毫米波高頻段無線能量傳輸技術發展及其空間應用研究初步設想

董亞洲，董士偉，王 穎，李小軍

(中國空間技術研究院西安分院 空間微波技術重點實驗室，西安 710000)

0 引言

微波無線能量傳輸(wireless power transmission, WPT)擺脫了傳統能量傳輸的電纜限制，可以滿足多個領域的應用需求，也得到了越來越多的重視，包括空間太陽能電站、分布式衛星系統、在軌服務與維護系統等空間應用以及電磁能量獲取、無人機無線輸能、特殊場合下無線輸電等地面應用[1-4]。其中航天器間的無線能量傳輸對于航天器來說具有特殊的意義。

能源供給是航天器面臨的首要共性問題。利用無線能量傳輸技術，可以通過微波或激光，在日食期間向衛星短時間供電，解決能源問題對衛星功能和性能的限制，同時可以減小衛星的重量、體積，延長衛星的使用壽命。針對月球表面探測任務中，巡視探測器的動力可以通過無線能量傳輸系統獲得，以保證無間斷供電，使得巡視探測器可全天候工作。當對月球南北極進行探測任務時，太陽光與月面平行，位于月球環形山隕石坑等低洼位置或溶洞等弱光照和無光照區域進行探測任務的探測器將一直處于陰影區無法接收到太陽光，亟需全天候能量保障。而通過在已接收到太陽光的山峰上建立微波能量發射站，即可為陰影區域的探測器提供能源。

對于空間應用來說，系統設備的體積重量必然是重要的約束條件，現階段微波無線能量傳輸技術面對的一大問題是為了保證高效傳輸，收發天線的尺寸較大，顯而易見提高工作頻率可以減小微波能量收發設備的尺寸，這對于空間應用微波能量傳輸技術來說尤為重要。

目前，地面驗證及演示的微波無線能量傳輸的頻段多為2.45 GHz和5.8 GHz[5-13]，國內外也有研究機構開展了毫米波無線能量傳輸技術研究[14-25]，大多都集中在Ka頻段(35 GHz)以下，Ka頻段以上的研究較少。本文首先簡要介紹毫米波高頻段無線能量傳輸技術的發展現狀及趨勢，在此基礎上提出將毫米波高頻段無線能量傳輸技術應用于航天器間無線能量傳輸的研究設想。

1 國內外研究現狀

1.1 毫米波高頻段無線能量傳輸發展現狀及趨勢

高頻段微波能量的高效接收整流技術是實現未來高頻段微波毫米波能量傳輸的關鍵基礎之一。

2015年比利時魯汶大學的研究人員提出了一種工作在160 GHz的諧波抑制整流天線[26]。如圖1所示，接收天線為片上天線，為了提高轉換效率減小天線尺寸，在天線的CPW饋線中嵌入了DCRMC(double compact microstrip resonant cell)濾波器，在160 GHz該天線的增益可達5.3 dBi?；?0 nm COMOS工藝研制的整流電路在輸入功率為-2.46 dBm，負載為500 Ω時，轉換效率可達8.5%。

圖1 比利時魯汶大學160 GHz整流天線Fig.1 160 GHz rectenna by KU Leuven

2016年美國高通公司聯合博通公司和加州大學聯合發布了一套60 GHz無線能量傳輸系統[27]，發射端的功率放大器飽和輸出功率為24.6 dBm，功率附加效率最高可達9.4%，發射天線為2×2陣列。傳輸距離為40 mm，接收端接收整流效率可達32.8%，輸出直流功率為1.22 mW。

2018年日本東京大學設計研制了94 GHz整流天線[28]，如圖2所示。

圖2 日本東京大學94 GHz整流天線Fig.2 94 GHz rectenna by Tokyo University

采用的整流二極管為MA4E1310 (MACOM)，當輸入功率為104 mW負載電阻為125 Ω時，整流電路效率為46%，設計的16單元微帶天線增益為9.0 dBi。整流天線集成在輸入功率為38 mW時，整流天線的整流效率為27.4%。此外還在發射功率聚焦模式下進行了測試，當輸入功率為378 mW時，整流天線的效率為2.75%。該項研究針對的潛在應用是微小衛星無線能量傳輸。

2018年日本筑波大學利用MACOM MA4E1317 GaAs肖特基二極管設計研制了303 GHz整流天線[29]，如圖3所示。

圖3 日本筑波大學303 GHz整流天線Fig.3 303 GHz rectenna by University of Tsukuba

實測的整流效率為2.17%，輸出直流功率為17.1 mW。隨后在2019年發表的論文中又報道了正在研制中的GaN肖特基二極管，用于提高SUB-THz頻段整流天線的效率[30]，在此頻率范圍內的無線能量傳輸可能適合于未來的空間應用。

1.2 航天器間無線能量傳輸系統發展現狀及趨勢

2015年5月，美國航空航天局公布了最新的《NASA 技術路線圖: 空間電力與能量存儲分冊》[19]，其中將無線能量傳輸技術作為重要發展方向，用于未來航天器間以及艙內設備間供電，從而減少設備線纜，降低航天器重量。如表1所列，2015年美國規劃的7項航天器任務中，都需要采用無線能量傳輸技術。

表1 美國應用無線能量傳輸技術的航天器任務

2011年日本京都大學針對火星觀測飛機的能源需求開展了研究，提出通過火星表面發射站采用微波無線能量傳輸技術為火星觀測飛機供能[21]，基于可變功率的相位控制磁控管組成了相控陣發射天線用于跟蹤目標，并進行了初步實驗，如圖4所示。

圖4 日本針對移動目標能量傳輸實驗Fig.4 WPT for moving target by Japan

2018年美國XISP公司(xtraordinary innovative space partnerships)在國際宇航聯合會大會上提出了在國際空間站上發展空間微波無線能量傳輸技術(space-to-space power beaming,SSPB)的應用設想，將整個技術發展過程稱為TD3(技術研發、驗證與實施，technology development, demonstration, and deployment)任務[22]。計劃在空間站上開展無線能量傳輸技術試驗，在空間站上安裝微波能量發射機，對距離200 m以外(最遠1 km)的6U小衛星進行無線能量傳輸，如圖5所示，并將其作為未來擴展空間無線傳能任務的試驗平臺，分析在Ka頻段26.5 GHz、36 GHz和W頻段95 GHz時采用不同尺寸的發射天線在小衛星接收處可以達到的功率密度值。

圖5 空間站微波無線能量傳輸驗證Fig.5 MWPT demonstration on space station

2020年5月17日，通過搭載空軍X-37B軌道試驗車，美國海軍研究實驗室首次將“光電射頻天線模塊”(photovoltaic radio-frequency antenna module，PRAM)送入太空，旨在對比發射的波束和接收到的電能來計算PRAM穿越大氣層的能量轉換效率，以及測試PRAM長時間真空環境下的工作狀態，并通過X-37B把PRAM帶回地面檢查分析損耗情況[14]。該實驗項目是專門為太陽能發電衛星設計的設備首次在太空進行試驗，由美國海軍研究實驗室負責。

PRAM由光伏模組、直流-射頻轉換以及天線3部分構成，如圖6所示。主要功能是通過太陽能帆板收集電能，并將該電能轉化為微波波束后發射回地面。PRAM在聚攏狀態下外觀上為一個30 cm的方磚形模塊，展開后為階梯狀結構。

圖6 “光電射頻天線模塊”PRAMFig.6 Photovoltaic radio-frequency antenna module ，PRAM

2 航天器間無線能量傳輸應用研究初步設想

毫米波無線能量傳輸由于能夠顯著減小無線能量傳輸系統的體積而得到了國際上主要研究機構的廣泛關注，而航天器間無線能量傳輸系統工作在空間環境不受大氣衰減、氣候條件等影響，是驗證和應用毫米波無線能量傳輸技術的重要方向。

2.1 遠距離聚焦高效能量發射

航天器間無線能量傳輸可用的能量有限，收發天線的尺寸也受到火箭發射及航天器本身體積限制，由此造成遠距離無線能量傳輸時接收處的功率密度很小，導致整流效率低，直流輸出功率也低。但是航天器間無線能量傳輸時不要求具備實時性，可考慮利用瞬態電磁學理論，通過發射電磁脈沖在一定時間內慢衰減傳輸來實現能量聚焦提高接收功率密度，此外還可結合準無衍射波束產生方法，將能量在空間上進一步聚焦，提高特定位置處的接收功率密度。

根據瞬態電磁脈沖能量的慢衰減理論，對滿足一定波形條件的瞬態電脈沖，經天線輻射后，其能量將呈現“3段式傳輸規律”。即：在近場區能量幾乎不隨距離z減小，稱此距離為能量的“不衰減段”；在中近場區能量隨距離衰減慢于平方反比率(∝z-1-δ，0<δ<1)，稱此距離為能量的“慢衰減段”；在遠場區能量隨距離衰減滿足平方反比率(∝z-2)，稱此距離為能量的“快衰減段”。瞬態電磁脈沖能量隨距離衰減慢于平方反比率的特性稱為能量的慢衰減特性。在無線能量傳輸中應用瞬態電磁脈沖的慢衰減特性，使得可能在更遠的傳輸距離情況下得到較大的功率密度，大大提高瞬態無線能量傳輸的效率。瞬態電脈沖經合理設計的陣列天線輻射后，結合準無衍射波束產生方法所得電磁脈沖波束容易實現空間場量的聚焦合成，使得陣列天線輻射的電磁能量集中于軸線附近很小的立體角內，實現電磁波束的空間聚焦。因此可考慮研究陣列天線發射的慢衰減理論和準無衍射波束產生理論。

電磁波在空間中傳播都會有衍射現象發生，只是不同條件下電磁波的衍射程度不同，衍射會導致電磁波在傳播的過程中能量更加分散，能量密度減小，但是在理論上存在空間中傳播不發生衍射的電磁波存在，也稱為無衍射波束。無衍射的概念是美國 Rochester大學的Durnin提出，其在1987年首先給出了波動方程與以往完全不同的解——貝塞爾函數形式解，該類解的形式理論上證明貝塞爾波束在垂直于傳播軸的橫截面電場或者磁場始終保持不變。通過對自由空間中波動方程的求解給出貝塞爾波束解的形式，其求解過程如下，自由空間的波動方程形式為[31]：

(1)

式(1)在z≥0的區域存在標量形式的解：

(2)

其中β2+α2=(ω/c)2，c為自由空間光速。從式(2)可以得到電磁波在傳播過程中其電場在z大于0的任意面上除了相位的變化，其幅度值與z=0的面上分布情況完全相同。若電場具備軸對稱性，即式(2)中的參數A(φ)是一個與φ無關的物理量，則式(2)可表示為：

(3)

其中r2=x2+y2，J0為零階貝塞爾函數。

根據式(2)和式(3)可計算產生零階貝塞爾波束這種準無衍射波束所需的發射陣列中各個單元幅相分布。傳統的近場聚焦無線能量傳輸技術是通過相位聚焦實現能量的高效傳輸，但只有接收端位于發射天線的焦點時才可能實現高效率聚焦。當接收端偏離發射天線的焦點時其傳輸效率會急劇下降，且能夠聚焦的距離較短。因此考慮零階貝塞爾波束這種準無衍射波來實現較大范圍內的波束空間聚焦，同時結合前文所述的電磁脈沖信號來實現遠距離時空聚焦無線能量傳輸。

2.2 高頻段整流器件建模方法及整流天線集成設計

通過時空聚焦方法提高航天器間遠距離無線能量傳輸中接收端的功率密度之后，下一步要解決的關鍵問題就是W頻段無線能量的接收整流問題。整流器件是整流電路的核心部件。最常用的整流器件為肖特基二極管(schottky barrier diod，SBD)。肖特基二極管是利用肖特基勢壘特性而產生的電子元件，憑借著低功耗、大電流、正向導通壓降低、反向恢復時間短等特點被廣泛地應用于整流電路中作為整流二極管使用，它的電路模型是否精確直接影響整流電路設計是否準確，在毫米波高頻段由于整流二極管的非線性特性，其等效模型復雜，等效參量較多，不易進行精確分析。

圖7 肖特基平面勢壘二極管剖面結構Fig.7 Struture of planar Schottky barrier diode

典型的肖特基平面勢壘二極管剖面結構如圖7所示，具體物理參數設置如表2所列。整個二極管在半絕緣GaAs 襯底(substrate)上，往上依次是重摻N 型GaAs 構成的緩沖層(buffer)、輕摻N 型GaAs 構成的外延層(epitaxial)和SiO2構成的鈍化層(passivation)。金屬陽極(anode)通過空氣橋(air-bridge)后穿過SiO2與外延層接觸，從而形成肖特基接觸。陰極(cathode)穿過鈍化層和外延層后與緩沖層接觸形成歐姆接觸。二極管陽極焊盤和陰極焊盤通常采用鉑金或鈦金制作，以防表面受到腐蝕并易于金絲、金帶鍵合裝配。

隨著頻率升高到毫米波高頻段，二極管尺寸和波長已經可以相比擬，二極管封裝將會對電磁分布產生較大影響，二極管封裝引入的高頻效應已不可忽略，因此需要建立充分考慮封裝寄生參數的二極管等效電路模型，深入和定量地研究二極管的寄生效應，找出影響二極管寄生效應的關鍵。根據肖特基二極管的平面結構圖、縱向物理結構及其物理參數設置，建立封裝形式的肖特基二極管三維電磁結構仿真模型如圖8所示，肖特基二極管等效電路模型如圖9所示。影響二極管寄生效應的5個關鍵尺寸有：二極管長度、二極管寬度、二極管厚度、空氣橋寬度和溝道長度。通過控制變量法，研究這5個關鍵尺寸對寄生效應的影響。

圖8 肖特基二極管三維電磁仿真結構模型Fig.8 3D EM simulation model of Schottky diode

圖9 肖特基二極管等效電路模型Fig.9 Equivalent circuit model of Schottky diode

在對整流二極管精確建模之后便可以進行W頻段高效整流天線設計，主要通過設計W頻段高效接收天線單元及陣列、低損耗波導-微帶轉換、高效整流電路等組件，完成整流天線的集成設計。在集成設計中考慮采用高效率復數阻抗匹配濾波天線，將整流電路直接與接收天線共軛匹配，且具備諧波抑制功能，避免使用額外的濾波器和匹配網絡，減小損耗，提高接收整流效率。

3 結論

從毫米波高頻段無線能量傳輸技術的發展和航天器間無線能量傳輸系統的具體需求牽引出發，提出了新的研究設想以及在特定時間特定位置優化傳輸效率的新目標，力圖解決在發射功率、收發天線尺寸受限情況下如何得到可用輸出功率的問題，可為未來實現航天器間無線能量傳輸打下技術基礎。