微波能量传输技术发展及军事应用简析

  远距无线能量传输最重要的包含激光和微波两种方式。前者能量集中，所需接收设施尺寸小，但大气损耗严重。后者效率较高，虽对发射接收天线有一定要求，但大气透过性好，目前仍是远距无线能量传输技术探讨研究的重点，且慢慢的受到国际社会关注。微波能量传输技术在太空太阳能电站、航天运载器供能、定向能武器、航天器间能量传输等领域具备极其重大应用前景。

  微波能量传输是一种无线能量传输方式，其能量发射端借助微波功率源将直流电能转换为微波频率的射频（RF）能量，经由波束辐射传送至能量接收端，通过接收天线和整流电路等，将射频能量转换为直流能量。其中，发射部分旨在将输入直流电高效转化为微波，同时完成微波高精度发射及高效空间功率合成。

  日本、美国、欧盟、英国等开展了大量微波能量传输相关研究工作，成果显著，其中日本和美国处于技术领先地位。

  20世纪60年代初，美国人 W．C．Brown首次提出微波能量传输概念，并于1975年由美国喷气推进实验室首次试验证明远距微波能量传输的可行性。美国空军研究实验室近年来多次强调转换太阳能为射频能量发射到地球，并设立了太空太阳能增量演示和研究项目，以开发此类系统所需的关键技术，包括拟于2025年前开展减少天基太阳能航天器部件上的温度波动试验，打破天基太阳能捕获和转换的局限性以及可展开结构概念设计等。该项目已于2022年1月进行了首次光伏发电微波传送的端对端演示。

  日本三菱科研人员于2015年开展了500米距离10千瓦的微波能量传输，并成功驱动接收端LED灯。按照计划，三菱重工将在2030年至2040年将微波能量传输技术应用于太空太阳能发电系统。欧盟于2002年构建了欧洲研究网络，用30年时间探索太空太阳能发电技术。英国于2022年宣布拟投资160亿英镑在太空建造太阳能发电站，其直径为1.7千米，重约2000吨，拟于2040年建成运行，将为英国提供2吉瓦的电力。

  微波能量传输关键技术包括高增益天线与高精度波束控制技术、高转换率微波整流技术、电能有效存储技术等。其中，微波发射机是微波无线输能系统的发射组件，由微波信号源和功率放大器组成。前者产生毫瓦级微波射频信号，经功率放大器放大，实现直流电压到微波射频能量的转化。微波传输频率一般选择2.45吉赫兹、5.8吉赫兹和35吉赫兹等。

  为实现微波能量远距离功率传输，需要降低电磁波传播过程中的空间损耗，同时以波束指向尖锐的定向性电磁窄波束作为发射和接收波束。目前有以下几种运动目标波束控制策略。

  应用最大接收功率实现辐射定向。相控阵基于多天线单元或子阵列天线，常用于远距微波无线能量传输中电磁窄波束形成。每路射频通道与一个天线单元或子阵列相连，输出同频微波信号，在空间相干形成电磁窄波束，其指向精确控制可通过调节射频通道内微波信号相位，改变天线单元或子阵列的馈电相位来实现。研究人员提出了旋转矢量法、近场探针法、互耦测量法等，来测量相控阵方法中相位和幅度误差，以实现精准辐射定向。

  在辐射定向时，轻微角度误差将会引起波束指向偏差。实际校准过程中，移相器因位数和性能有限，是主要误差源之一。为减少误差，研究人员提出了迭代叠加策略，基于相控阵天线的旋转矢量校准法，通过最大接收功率实现辐射定向。如辐射定向的迭代叠加图所示，Ei为整流天线处辐射元产生的电场矢量。其中，i=1，2，...M×N，M和N为相控阵维度。理想的定向辐射所有电场矢量同向，以形成最大电场。因自由空间实际影响，电场矢量经迭代叠加后经算法处理，这些电场矢量偏差将会被消除，以形成近理想排列，同时产生最大电场和最大接收功率。相对于传统相控阵方法，该法需要大量迭代，针对快速移动目标，易产生误差。为此，研究人员提出基于导引信号的辐射定向法。

  基于导引信号的辐射定向法。最大接收功率法耗时较长的问题，可通过导引信号到达方向估计法来解决，称为方向回溯技术。两个相控阵天线GHz导引信号，经低通滤波器（LPF），与本地振荡器信号混合产生中频信号，馈送至模数转换器。在数字控制单元中，基于相位共轭的算法将相控阵天线与参考天线相位差反转。滤波后的参考相位在经过模数转化器变频至中频前，经光纤系统传输，具备抗干扰能力。数字信号处理器提供给子阵列天线含相位信息的数字输出信号。数模转换器为每个发射天线单元提供中频模拟信号，经三级滤波和变频，输出5.8GHz发射信号。每路信号相位控制在中频，以保证相位共轭保持在5.8GHz。研究人员还提出位置及角度校正法，以逐步提升方向回溯技术性能。该法需对接收机发送的导引信号做处理，以使其相位可在每个天线单元测量到。基于PAC算法的方向回溯系统原型已完成，结果显示在采用2.94GHz导引信号时，相位补偿误差≤1°。

  时间反演（TR）是近年发展出的一种新型自适应空间电磁波传输技术。时间反演镜将接收到的电磁信号在时域上进行翻转，并重新发射出去。其工作流程如下：接收端信标源向TR天线发射信标信号，TR天线将接收到的信标信号进行逆时处理后再发射，电磁波将自动聚焦于原点，克服多径效应，表现出环境自适应性和空时聚焦效果。

  微波接收天线是微波无线输能系统接收组件之一，增益越高，接收功率越大，另外还要兼顾口径面积和效率。不同接收天线架构会导致不一样的功率转换效率。接收天线形式有偶极子、八木天线、微带天线以及抛物面天线等，目前以微带天线为主。

  微波能量传输整流一般过程如下：输入低通滤波器对来自接收阵列天线的射频信号进行滤波，使工作频点的能量低差损通过，阻碍其他频率分量，并对整流二极管产生的高次谐波分量进行反射；整流二极管将射频信号整流为DC；整流后的直流电压脉动成分很大，采用直通滤波器平滑滤波，以在负载端获得稳定的直流电压。当二极管截止时，高次谐波被束缚在输入和输出滤波器间，射频能量被反复整流，可提升二极管转化效率。输入滤波器与整流二极管间的匹配由匹配电路实现。

  由于二极管的非线性，在整流过程中会产生大量的高次谐波，导致阻抗不匹配，整流效率低下。因此，需对整流电路优化设计，通过微波整流技术将微波能量高效转化为直流稳压电源，供后端负载直接使用。

  根据电路结构的不同，整流电路能分为半波整流电路、倍压整流电路和桥式整流电路。以桥式整流电路为例，当一个高频信号加入电路时，在信号的正半周期的时候，二极管D1、D3导通，信号通过负载R1并对电容C1进行充电，将其电压值充电到接近信号源电压峰值；当信号达到负半周期的时候，二极管D2、D4处于导通状态，电容C1也同时对负载进行放电，最终在多次重复充放电之后，负载电压处于稳定状态。研究人员提出多种策略，以解决阻抗不匹配问题，以此来实现电路优化。

  电阻压缩网络（RCN）：设置在射频源与差分整流器之间，可降低输入阻抗对输入功率的敏感程度，提高匹配性能，进而拓宽输入功率。研究表明，当输入功率在5.5～33.1dBm变化时，应用RCN，可使整流效率保持在50%以上。

  支线耦合器：可在很宽的输入功率、工作频率和输出负载范围内工作。其整流器典型结构由两个相同的子整流电路和一个带接地隔离端口的支线耦合器组成。当输入功率、输出功率和工作频率同时变化时，会造成阻抗失配。支线耦合器策略可提升匹配性能，减少因阻抗失配导致的功率损失。当工作频率变化时，耦合器的幅度和相位特性将发生缓慢变化，导致性能提升有限。为此，研究人员又提出二阶耦合器，比一阶耦合器具有更大的带宽。支线耦合器策略使两个主支路反射的功率有效传输到功率回收支路，通过功率重复利用，提高了整流效率。

  此外，近年研究人员还尝试将超材料/超表面引入到整流电路的设计之中，采用了多种不同的谐振器单元结构与整流二极管进行共形集成，包括紧耦合天线单元、偶极子单元以及频率选择表面等。如李龙团队于2021年提出了一种双频段、宽角、极化不敏感、紧凑、小型化的整流超表面，在实现完全移除匹配网络和合路网络的基础上，在2.4 GHz 和5.8GHz的射频-直流转换效率分别为79%和69%。

  接收到的电能可用来为动力系统提供电源，但额外电能如不存储转化则会变成电热损耗，如何有效存储电能是一个核心问题。可采用超级电容存储和电化熔盐的方法。

  利用超级电容存储电能。作为介于传统电容器和充电电池之间的特殊电容器，超级电容器兼具前者大电流快速充放电特性与后者储能特性，通过电极与电解质间形成双层界面来存储能量。因库仑力、分子间力及原子间力的作用，当超级电容器电极与电解液接触时，固液界面会出现稳定和符号相反的双层电荷。超级电容器功率密度可达10kW/kg，远高于蓄电池，具备-40℃～80℃的工作温限，经过50万次至100万次的充放电循环后性能变化很小，且生产的全部过程不使用重金属和其他有害化学物质，绿色环保。

  利用熔盐储电。熔盐储电技术利用电力将熔盐加热后存储，在需要时通过熔盐放热，由汽轮机将其重新转变为电能，这使得利用富余电能的电网级储能成为可能。该法转化效率虽低，只能得到收集能量的40%，但成本较电池储能低廉很多，因而依然具备竞争力。一个传统50MW光热项目的储热系统含热罐和冷罐，尺寸为直径70英尺、高约30英尺。在直接储电应用市场，可利用现成工业电加热装置将罐中约5000吨熔盐加热。

  除以上两种化学储能方式外，机械储能和电磁储能也常用于电能存储，但往往对地形和成本有一定要求。

  微波能量传输主要使用在于太空太阳能电站、航天运载器供能、天基定向能武器和航天器间能量传输等，其典型应用即太空太阳能，也称天基太阳能电站，在太空将太阳能转化为电能，再通过微波等传输到地面电力系统，主要含太阳能发电装置、能量转换和发射装置以及地面接收和转换装置。太空太阳能电站根据有没有聚光系统可划分为非聚光对日定向型、非聚光梯度稳定型和聚光型三种。

  美国防部在2020年5月第6次发射升空的X-37B太空飞机上，搭载了边长为30厘米的光伏射频天线模块，开展天基太阳能发电实验，成功产生了10瓦左右的能量。

  利用微波供能的可重复使用运载器可把地面和空中供给的微波能转变为电能，直接驱动可重复使用运载器，可降低重量。陆基微波供能可重复使用运载器主要通过在运载器底部安装热交换器，通过位于地面的微波相控阵天线获得能量，将能量转化为推力。

  可重复使用运载器只需携带动力装置和载荷，无需携带危险燃料，待抵达轨道达成目标后，可滑翔返回地面，重复使用。微波推动的可重复使用运载器可将200千克载荷送入低地球轨道，满足一些卫星的发射需求。美国卫星成像初创公司行星实验室研制出一种微波驱动可重复使用运载器发动机，通过大规模电池组从普通电网汲取能量，将其转化为微波，由一组模块化微波天线相位阵列接收，然后朝航天运载器上的一台热交换器发射微波能量束，热交换器借此加热燃料箱中的氢，产生能量后驱动航天运载器进入轨道。

  太阳能卫星可接收地面指令，改变微波强度和发送方向，摧毁敌方目标，可作为定向能武器。美国太空导弹防御体系，即通过强微波来摧毁敌方导弹。天基定向能武器先由太阳能卫星提供初级能量，再由地面发出攻击指令，调整波束方向，发射高能微波摧毁敌方武器装备。

  微波能量传输技术将太阳能卫星电能传输给其他功能卫星，实现航天器间的能量传输，可解决供电技术对航天器束缚，提高续航时间，降低航天器成本和重量。俄罗斯及前苏联科学家提出发射子母卫星的方法，由母卫星通过大功率微波发射天线向子卫星辐射微波能量，子卫星不需要携带任何燃料及动力装置，以在子卫星内形成良好微重力环境，有利于培养高质量晶体。

  微波能量传输技术具有传输距离远、功率大、环境适应能力强、可携能通信等优点。目前各国积极探索将微波能量传输技术应用于太空发电、天基定向能武器、高空飞行器供能等领域，并取得阶段性进展。建议国内相关研究机构：一是继续加强微波能量传输在太空太阳能电站中的应用研究，抢占新型能源供给研发的制高点，并重视国际合作。二是大力开展大规模相控阵天线系统技术，微波精确波束控制技术等关键技术和工艺攻关。如优化微波无线能量传输系统配置，突破大功率超高精度微波波束方向控制与高效率传输等关键技术和工艺，以此来实现天地间大功率超高精度的微波能量传输等。