[发明专利]一种用于微波无线能量传输的阶梯型口径分布设计方法

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种用于微波无线能量传输的阶梯型口径分布设计方法，可用于指导微波无线能量传输系统中有源相控阵发射天线的激励幅度设计。

背景技术

空间太阳能电站是一种在太空中收集太阳能，然后将太阳能转换为电能，再将电能以微波的形式通过发射天线传输到地面的新型绿色能源系统。

微波无线能量传输系统(Microwave Wireless Power Transmission)作为空间太阳能电站的关键组成部分之一，还具有其他广泛的应用前景。如，为无人机、飞艇等无线输能，为灾区及其他偏远地区灵活供电等。

微波无线能量传输系统包括发射天线系统和接收天线系统两部分。发射天线系统被用来聚焦和控制所辐射的高功率微波波束，而接收天线被用来接收所照射的高功率微波能量，然后通过后端的整流电路将收集到的微波能转换为直流电并输送到地面电网。

有源相控阵天线具有波束指向易调整，精度高且便于模块化设计等优点，被视为最合适的发射天线选型。而如何提高微波无线能量传输系统的效率是包括空间太阳能电站在内的所有微波无线能量传输系统的一项关键技术。波束收集效率(Beam Collection Efficiency)是衡量微波无线能量传输效率的一项关键指标，被定义为照射到接收天线的能量与发射天线总辐射能量的比值，它与发射天线的口径场分布有着紧密的关系。

目前，国内外关于如何设计发射天线的口径场分布从而最大化波束收集效率(BCE)的研究主要有以下几种方法：

(1)采用高斯型口径场分布；对于阵列天线如有源相控阵天线而言，每个辐射单元的激励系数是通过离散化连续型高斯口径场分布函数得到的。如论文A.Massa,G.Oliveri,F.Viani,and P.Rocca.Array designs for long-distance wireless power transmission:state-of-the-art and innovative solutions.Proc.IEEE,vol.101,no.6,June 2013采用了该方法得到每个辐射单元的激励系数，进而计算出相应的波束收集效率。该研究表明，在激励幅度满足高斯分布时，波束收集效率接近于最优。

(2)在阵元位置给定的情况下，通过理论推导求得波束收集效率最大化时每个辐射单元的激励系数。如在G.Oliveri,L.Poli,A.Massa.Maximum efficiency beam synthesis of radiating planar arrays for wireless power transmission.IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.61,no.5May 2013中从理论推导上将求解最佳激励系数的问题简化为求解一个矩阵的最大广义特征值问题。研究结果表明，当阵元激励系数满足“近似高斯分布”时，波束收集效率最大，该研究从侧面也说明了方法(1)的有效性。

方法(1)(2)虽然可获得较高的波束收集效率，但由于发射天线的激励系数呈高斯或者类高斯分布，每个单元的激励系数不同，为实现该分布需大量不同种类的放大器。这在实际工程造价高，且实现困难。为缓解这个问题Baki提出了以下办法：

(3)在阵元位置给定的情况下，采用“边缘锥削”方法，来获得较高的BCE。如在A.K.M.Baki,N.Shinohara,H.Matsumoto,etc.Study of isosceles trapezoidal edge tapered phased array antenna for solar power station/satellite.IEICE Trans.Commun.,vol.E90-B,no.1,Apr.2008中研究了均匀布阵情况下，当阵元激励呈“等腰梯形”分布时，(阵列中心的大部分单元等幅激励，小部分位于阵列边缘的单元采用不同的激励)可获得较高的波束收集效率。

但是，对超大型发射天线，如用于空间太阳能电站的发射天线，由于其尺寸在公里级，即使采用“等腰梯形”口径场分布，也需要极多种类的放大器来实现该分布，这在实际工程中也难以实现。

发明内容