[发明专利]一种方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法

说明书

技术领域

本发明属于能量无线传输领域，具体地，涉及一种用于微波无线能量传输和自动跟踪通信系统的方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法。

背景技术

目前，实现能量无线传输的主要方式有：激光、超声波、电磁耦合和微波。它们有各自的适用范围。近距离情况下，可以选择超声波和电磁耦合；远距离的情况下，可以选择激光或者微波。激光技术实现中远距离的能量传输，其优点是波束窄，缺点是转换效率低、功率容量有限。现在激光无线能量传输的一个目标是提高转换效率，达到或者接近微波无线能量传输系统的转换效率。相对激光能量无线传输，微波无线能量传输技术具有转换效率高，功率容量高的优点，是现阶段最有发展优势的能量无线传输技术。

微波无线能量传输技术是将其他形式的能量转换为微波，通过空间传输再由接收天线接收，经过整流电路转换为直流能量。微波无线能量传输，通常应用在传输距离较远的工况，因此需要相对较大的发射与接收天线，通常以天线阵列的形态存在。为了尽量减小接收天线的尺寸和占地面积，需要使用较窄的波束，让能量集中在接收天线阵列的范围内。

对比现行的可再生能源，来自太空的太阳能拥有光明的前景。作为一种新的能源系统，空间太阳能可以24小时供应，不排放CO2，可保证人类社会的可持续发展。太阳能发电卫星在几十年前就曾作为能满足可持续发展和不排放CO2的清洁能源供应的基础可行的候选方案之一提出。太阳能发电卫星被设计为一颗在地球静止轨道(GEO)上运行的、作为发电站的巨大卫星，将太阳能转化为电能，再将电能转化为微波能，通过微波无线能量传输系统和地面的无线能量接收系统传输到地面。

即便是地球同步轨道上的卫星，其星下点和卫星姿态都不能保证完全静止，总有相对于地面接收天线阵列的运动与漂移。另外，卫星的姿态还要随着卫星与太阳相对位置在四季的变化而调整。在卫星漂移与姿态调整的过程中，必须始终保持用于能量传输的微波波束精确指向地面接收站，这就对微波波束的指向控制与调整的精度和相应速度提出了很高的要求。以如下粗略估计为例：地球同步轨道典型高度为三万六千公里，如果地面接收天线直径按照5公里记，用于能量传输的微波波束中心偏差按5％记，则微波波束控制精度需要达到0.0004度。

波束控制与调整主要有机械指向、基于相控阵天线阵列的主动波束指向控制和基于方向回溯阵列的逆向波束控制等方法。因为用于微波无线能量传输的发射天线尺寸巨大，机械指向不适用与太阳能发电卫星的波束指向控制。基于相控阵天线的主动波束控制，其波束控制精度，受移相器相位控制精度的制约，工程上成熟的移相器移相精度在1度左右，对应的波束控制精度在0.23度左右。远远不能满足太阳能发电卫星的波束指向精度要求。另外，基于相控阵天线的主动波束控制，首先要完成对地面导引信号的波达方向估计，这必然要引起额外的响应延迟。

相比之下，基于方向回溯阵列的逆向波束控制法最适合太阳能发电卫星的波束指向控制。逆向波束控制又名“方向回溯”，采用逆向波束控制体制的天线阵列能够自动跟踪来波方向，而不需要预先验证来波的方向。逆向波束控制可以在移动平台间、移动平台与基站、卫星与卫星、卫星与地面之间建立可靠的连接，同时，通信链路的增益由于天线阵的功率合成效应而得到显著提高。

太阳能发电卫星采用逆向波束控制，可以实现微波发射天线波束的完全自动控制，可以适应太阳能发电卫星的动态变化。该系统只需要从地面发射一个导向信号，发射天线的波束就可以精确地指向地面。空间微波发射天线的每个组元的相位按照地面导向信号的相位的共轭进行控制，从而合成一个反向传输的微波波束。

逆向波束导引技术源于反向天线阵，反向天线阵源于LC.Van Atta博士设计的Van Atta阵。Van Atta阵的结构是用等长的传输线连接成对的天线单元，成对的天线单元必须呈中心对称分布，单元天线接收到的信号传输到对应的阵元上去发射，发射波束自动指向入射波方向。

Van Atta反向阵列天线是逆向波束控制的雏形，不易与微波射频前端子系统进行一体化设计。因此，反向天线阵又发展出“共轭相位混频”体制的反向阵列天线。

“共轭相位混频”体制的反向阵列天线基于如下假定：当引导信号辐射源距离天线阵列很远时，到达天线阵列的波前为平面波。设引导信号电磁波抵达天线阵面的相位为0、-Ф、-2Ф、-3Ф，为使天线阵列的辐射方向图主瓣指向引导信号方向，则需要天线的各个基本辐射单元的相差为0、Ф、2Ф、3Ф。由此可见，在各个基本辐射单元，对接收信号进行相位共轭后，再发射出去，就可以使天线方向图主瓣指向来波方向，从而实现逆向波束控制的目的。