微波能量傳輸技術(shù)發(fā)展及軍事應用簡析

毛 磊 姚保寅 周 潔 潘 劍

遠距無線能量傳輸主要包括激光和微波兩種方式。前者能量集中，所需接收設備尺寸小，但大氣損耗嚴重。后者效率較高，雖對發(fā)射接收天線有一定要求，但大氣透過性好，目前仍是遠距無線能量傳輸技術(shù)研究的重點，且越來越受到國際社會關(guān)注。微波能量傳輸技術(shù)在太空太陽能電站、航天運載器供能、定向能武器、航天器間能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要應用前景。

基本概念與內(nèi)涵

微波能量傳輸是一種無線能量傳輸方式，其能量發(fā)射端借助微波功率源將直流電能轉(zhuǎn)換為微波頻率的射頻（RF）能量，經(jīng)由波束輻射傳送至能量接收端，通過接收天線和整流電路等，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量。其中，發(fā)射部分旨在將輸入直流電高效轉(zhuǎn)化為微波，同時完成微波高精度發(fā)射及高效空間功率合成。

發(fā)展現(xiàn)狀及水平

日本、美國、歐盟、英國等開展了大量微波能量傳輸相關(guān)研究工作，成果顯著，其中日本和美國處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

2 0 世紀6 0 年代初，美國人W.C.Brown首次提出微波能量傳輸概念，并于1975年由美國噴氣推進實驗室首次試驗證明遠距微波能量傳輸?shù)目尚行?。美國空軍研究實驗室近年來多次強調(diào)轉(zhuǎn)換太陽能為射頻能量發(fā)射到地球，并設立了太空太陽能增量演示和研究項目，以開發(fā)此類系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，包括擬于2025年前開展減少天基太陽能航天器部件上的溫度波動試驗，打破天基太陽能捕獲和轉(zhuǎn)換的局限性以及可展開結(jié)構(gòu)概念設計等。該項目已于2022年1月進行了首次光伏發(fā)電微波傳送的端對端演示。

日本三菱科研人員于2015年開展了500米距離10千瓦的微波能量傳輸，并成功驅(qū)動接收端LED燈。按照計劃，三菱重工將在2030年至2040年將微波能量傳輸技術(shù)應用于太空太陽能發(fā)電系統(tǒng)。歐盟于2002年構(gòu)建了歐洲研究網(wǎng)絡，用30年時間探索太空太陽能發(fā)電技術(shù)。英國于2022年宣布擬投資160億英鎊在太空建造太陽能發(fā)電站，其直徑為1.7千米，重約2000噸，擬于2040年建成運行，將為英國提供2吉瓦的電力。

關(guān)鍵技術(shù)

微波能量傳輸關(guān)鍵技術(shù)包括高增益天線與高精度波束控制技術(shù)、高轉(zhuǎn)換率微波整流技術(shù)、電能有效存儲技術(shù)等。其中，微波發(fā)射機是微波無線輸能系統(tǒng)的發(fā)射組件，由微波信號源和功率放大器組成。前者產(chǎn)生毫瓦級微波射頻信號，經(jīng)功率放大器放大，實現(xiàn)直流電壓到微波射頻能量的轉(zhuǎn)化。微波傳輸頻率一般選擇2.45吉赫茲、5.8吉赫茲和35吉赫茲等。

高增益天線與高精度波束控制技術(shù)為實現(xiàn)微波能量遠距離功率傳輸，需要降低電磁波傳播過程中的空間損耗，同時以波束指向尖銳的定向性電磁窄波束作為發(fā)射和接收波束。目前有以下幾種運動目標波束控制策略。

微波能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應用最大接收功率實現(xiàn)輻射定向。相控陣基于多天線單元或子陣列天線，常用于遠距微波無線能量傳輸中電磁窄波束形成。每路射頻通道與一個天線單元或子陣列相連，輸出同頻微波信號，在空間相干形成電磁窄波束，其指向精確控制可通過調(diào)節(jié)射頻通道內(nèi)微波信號相位，改變天線單元或子陣列的饋電相位來實現(xiàn)。研究人員提出了旋轉(zhuǎn)矢量法、近場探針法、互耦測量法等，來測量相控陣方法中相位和幅度誤差，以實現(xiàn)精準輻射定向。

在輻射定向時，輕微角度誤差將會引起波束指向偏差。實際校準過程中，移相器因位數(shù)和性能有限，是主要誤差源之一。為減少誤差，研究人員提出了迭代疊加策略，基于相控陣天線的旋轉(zhuǎn)矢量校準法，通過最大接收功率實現(xiàn)輻射定向。如輻射定向的迭代疊加圖所示，Ei為整流天線處輻射元產(chǎn)生的電場矢量。其中，i=1，2，...M×N，M和N為相控陣維度。理想的定向輻射所有電場矢量同向，以形成最大電場。因自由空間實際影響，電場矢量經(jīng)迭代疊加后經(jīng)算法處理，這些電場矢量偏差將會被消除，以形成近理想排列，同時產(chǎn)生最大電場和最大接收功率。相對于傳統(tǒng)相控陣方法，該法需要大量迭代，針對快速移動目標，易產(chǎn)生誤差。為此，研究人員提出基于導引信號的輻射定向法。

5.8GHz微波能量傳輸系統(tǒng)中方向回溯技術(shù)原理圖

基于導引信號的輻射定向法。最大接收功率法耗時較長的問題，可通過導引信號到達方向估計法來解決，稱為方向回溯技術(shù)。兩個相控陣天線各自中心的子天線接收2.9GHz導引信號，經(jīng)低通濾波器（LPF），與本地振蕩器信號混合產(chǎn)生中頻信號，饋送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在數(shù)字控制單元中，基于相位共軛的算法將相控陣天線與參考天線相位差反轉(zhuǎn)。濾波后的參考相位在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化器變頻至中頻前，經(jīng)光纖系統(tǒng)傳輸，具備抗干擾能力。數(shù)字信號處理器提供給子陣列天線含相位信息的數(shù)字輸出信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換器為每個發(fā)射天線單元提供中頻模擬信號，經(jīng)三級濾波和變頻，輸出5.8GHz發(fā)射信號。每路信號相位控制在中頻，以保證相位共軛保持在5.8GHz。研究人員還提出位置及角度校正法，以進一步提升方向回溯技術(shù)性能。該法需對接收機發(fā)送的導引信號進行處理，以使其相位可在每個天線單元測量到?；赑AC算法的方向回溯系統(tǒng)原型已完成，結(jié)果顯示在采用2.94GHz導引信號時，相位補償誤差≤1°。

時間反演（TR）是近年發(fā)展出的一種新型自適應空間電磁波傳輸技術(shù)。時間反演鏡將接收到的電磁信號在時域上進行翻轉(zhuǎn)，并重新發(fā)射出去。其工作流程如下：接收端信標源向TR天線發(fā)射信標信號，TR天線將接收到的信標信號進行逆時處理后再發(fā)射，電磁波將自動聚焦于原點，克服多徑效應，表現(xiàn)出環(huán)境自適應性和空時聚焦效果。

輻射定向的迭代疊加（左：理想型，中：實際型，右：應用迭代疊加策略后）

微波接收天線是微波無線輸能系統(tǒng)接收組件之一，增益越高，接收功率越大，另外還要兼顧口徑面積和效率。不同接收天線架構(gòu)會導致不同功率轉(zhuǎn)換效率。接收天線形式有偶極子、八木天線、微帶天線以及拋物面天線等，目前以微帶天線為主。

高轉(zhuǎn)換率微波整流技術(shù)微波能量傳輸整流一般過程如下：輸入低通濾波器對來自接收陣列天線的射頻信號進行濾波，使工作頻點的能量低差損通過，阻礙其他頻率分量，并對整流二極管產(chǎn)生的高次諧波分量進行反射；整流二極管將射頻信號整流為DC；整流后的直流電壓脈動成分很大，采用直通濾波器平滑濾波，以在負載端獲得穩(wěn)定的直流電壓。當二極管截止時，高次諧波被束縛在輸入和輸出濾波器間，射頻能量被反復整流，能夠提高二極管轉(zhuǎn)化效率。輸入濾波器與整流二極管間的匹配由匹配電路實現(xiàn)。

由于二極管的非線性，在整流過程中會產(chǎn)生大量的高次諧波，導致阻抗不匹配，整流效率低下。因此，需對整流電路優(yōu)化設計，通過微波整流技術(shù)將微波能量高效轉(zhuǎn)化為直流穩(wěn)壓電源，供后端負載直接使用。

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，整流電路可以分為半波整流電路、倍壓整流電路和橋式整流電路。以橋式整流電路為例，當一個高頻信號加入電路時，在信號的正半周期的時候，二極管D1、D3導通，信號通過負載R1并對電容C1進行充電，將其電壓值充電到接近信號源電壓峰值；當信號達到負半周期的時候，二極管D2、D4處于導通狀態(tài)，電容C1也同時對負載進行放電，最終在多次重復充放電之后，負載電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。研究人員提出多種策略，以解決阻抗不匹配問題，從而實現(xiàn)電路優(yōu)化。

電阻壓縮網(wǎng)絡（RCN）：設置在射頻源與差分整流器之間，可降低輸入阻抗對輸入功率的敏感程度，提高匹配性能，進而拓寬輸入功率。研究表明，當輸入功率在5.5～33.1dBm變化時，應用RCN，可使整流效率保持在50%以上。

支線耦合器：可在很寬的輸入功率、工作頻率和輸出負載范圍內(nèi)工作。其整流器典型結(jié)構(gòu)由兩個相同的子整流電路和一個帶接地隔離端口的支線耦合器組成。當輸入功率、輸出功率和工作頻率同時變化時，會造成阻抗失配。支線耦合器策略可提升匹配性能，減少因阻抗失配導致的功率損失。當工作頻率變化時，耦合器的幅度和相位特性將發(fā)生緩慢變化，導致性能提升有限。為此，研究人員又提出二階耦合器，比一階耦合器具有更大的帶寬。支線耦合器策略使兩個主支路反射的功率有效傳輸?shù)焦β驶厥罩?，通過功率重復利用，提高了整流效率。

橋式整流電路原理圖及波形圖

此外，近年研究人員還嘗試將超材料/超表面引入到整流電路的設計之中，采用了多種不同的諧振器單元結(jié)構(gòu)與整流二極管進行共形集成，包括緊耦合天線單元、偶極子單元以及頻率選擇表面等。如李龍團隊于2021年提出了一種雙頻段、寬角、極化不敏感、緊湊、小型化的整流超表面，在實現(xiàn)完全移除匹配網(wǎng)絡和合路網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，在2.4 GHz 和5.8GHz的射頻-直流轉(zhuǎn)換效率分別為79%和69%。

電能有效存儲技術(shù)接收到的電能可用來為動力系統(tǒng)提供電源，但額外電能如不存儲轉(zhuǎn)化則會變成電熱損耗，如何有效存儲電能是一個關(guān)鍵問題?？刹捎贸夒娙荽鎯碗娀埯}的方法。

利用超級電容存儲電能。作為介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的特殊電容器，超級電容器兼具前者大電流快速充放電特性與后者儲能特性，通過電極與電解質(zhì)間形成雙層界面來存儲能量。因庫侖力、分子間力及原子間力的作用，當超級電容器電極與電解液接觸時，固液界面會出現(xiàn)穩(wěn)定和符號相反的雙層電荷。超級電容器功率密度可達10kW/kg，遠高于蓄電池，具備-40℃～80℃的工作溫限，經(jīng)過50萬次至100萬次的充放電循環(huán)后性能變化很小，且生產(chǎn)過程不使用重金屬和其他有害化學物質(zhì)，綠色環(huán)保。

基于電阻壓縮網(wǎng)絡的整流器結(jié)構(gòu)圖（左）和支線耦合器策略結(jié)構(gòu)圖（右）

利用熔鹽儲電。熔鹽儲電技術(shù)利用電力將熔鹽加熱后存儲，在需要時通過熔鹽放熱，由汽輪機將其重新轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這使得利用富余電能的電網(wǎng)級儲能成為可能。該法轉(zhuǎn)化效率雖低，只能得到收集能量的40%，但成本較電池儲能低廉很多，因而依然具備競爭力。一個傳統(tǒng)50MW光熱項目的儲熱系統(tǒng)含熱罐和冷罐，尺寸為直徑70英尺、高約30英尺。在直接儲電應用市場，可利用現(xiàn)成工業(yè)電加熱裝置將罐中約5000噸熔鹽加熱。

除以上兩種化學儲能方式外，機械儲能和電磁儲能也常用于電能存儲，但往往對地形和成本有一定要求。

應用前景

微波能量傳輸主要應用于太空太陽能電站、航天運載器供能、天基定向能武器和航天器間能量傳輸?shù)?，其典型應用即太空太陽?/p>

太空太陽能電站也稱天基太陽能電站，在太空將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過微波等傳輸?shù)降孛骐娏ο到y(tǒng)，主要含太陽能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置以及地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。太空太陽能電站根據(jù)是否具有聚光系統(tǒng)可劃分為非聚光對日定向型、非聚光梯度穩(wěn)定型和聚光型三種。

美國防部在2020年5月第6次發(fā)射升空的X-37B太空飛機上，搭載了邊長為30厘米的光伏射頻天線模塊，開展天基太陽能發(fā)電實驗，成功產(chǎn)生了10瓦左右的能量。

可重復使用運載器供能利用微波供能的可重復使用運載器可把地面和空中供給的微波能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，直接?qū)動可重復使用運載器，可降低重量。陸基微波供能可重復使用運載器主要通過在運載器底部安裝熱交換器，通過位于地面的微波相控陣天線獲得能量，將能量轉(zhuǎn)化為推力。

陸基大功率微波能量傳輸裝置為航天運載器供能概念圖

可重復使用運載器只需攜帶動力裝置和載荷，無需攜帶危險燃料，待抵達軌道完成任務后，可滑翔返回地面，重復使用。微波推動的可重復使用運載器可將200千克載荷送入低地球軌道，滿足一些衛(wèi)星的發(fā)射需求。美國衛(wèi)星成像初創(chuàng)公司行星實驗室研制出一種微波驅(qū)動可重復使用運載器發(fā)動機，通過大規(guī)模電池組從普通電網(wǎng)汲取能量，將其轉(zhuǎn)化為微波，由一組模塊化微波天線相位陣列接收，然后朝航天運載器上的一臺熱交換器發(fā)射微波能量束，熱交換器借此加熱燃料箱中的氫，產(chǎn)生能量后驅(qū)動航天運載器進入軌道。

天基定向能武器太陽能衛(wèi)星可接收地面指令，改變微波強度和發(fā)送方向，摧毀敵方目標，可作為定向能武器。美國太空導彈防御體系，即通過強微波來摧毀敵方導彈。天基定向能武器先由太陽能衛(wèi)星提供初級能量，再由地面發(fā)出攻擊指令，調(diào)整波束方向，發(fā)射高能微波摧毀敵方武器裝備。

航天器間能量傳輸微波能量傳輸技術(shù)將太陽能衛(wèi)星電能傳輸給其他功能衛(wèi)星，實現(xiàn)航天器間的能量傳輸，可解決供電技術(shù)對航天器束縛，提高續(xù)航時間，降低航天器成本和重量。俄羅斯及前蘇聯(lián)科學家提出發(fā)射子母衛(wèi)星的方法，由母衛(wèi)星通過大功率微波發(fā)射天線向子衛(wèi)星輻射微波能量，子衛(wèi)星不需要攜帶任何燃料及動力裝置，以在子衛(wèi)星內(nèi)形成良好微重力環(huán)境，有利于培養(yǎng)高質(zhì)量晶體。

結(jié)語

微波能量傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠、功率大、環(huán)境適應性強、可攜能通信等優(yōu)點。目前各國積極探索將微波能量傳輸技術(shù)應用于太空發(fā)電、天基定向能武器、高空飛行器供能等領(lǐng)域，并取得階段性進展。建議國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)：一是繼續(xù)加強微波能量傳輸在太空太陽能電站中的應用研究，搶占新型能源供給研發(fā)的制高點，并重視國際合作。二是大力開展大規(guī)模相控陣天線系統(tǒng)技術(shù)，微波精確波束控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)和工藝攻關(guān)。如優(yōu)化微波無線能量傳輸系統(tǒng)配置，突破大功率超高精度微波波束方向控制與高效率傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)和工藝，從而實現(xiàn)天地間大功率超高精度的微波能量傳輸?shù)取?/p>