器电源系统参数,然后根据各模块化航天器间非接触供电需求,设计了双向无线能量传输单元参数,最后通过地面演示试验验证了基于双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构可行性,单级无线能量传输功率在20W~30W时传输效率稳定在75.8%以上,通过效率优化提升至95%以上,将可实现四个基本单元航天器的多级功率传输。     

大功率高速激光无线能量信息同传技术

激光通信及激光能量传输技术都以激光为载体,进行空间传输,将能量和携带信息传递给远端设备,在系统构成上具有天然共同点,因此,在同一套系统内实现激光通信/传能两种功能,必将成为未来系统能源信息传输的有效手段,将优化系统构成,提高系统效率。文章研究了激光无线能量信息同传技术,对激光能量信息同传机制、同传机制下激光信号调制解调、高效率光电转换技术,提出高效能量信息同传系统设计方案,研制了火箭地面激光传能通信一体化样机,实现25m传输距离,激光无线供电461W,激光无线通信速率500Mbps,为下一步高效激光无线能量信息同传系统发展提供解决思路。     

微波无线能量传输功率放大器效率提升的 设计方法研究

针对用于微波无线能量传输系统中的微波功率放大器高效率需求,文章提出了一种提高功率放大器功率附加效率及输出功率的设计方法。通过功率放大器内部的功率流向统计,分析了反馈电容通道对高频功率放大器效率损失的影响,进而提出在栅极-漏极之间引入反馈谐振网络,提高晶体管内部漏极到栅极反馈支路的阻抗,减少产生的功率流向内部漏极到栅极支路,降低晶体管内部通道的功率损耗,从而保证在产生的总功率保持不变的前提下,增加了流向负载上功率,实现微波功率放大器输出功率的增加和功率附加效率的提高。验证电路仿真结果表明,功率放大器在5.78GHz~5.82GHz频率范围内功率附加效率均高于70%,漏极效率优于80.5%,输出功率高于10.5W。证明了该方法在提升功率放大器效率方面切实可行,研究成果对提高应用于微波能量传输系统的功率放大器效率提供有力支撑。     

超表面多波束天线技术及其在无线能量传输中的应用

自上世纪60年代无线能量传输首次成功的实验验证以来,该技术已成为电子科学与技术多个子领域的热门研究方向。近年来,在物联网、移动通信、和新能源汽车等变革式迅猛发展的推动下,智能电子和电气设备数量激增,无线能量传输技术的开发和成熟显得日益重要,其应用变得更加广泛。无线能量传输主要基于磁感应、谐振耦合、以及电磁辐射三种机理,现有的绝大多数研究集中在基于近场感应和耦合式的能量传输,无法满足很多广域场景下的充能要求,因此,高效中远距无线能量传输方案的解决成为当务之急。由亚波长单元构成的电磁超表面剖面低、损耗小、具有强大的电磁波调控能力,可实现低成本的菲涅尔区和远场区多波束聚焦,给无线能量传输带来了新的思路和方法。文章主要对超表面多波束天线技术进行介绍,包括对已有工作的整理和归纳,以及对其在无线能量传输中潜在应用的展望。     

无线能量传输的核心功率器部件挑战与进展

微波无线能量传输系统中高功率微波发射、高效率微波整流是共性关键技术，其中高效率微波整流是区别于传统无线系统的专项技术。首先，从两类4种微波功率源国内外典型产品技术方案、成果水平开展论述；系统探讨了二极管、三极管及电真空器件整流技术发展现状及研究热点。其次，针对微波无线传能系统高效率、高动态、高集成、长寿命多功能公用传能建设等技术挑战，提出了应对策略和解决途径；最后，进一步凝练和规划了面向空间高功率微波无线能量传输系统的关键技术、核心产品，并对我国无线功率传输的核心器部件及系统构架做出展望。