董士偉，侯欣賓，王薪

1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100 2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094 3. 重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400044

1 引言

多年以來(lái)，電磁波已廣泛應(yīng)用于通信、遙感、探測(cè)等系統(tǒng)，所以當(dāng)1964年W.C.Brown用微波波束驅(qū)動(dòng)一架直升機(jī)模型浮空飛行時(shí)，他無(wú)疑開(kāi)辟了電磁波應(yīng)用的新領(lǐng)域：微波能量傳輸(microwave power transmission，MPT)[1]。正是在這一思想的啟迪下，Glaser博士于1968年提出了空間太陽(yáng)能電站(space solar power station，SSPS)的概念[2]，從此，空間太陽(yáng)能電站和微波能量傳輸技術(shù)變得密不可分，相輔相成[3]。

空間太陽(yáng)能電站由空間段和地面段構(gòu)成，空間段利用大規(guī)模的光伏電池陣進(jìn)行發(fā)電，然后將直流功率轉(zhuǎn)換為微波功率，并通過(guò)巨型天線陣列向地面發(fā)射大功率微波波束。微波能量波束(microwave power beam，MPB)在波束指向控制設(shè)備的協(xié)助下穿過(guò)地球大氣層，精準(zhǔn)入射到微波整流天線陣列。微波整流天線陣列作為空間太陽(yáng)能電站的地面段主體，將微波能量轉(zhuǎn)換到直流能量，供進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為交流電力，進(jìn)入地面電力網(wǎng)[4]?？臻g太陽(yáng)能電站往往被提出來(lái)解決化石能源緊缺，近來(lái)，還被視為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的有效助力。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，創(chuàng)新的SSPS系統(tǒng)方案不斷出現(xiàn)[5-9]。

從空間太陽(yáng)能電站的工作原理可見(jiàn)，微波能量傳輸是這一應(yīng)用的主要環(huán)節(jié)，而總體效率是MPT的關(guān)鍵指標(biāo)。大體上講，MPT總體效率由波束收集效率(beam collection efficiency，BCE)、前向和后向轉(zhuǎn)換效率共同決定。其中波束收集效率靠足夠大的能量波束收發(fā)口徑和高精度微波能量波束指向控制來(lái)保證[10-12]。反向波束控制是實(shí)現(xiàn)高精度微波能量波束指向的優(yōu)選方案，已經(jīng)為絕大多數(shù)SSPS系統(tǒng)方案所采納。

在探討SSPS的微波能量反向波束控制技術(shù)時(shí)，往往假設(shè)微波能量發(fā)射天線陣列處于理想的型面狀態(tài)，如平面或拋物面[13]。但這樣的假設(shè)在實(shí)際空間環(huán)境下是不成立的，研究表明，在太陽(yáng)光壓、重力梯度、姿軌耦合等因素作用下，微波能量發(fā)射天線陣列將發(fā)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)振動(dòng)[14-15]，天線結(jié)構(gòu)模塊的位置和姿態(tài)偏離理想狀態(tài)，從而整個(gè)天線陣列的型面遭到破壞。文獻(xiàn)[16]在對(duì)空間太陽(yáng)能電站反向波束控制進(jìn)行仿真時(shí)考慮了姿態(tài)誤差的影響，但其分析是面向傳統(tǒng)的相位共軛體制反向波束控制開(kāi)展的，而且沒(méi)有考慮模塊位置誤差的影響[16]。

本文討論了空間太陽(yáng)能電站微波能量反向波束控制技術(shù)，結(jié)合中國(guó)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展設(shè)想，給出了微波能量傳輸系統(tǒng)方案的演進(jìn)，并重點(diǎn)介紹了微波能量反向波束控制技術(shù)。分析了微波能量發(fā)射天線陣列模塊位置和姿態(tài)偏差對(duì)功率密度和指向誤差的影響，提出了基于相位補(bǔ)償?shù)淖宋黄钚Ｕ椒?，并形成了完備的反向波束控制方法?/p>

2 中國(guó)SSPS發(fā)展設(shè)想及系統(tǒng)演進(jìn)

2.1 中國(guó)SSPS發(fā)展設(shè)想

2014年，相關(guān)部門(mén)聯(lián)合開(kāi)展了太空發(fā)電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系論證工作，提出中國(guó)空間太陽(yáng)能電站“兩大步，三小步” 的發(fā)展設(shè)想：到2030年前分別完成空間太陽(yáng)能電站關(guān)鍵技術(shù)地面及浮空器試驗(yàn)驗(yàn)證、空間超高壓發(fā)電輸電及軌道間能量傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證和空間無(wú)線能量對(duì)地傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證；到2050年前，分別建設(shè)MW級(jí)空間太陽(yáng)能電站驗(yàn)證系統(tǒng)和GW級(jí)商業(yè)空間太陽(yáng)能電站。近期，結(jié)合國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)展態(tài)勢(shì)和技術(shù)研究進(jìn)展，論證組更新了實(shí)施路線，形成空間太陽(yáng)能電站分階段任務(wù)，如圖1所示。

圖1 空間太陽(yáng)能電站分階段任務(wù)Fig.1 Phased missions of SSPS development

在階段一，空間高壓發(fā)電輸電及無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)任務(wù)通過(guò)研制并發(fā)射近地軌道空間太陽(yáng)能電站技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、建設(shè)地面能量接收系統(tǒng)，開(kāi)展天地間微波和激光能量傳輸關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)，并利用伴星開(kāi)展空間激光能量傳輸技術(shù)試驗(yàn)。任務(wù)主要目標(biāo)是突破和驗(yàn)證超高壓大功率薄膜太陽(yáng)電池陣、高功質(zhì)比聚光式光電轉(zhuǎn)換、空間高壓電力傳輸與管理、高精度無(wú)線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

在階段二，地球靜止軌道(GEO)大功率無(wú)線能量對(duì)地傳輸試驗(yàn)任務(wù)通過(guò)研制并構(gòu)建GEO大功率無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)衛(wèi)星，利用已有的地面設(shè)施，開(kāi)展星地微波和激光能量傳輸技術(shù)試驗(yàn)。任務(wù)主要目標(biāo)是突破和驗(yàn)證500 kW級(jí)空間大功率發(fā)電、千瓦級(jí)以上的電力傳輸管理、高功率無(wú)線能量傳輸和超大系統(tǒng)的在軌無(wú)人組裝等關(guān)鍵技術(shù)。

在階段三，兆瓦級(jí)空間太陽(yáng)能電站任務(wù)構(gòu)建國(guó)際首個(gè)兆瓦級(jí)全系統(tǒng)空間太陽(yáng)能電站，建設(shè)地面大規(guī)模能量接收裝置，開(kāi)展軍民地面及空間應(yīng)急供電驗(yàn)證。任務(wù)主要目標(biāo)是突破和驗(yàn)證多次發(fā)射入軌、空間巨型結(jié)構(gòu)控制、能量發(fā)射天線的熱管理、巨型口徑陣列型面補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。

在階段四，吉瓦級(jí)空間太陽(yáng)能電站任務(wù)在GEO軌道組裝吉瓦級(jí)空間太陽(yáng)能電站，升級(jí)地面大規(guī)模接收裝置，實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能電站的商業(yè)化運(yùn)行。任務(wù)主要目標(biāo)是為社會(huì)提供一種可持續(xù)的綠色基礎(chǔ)能源。

盡管在分階段任務(wù)中涉及到激光能量傳輸，但空間太陽(yáng)能電站在傳輸環(huán)節(jié)采用的主流技術(shù)還是微波能量傳輸技術(shù)，所以本文的后續(xù)部分討論的內(nèi)容將限定在微波能量傳輸技術(shù)。

2.2 微波能量傳輸系統(tǒng)及其演進(jìn)

遠(yuǎn)距離微波能量傳輸系統(tǒng)是空間太陽(yáng)能電站的關(guān)鍵組成部分。在各國(guó)提出的規(guī)劃中，微波能量傳輸技術(shù)的研究和驗(yàn)證也成為空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的主體內(nèi)容。

微波能量傳輸系統(tǒng)由能量發(fā)射、能量接收和能量波束控制3個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成，其架構(gòu)如圖2所示。微波能量發(fā)射分系統(tǒng)主要包括微波功率通道、DC/DC變換器、輻射陣列等，完成直流功率到微波功率的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)天線輻射；微波能量接收分系統(tǒng)主要包括整流天線陣、直流功率合成等裝置，完成微波能量波束的接收和微波功率到直流功率的轉(zhuǎn)換；反向波束控制分系統(tǒng)包括導(dǎo)引信號(hào)收發(fā)和測(cè)量設(shè)備、波束控制設(shè)備，完成微波能量反向波束控制。

圖2 微波能量傳輸系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of microwave power transmission system

對(duì)于空間太陽(yáng)能電站應(yīng)用，微波能量傳輸?shù)念l率選擇要綜合考慮系統(tǒng)規(guī)模、性能、大氣效應(yīng)以及相關(guān)國(guó)際組織的規(guī)范等因素，目前國(guó)際電聯(lián)《無(wú)線電規(guī)則》的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻率中的2.45 GHz和5.8 GHz是主要的選用頻率。本文將采用5.8 GHz作為微波能量傳輸系統(tǒng)的工作頻率。

與通信、雷達(dá)等無(wú)線系統(tǒng)不同，微波能量傳輸系統(tǒng)要利用發(fā)射主波束內(nèi)的大部分能量，所以要根據(jù)波束收集效率來(lái)確定收發(fā)天線的口徑。波束收集效率可以簡(jiǎn)單地用下式估算：

式中：At和Ar分別為發(fā)射陣列和接收陣列的口徑面積；Pr和Pt分別為接收和發(fā)射的微波功率；λ為工作波長(zhǎng)；D為傳輸距離。對(duì)于空間太陽(yáng)能電站應(yīng)用，在工作頻率和傳輸距離條件約束下，能量收發(fā)陣列口徑必然非常之大，目前SSPS系統(tǒng)方案中的微波能量發(fā)射陣列直徑都達(dá)到千米量級(jí)，整流天線陣列的直徑甚至達(dá)到數(shù)千米。

在空間建造千米尺度的微波能量發(fā)射陣列是一項(xiàng)前所未有的工程，根據(jù)前期論證，巨型微波能量發(fā)射陣列需要通過(guò)結(jié)構(gòu)模塊、子陣逐級(jí)拼接的方式來(lái)構(gòu)建。本文把結(jié)構(gòu)模塊定義為巨型微波能量發(fā)射陣列的基本單元，它屬于剛性單元，在空間只發(fā)生位置和姿態(tài)變化，不發(fā)生形變。

在上述空間太陽(yáng)能電站分階段任務(wù)中，階段二相對(duì)于階段一增加了傳輸距離，同時(shí)提高了發(fā)射功率，增大了發(fā)射口徑，但保持整流中心功率密度變化不大；階段三相對(duì)于階段二增大了發(fā)射口徑，提高了發(fā)射功率，保持了傳輸距離不變，面向應(yīng)用增大了接收口徑；階段四相對(duì)于階段三增大了發(fā)射口徑，提高了發(fā)射功率，保持了傳輸距離不變，提升了整流陣列性能，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。對(duì)于上述各階段任務(wù)，應(yīng)該按照統(tǒng)一的思路設(shè)計(jì)微波能量發(fā)射陣列，只是遵循任務(wù)目標(biāo)遞進(jìn)的原則進(jìn)行規(guī)模調(diào)整。表1列出了各階段任務(wù)微波能量傳輸系統(tǒng)的演進(jìn)情況。

需要指出的是，這些任務(wù)都屬于在軌驗(yàn)證，在此之前，還需要開(kāi)展充分的地面試驗(yàn)[17-18]。

表1 各階段微波能量傳輸系統(tǒng)參數(shù)演進(jìn)

3 微波能量反向波束控制

為了保證微波能量傳輸?shù)牟ㄊ占?，除了要求收發(fā)口徑足夠大之外，還要求能量波束中心對(duì)準(zhǔn)整流陣列中心，以減小溢出損失。微波能量反向波束控制可用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。

在微波能量反向波束控制中，從微波整流陣列中心向微波能量發(fā)射陣列發(fā)射一個(gè)導(dǎo)引信號(hào)，微波能量波束追隨導(dǎo)引信號(hào)的路徑，以相反的方向入射到整流陣列。從實(shí)現(xiàn)原理的角度，反向波束控制可分為幾何光學(xué)方法、相位共軛方法和軟件化方法；從實(shí)現(xiàn)手段的角度，反向波束控制可分為模擬方法和數(shù)字方法。

幾何光學(xué)方法從早期的無(wú)源角反射器和Van Atta陣列形式，發(fā)展至今已形成有源角反射器形式，已有學(xué)者討論了后者在微波能傳輸中的應(yīng)用。相位共軛方法是最早應(yīng)于微波能量反向波束控制的方法，相繼出現(xiàn)了混頻、鎖相和數(shù)字化形式的相位共軛技術(shù)。軟件化反向波束控制則是將雷達(dá)測(cè)量和相控陣技術(shù)融合形成的方法，它在功能的靈活性、硬件資源占用和系統(tǒng)規(guī)模隨適性等方面表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為代表著微波能量反向波束控制技術(shù)的發(fā)展方向。

軟件化微波能量反向波束控制過(guò)程分為兩個(gè)環(huán)節(jié)。首先，需要接收導(dǎo)引信號(hào)并測(cè)量導(dǎo)引信號(hào)的來(lái)波方向(direction of arrival，DOA)；然后，根據(jù)來(lái)波方向控制微波能量波束指向整流陣列中心。在這兩個(gè)環(huán)節(jié)，可以根據(jù)系統(tǒng)要求分別選用不同的技術(shù)途徑，如表2所列。因此，軟件化反向波束控制也有著多種組合方式，但無(wú)論如何，數(shù)字信號(hào)處理對(duì)DOA測(cè)量和MPB指向控制都起著重要的作用。

表2 反向波束控制技術(shù)途徑

在前述設(shè)想的SSPS微波能量傳輸系統(tǒng)和已開(kāi)展的微波能量傳輸試驗(yàn)中，在DOA測(cè)量環(huán)節(jié)采用的是相位干涉方法，在MPB指向控制環(huán)節(jié)采用的是移相器相控方式。圖3所示是中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院開(kāi)發(fā)的軟件化反向波束控制微波能量傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)，用一個(gè)L型的陣列完成二維方向測(cè)量。每個(gè)維度上用2個(gè)基線滿(mǎn)足精度和解模糊的要求。獲得導(dǎo)引信號(hào)DOA之后，計(jì)算功率通道中移相器的控制碼，微波能量發(fā)射陣列每個(gè)單元的相位得到調(diào)整，微波能量波束指向得到控制。該系統(tǒng)傳輸距離為30 m。導(dǎo)引信號(hào)來(lái)波方向測(cè)量精度達(dá)到0.037°，波束指向控制精度達(dá)到0.26°。

圖3 軟件化反向波束控制微波能量傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Microwave power transmission experiment system with retro-directive beam steering

4 發(fā)射陣列模塊姿位偏差影響

如上文所述，空間微波能量發(fā)射陣列在多要素作用下將發(fā)生型面變形，從而偏離理想型面，如圖4所示。陣列的型面變形體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)模塊的位置和姿態(tài)偏差上，這也正是影響微波能量波束性能的要素。而影響效應(yīng)則一方面表現(xiàn)在整流陣列處微波功率密度，另一方面表現(xiàn)在波束指向誤差。

圖4 空間微波能量發(fā)射陣列型面示意Fig.4 Illustration of space microwave power transmitting array surface

結(jié)構(gòu)模塊的位置偏差是指模塊中心在x、y和z方向偏離標(biāo)稱(chēng)位置的值。結(jié)構(gòu)模塊的姿態(tài)偏差是指模塊繞x、y和z軸偏離標(biāo)稱(chēng)角度的值。仿真表明結(jié)構(gòu)模塊在x和y向的位置偏差、繞z軸的姿態(tài)偏差對(duì)微波能量波束性能的影響不顯著。因此為簡(jiǎn)化分析本文將重點(diǎn)討論結(jié)構(gòu)模塊在z向的位置偏差、繞x和y軸的姿態(tài)偏差對(duì)功率密度和指向誤差的影響。

微波能量發(fā)射陣列的結(jié)構(gòu)模塊仍然是由多個(gè)輻射單元構(gòu)成的，用線陣模塊描述結(jié)構(gòu)模塊姿態(tài)偏差的特性如圖5所示。可見(jiàn)，模塊位置和姿態(tài)偏差導(dǎo)致的結(jié)果實(shí)際上都是輻射單元在輻射方向上位置發(fā)生了變化，本質(zhì)上表現(xiàn)在單元的輻射相位偏離了理想值。但不同的是，模塊位置偏差引起的各單元輻射相位變化量相同，而姿態(tài)偏差引起的各單元輻射相位變化量不同。

圖5 結(jié)構(gòu)模塊姿位偏差特性Fig.5 Position and attitude errors of the structural module

結(jié)合微波能量發(fā)射陣列架構(gòu)，理想情況下該陣列天線的輻射場(chǎng)為：

E(θ，φ)=

(1)

式中：f(θ，φ)為單元方向圖；Am，n和φm，n為第m個(gè)結(jié)構(gòu)模塊中第n個(gè)單元的激勵(lì)電流幅度和相位；rm，n和r0為第m個(gè)結(jié)構(gòu)模塊中第n個(gè)單元和參考單元的位置矢量。陣列模塊發(fā)生位置和姿態(tài)偏差后，陣列的輻射場(chǎng)式(1)可寫(xiě)為：

(2)

式中：Δrm，n為第m個(gè)結(jié)構(gòu)模塊中第n個(gè)單元位置矢量的變化。對(duì)于圖5所示的線陣模塊有，

式中：dn為第n個(gè)單元到模塊中心的距離。

這樣，根據(jù)式(2)就可以計(jì)算模塊發(fā)生位置和姿態(tài)偏差后微波能量發(fā)射陣列的輻射方向圖。將此方向圖與理想陣列的方向圖相比，可以得到姿位偏差引起的增益下降，從而得到整流陣列處微波功率密度的損失量，同時(shí)可以分析得到波束指向誤差的惡化情況。

針對(duì)表1所列4個(gè)階段任務(wù)的微波能量發(fā)射陣列，分析結(jié)構(gòu)模塊發(fā)生姿位偏差后的輻射方向圖，仿真采用的偏差條件如表3所列，仿真結(jié)果如圖6～9所示。

表3 仿真采用的姿位偏差條件

圖6 階段一姿位偏差均方根對(duì)功率方向圖的影響及補(bǔ)償效果Fig.6 Influence on power pattern of position and attitude error root mean square(RMS) and correction effects in phase 1

圖7 階段二姿位偏差均方根對(duì)功率方向圖的影響及補(bǔ)償效果Fig.7 Influence on power pattern of position and attitude error RMS and correction effects in phase 2

圖8 階段三姿位偏差均方根對(duì)功率方向圖的影響及補(bǔ)償效果Fig.8 Influence on power pattern of position and attitude error RMS and correction effects in phase 3

圖9 階段四姿位偏差均方根對(duì)功率方向圖的影響及補(bǔ)償效果Fig.9 Influence on power pattern of position and attitude error RMS and correction effects in phase 4

5 基于相位補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂萍夹g(shù)

如第4節(jié)所述，模塊位置和姿態(tài)偏差導(dǎo)致的結(jié)果本質(zhì)上都是單元的輻射相位偏差，所以校正模塊的姿位偏差也就從相位補(bǔ)償入手。可以按照?qǐng)D10所示的思想對(duì)模塊的姿位偏差進(jìn)行相位補(bǔ)償。

經(jīng)過(guò)相位補(bǔ)償后，微波能量發(fā)射陣列輻射場(chǎng)可寫(xiě)為：

j(rm，n+Δrm，n)·r0+jφm，n，ac}·exp(jφm，pc)

(3)

式中：φm，pc為第m個(gè)結(jié)構(gòu)模塊位置偏差相位補(bǔ)償量；φm，n，ac為姿態(tài)偏差相位補(bǔ)償量。它們可以根據(jù)圖10計(jì)算：

φm，c=-2π·Δzm/λ

(4)

(5)

5.1 基于相位補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂屏鞒?/h3>

根據(jù)前面的論述，可以將結(jié)構(gòu)模塊姿態(tài)偏差校正和反向波束控制過(guò)程結(jié)合起來(lái)，在導(dǎo)引信號(hào)測(cè)量和結(jié)構(gòu)模塊姿位測(cè)量的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)微波能量波束對(duì)整流天線中心的精確對(duì)準(zhǔn)?；诮Y(jié)構(gòu)模塊姿位偏差補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂瓢ㄒ韵虏襟E：

1)能量發(fā)射陣列的二維測(cè)角陣列接收導(dǎo)引信號(hào)，并解算來(lái)波方向；

2)能量發(fā)射陣列的波束控制模塊根據(jù)來(lái)波方向計(jì)算各相控單元的相位控制碼；

3)結(jié)構(gòu)模塊姿位測(cè)量模塊測(cè)量各結(jié)構(gòu)模塊的位置和姿態(tài)參數(shù)；

4)中心控制模塊根據(jù)第3步測(cè)量的模塊姿位，由式(4)～(5)解算各相控單元的相位補(bǔ)償量，并據(jù)此生成補(bǔ)償控制碼；

5)中心控制模塊對(duì)第2步生成的控制碼和第4步生成的控制碼相加形成綜合控制碼；

6)中心控制模塊將綜合控制碼傳輸給移相器陣列，控制能量波束指向?qū)б盘?hào)來(lái)波方向。

基于結(jié)構(gòu)模塊姿位偏差校正的反向波束控制流程如圖11所示?？梢钥闯觯@是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制的過(guò)程。通過(guò)導(dǎo)引信號(hào)的連續(xù)發(fā)射和結(jié)構(gòu)模塊的同步連續(xù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間太陽(yáng)能電站微波能量發(fā)射端在軌位置的動(dòng)態(tài)變化、結(jié)構(gòu)模塊姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化的穩(wěn)健適應(yīng)。

圖11 基于相位補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂屏鞒蘁ig.11 Flow of software retro-directive beam steering based on phase compensation

5.2 相位補(bǔ)償效果

按照?qǐng)D11所示的反向波束控制流程，可以將相位補(bǔ)償和反向波束控制結(jié)合起來(lái)，用式(3)可以計(jì)算補(bǔ)償后的微波能量發(fā)射陣列輻射方向圖。結(jié)果如圖6～9所示。為了便于對(duì)比分析，將補(bǔ)償前后的特性參數(shù)列在表4中。

表4 相位補(bǔ)償效果

從表4可以看出，當(dāng)微波能量發(fā)射陣列口徑足夠大的時(shí)候，結(jié)構(gòu)模塊的位置和姿態(tài)偏差對(duì)波束指向誤差的影響微乎其微，這是因?yàn)檠芯恐屑僭O(shè)模塊姿位偏差都服從期望為0的正態(tài)分布，當(dāng)樣本數(shù)量足夠度多的時(shí)候，偏差對(duì)指向的影響也趨向于0。為了考察小規(guī)模陣列的波束指向性能，對(duì)階段二的y向性能進(jìn)行了多次仿真和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，將仿真的條件列在表5中，將結(jié)果繪制在圖12中。

圖12 階段二y向指向模塊姿位偏差對(duì)指向誤差的影響及補(bǔ)償效果Fig.12 Position and attitude errors influence on beam pointing error of modules in y direction and compensation effects in phase 2

5.3 討論

根據(jù)第4節(jié)的分析結(jié)果，微波能量傳輸系統(tǒng)規(guī)模不同，結(jié)構(gòu)模塊姿位偏差對(duì)微波能量波束指向的影響有不同的內(nèi)涵。對(duì)于小規(guī)模的系統(tǒng)，一組姿位隨機(jī)偏差對(duì)應(yīng)的瞬間發(fā)射波束的指向也是隨機(jī)的，這是需要從時(shí)域上考察波束指向誤差，可以多次仿真或測(cè)量，然后對(duì)指向誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；對(duì)于大規(guī)模微波能量傳輸系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)模塊足夠多，能夠反映統(tǒng)計(jì)意義，可以通過(guò)單次仿真或測(cè)量進(jìn)行考察。

對(duì)于大規(guī)模微波能量傳輸系統(tǒng)，發(fā)射陣列中結(jié)構(gòu)模塊足夠多，能夠反映統(tǒng)計(jì)意義，在姿態(tài)偏差的均方差不超過(guò)限定值的情況下，如果其姿位偏差用期望為0的正態(tài)分布來(lái)描述，則對(duì)能量波束的影響僅限于主瓣內(nèi)功率密度降低，對(duì)于瞬態(tài)波束指向產(chǎn)生的影響甚微。

相控模塊的尺度決定著姿位偏差補(bǔ)償能力，與陣列型面控制能力相互約束。相控模塊尺度越大，功率通道激勵(lì)的輻射單元越多，則姿位偏差補(bǔ)償能力越弱，對(duì)陣列型面控制能力要求就越高，當(dāng)然此時(shí)通道總數(shù)量越少，制造成本越低。

表5 指向偏差分析條件

6 結(jié)論

本文結(jié)合中國(guó)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展設(shè)想，針對(duì)微波能量發(fā)射陣列模塊姿位偏差對(duì)微波功率密度和波束指向誤差帶來(lái)的影響，提出了基于相位補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂萍夹g(shù)。

空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展4個(gè)階段任務(wù)采用了不同規(guī)模的微波能量傳輸系統(tǒng)，本文在不同口徑的微波能量發(fā)射陣列和模塊尺寸下，對(duì)模塊姿位偏差的影響和相位補(bǔ)償?shù)男ЧM(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：基于相位補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂萍夹g(shù)對(duì)模塊姿位偏差導(dǎo)致的功率密度損失具有顯著的校正能力；在能量發(fā)射陣列單一維度模塊數(shù)量不超過(guò)數(shù)十個(gè)的條件下，基于相位補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂萍夹g(shù)對(duì)模塊姿位偏差導(dǎo)致的指向誤差具有顯著的校正能力。所以在四個(gè)階段任務(wù)中，微波能量傳輸系統(tǒng)應(yīng)采用本文提出的于相位補(bǔ)償?shù)姆聪虿ㄊ刂萍夹g(shù)。

微波能量波束指向控制是微波能量傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)組成，本文的研究可為微波能量傳輸驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，為中國(guó)空間太陽(yáng)能電站事業(yè)發(fā)展提供重要的支撐。