毕业论文-微波无线能量传输

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEIII-微波无线能量传输摘要随着工业的发展和科技的进步，人们对能量的无线传输有了更多的需求。传统的能量传输方式大多通过导线或插座将电能传输到终端产品。这种传输方式会带来摩擦，易产生电火花等问题，从而影响电气设备的安全可靠性。而无线能量传输技术能使我们摆脱传统的能量传输方式，通过微波、电磁感应、电磁共振等多种形式实现非接触式的新型能量传输。文章首先讲述了无线能量传输技术的发展背景，叙述了现有理论框架下的三种无线能量传输技术，并比较了三种技术的特点和应用领域。然后，重点介绍了微波无线能量传输，通过阐述其理论基础从而引入了整流天线的概念，进而介绍了当前的几种整流天线。本文还对无线能量传输在电力系统中的关键技术进行了介绍，最后，文章对微波输电在将来生产生活中的运用作设想，简要叙述了卫星太阳能电站的概念,特别强调了微波输电技术和建造卫星太阳能电站的科学技术意义和深远的战略意义，展望其在倡导低碳生活和节约资源的将来的广阔前景。无线能量传输技术的发展与发电、用电及整个社会的发展和要求密切相关，并且相互促进。随着各项基础理论技术的发展、可再生能源全面开发和电力市场的发展与完善，对廉价高品质电能和电网运行及用电的灵活可靠性要求进一步提高，无线能量传输方式将会在其适合的领域得到充分的发展。

关键词无线能量传输；微波；整流天线；电力系统；卫星太阳能电站MicrowaveWirelessPowerTransmissionAbstractWiththedevelopmentofindustryandtheprogressofscienceandtechnology,Peoplehavemoredemandofpowerwirelesstransmission.Electricitypowerwastransferredtotheloadbythewireandplugintraditionalpowertransmissionmode.Thismodewillbringoutmanyproblems,suchasfrictionandspark,insecurityandbadreliabilityofelectricequipment.Wirelesspowertransmission(WPT)technologyneednotrelyonthewireandplug,anditcanrealizeelectricpowertransmissionbythewaysofmicrowavetechnology，electro-magneticinduction,andelectro-magneticresonances.Thestudysituation,threekindsofwirelesspowertransmissiontechnologiesareintroducedindetailinthispaper.Furthermore,thecharactersandapplicationfieldsofthesewirelesspowertransmissiontechnologiesareanalyzedandcompared.Then,thepaperfocusesonthemicrowavewirelessenergytransmission,throughitstheoreticalbasisandpaperintroducedtheconceptofrectifierantenna,andthenintroducesthecurrentseveralrectifierantenna.Thispaperalsotothewirelessenergytransmissioninthepowersystemofthekeytechnologyareintroduced,finally,thispapergivesanintroductionofmicrowavetransmissionofmicrowavetransmissionprinciple,andtheapplicationofproductionandlifeinthefutureforideas,brieflydiscussestheconceptofsatellitesolarpower,withparticularemphasisonthemicrowavetransmissiontechnologyandbuildthesatellitesolarpowerscienceandtechnologymeaningandprofoundstrategicsignificance;Forecastitsinadvocatinglowcarbonlifeandsaveresourcesfutureandbroadprospects.Transmissiontechnologydevelopmentandpower,electricityandthewholesocietyiscloselyrelatedtothedevelopmentandrequirements,andpromoteeachother.Alongwiththedevelopmentoftechnology,basictheoryandoveralldevelopmentofrenewableenergytopowermarketdevelopmentandperfectionofcheap,highqualitypowerandpowergridoperationandtheflexibleelectricityrequirementofreliabilityfurtherimproved,andmicrowavetransmissionsystemwillbeinitssuitoftheareastobefullydevelopment.

KeywordsWirelessPowerTransmission；Microwave；Rectenna；PowerSystem；SatelliteSolarPowerPAGEII---PAGEV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1无线能量传输的背景意义 11.2无线能量传输的发展史 21.3本课题主要内容 4第2章无线能量传输的原理和实现方式 52.1无线能量传输原理及特点 52.1.1电磁能量在空间的传播 52.1.2电磁能量的发射与接收 62.1.3天线的方向性函数D 72.1.4无线能量传输特点 82.2无线能量传输的实现方式分类 92.2.1微波无线能量传输技术 92.2.2电磁感应式无线能量传输技术 102.2.3磁耦合谐振式无线能量传输技术 10第3章微波无线能量传输 133.1微波无线能量空间传输理论基础 133.1.1微波无线能量传输空间传输理论 133.1.2频率的选择 153.1.3微波能量发生器 153.1.4微波无线电能传输的收发天线实例 163.2整流天线技术的介绍 173.2.1整流天线的工作原理 173.2.2双频偶极子整流天线 183.2.3贴片整流天线 193.2.4扇形整流天线 193.2.5一种5.8GHz新颖混合结构的整流天线 203.3电力系统中无线能量传输的关键技术 223.3.1高性能天线 233.3.2微波源 253.3.3微波接收整流设备 25第4章微波无线能量传输发展前景 264.1运用微波无线能量传输技术建卫星太阳能电站 264.1.1卫星太阳能电站 264.1.2建造卫星太阳能电站技术经济性估价 274.1.3卫星太阳能电站的微波传输系统 274.1.4卫星太阳能电站的关键问题 284.2微波无线能量传输的优势 294.3微波无线能量传输与电力传输无线化 304.4美好前景 31总结 33致谢 34参考文献 35附录 38-PAGE10--PAGE32-绪论无线能量传输的背景意义所谓无线能量传输(WirelessPowertransmission———WPT)就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术[1]。无线能量传输方式分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应可用于低功率、近距离传输；电磁共振适于中等功率、中等距离传输；电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。非接触电能传输一直是人类的一个梦想，自从十九世纪四十年代人们发现了电磁感应定律，国内外很多科学家便开始着手于对无线技术的研究。目前，无线通信技术已有了很大的发展，有无线电波、微波、蓝牙和红外线等传输方式。但是，能量的无线传输发展却进展缓慢，当前的电力传输几乎都需要金属导线的连接，导线连接的供电方式虽然有连接简单、传输效率高的优势，但是也存在不可避免的缺点。首先，导线输电不但需要负担昂贵的电线电缆费用，而且增加了布线的繁琐，并且导线占用了大量的空间，使得需要电力支持的电力电子设备的摆放受到影响[2]。当前的电气设备一般采用插头和插座接触供电，这样的传输方式存在裸露导线，并且会有摩擦及磨损，因此，容易产生接触火花，影响电力设备的安全性、可靠性及使用寿命，同时，不良的电气接触还造成电阻温度极高，容易引发火灾，电气开关也易造成拉弧的危险[3]；在给运动电力设备提供电能时，通常采用接触供电，但是这种供电方式有不安全裸露导线、滑动摩损、积碳和接触火花等缺点；在采矿、化工等易燃、易爆的领域，导线连接接触供电容易因接触摩擦而产生电火花，引起爆炸；在水下作业时，接触供电易发生漏电、触电事故[4,5]；对孤立的岛屿或山头供电时，因导线连接困难，也很难实现有线供电。电线充斥在我们的生活当中，错综复杂的连接方式给我们带来很大的不便，长距离的输电线路占用了大量的空间，这样的情形究竟能否被改变？在上述情形下,无线输电便愈发显得重要和迫切,因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。在无线输电方面，我国的研究才刚刚起步，较欧美落后。在此旨在阐述当前的技术进展，分析无线输电原理，为我国在无线输电方面的深入研究提供参考。无线能量传输的发展史最早产生无线能量传输设想的是尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)，因而有人称之为无线能量传输之父。1890年，特斯拉就做了无线能量传输试验。特斯拉构想的无线能量传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。最终因财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现[6]。其后，古博(Goubau)、施瓦固(Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。20世纪20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda发明了可用于无线能量传输的定向天线，又称为八木—宇田天线。20世纪60年代初期雷声公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)做了大量的无线能量传输研究工作，从而奠定了无线能量传输的实验基础，使这一概念变成了现实[7]。在这个实验中，直流电被转化成400瓦特频率为2.45GHz的微波，再通过一个直径为2.8米的椭圆形反射镜聚焦至7.4米外的椭圆接收器的焦点并被接收，收集到的微波能量再被转换成104瓦特的直流电，总的传输效率(直流——直流)达到了13%-15%，但尽管此实验中将微波转换成直流电的装置达到了50%的效率，它的使用寿命相当短，并不适合于实际应用。图1-1微波供电直升飞机简图在1964年，雷声公司(Raytheon)进行了微波供电直升飞机实验，如图1-1所示。系统的接收端采用了一种新的微波——直流电转换器件——硅整流二极管天线。其原理是将接收天线划分成小的区域，每个区域天线收集微波能量，用整流二极管将其转换成直流电。在接下来的几十年里，重量更轻，输出功率更大的硅整流二极管天线被不断研制出来，接收端微波——直流转换效率也大大提高了。1975年，微波能量传输系统的传输总效率提高到了54%，其直流输出功率为495瓦特，频率2446MHz同年，在Mojay沙漠进行的微波成形束能量传输实验，频率为2388MHz的微波能量有84%被硅整流天线阵列接收并转换为30KW的直流能量，用来点亮天线前端的灯泡阵列[8]。到1975年，完整的无线能量传输理论和技术体系的建立，为其在太空及各方面的应用奠定了坚实的基础。70年代，美国首次论证了空间太阳能发电卫星技术可行性，并建立了5GW的空间太阳能电站参考系统[9]。经过多年的研究和发展，各国在5GW空间太阳能电站参考系统基础上提出的空间太阳能电站的系统方案已有很多。有望在世界最先建立的空间太阳能电站是日本1994年研究的太阳能发电卫星PS-2000。该发电卫星是一演示系统，系统设计简单，尽量采用了最廉价的材料和组件，发电效率并不高，它不是最佳的实用发电系统方案。为了重新考虑空间太阳能电站的可行性，美国宇航局于1995-1997年间，进行了两年的FreshLook项目研究。在约30种系统方案中，确定了两种最有效的太阳能电站系统设想，即所谓的“太阳塔”和“太阳盘”。[9]1991年，华盛顿ARCO电力技术公司使用频率35GHz的毫米波，整流天线的转换效率为72%。1993年以后每年召开国际WPT研讨会。2001年5月，留尼汪岛上召开了WPT国际会议，根据会议制定的纲要，工作频率在2.45GHz的磁控管将用于波动传输。1998年，5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率为82%。前苏联在无线能量传输方面也进行了大量的研究。莫斯科大学与微波公司合作，研制出了一系列无线能量传输器件，其中包括无线能量传输的关键器件———快回旋电子束波微波整流器[10]。图1-22007年美国麻省理工学院的研究人员用两米外的一个电源“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡近几年，无线能量传输发展更是迅速。Wildcharge、Powercast、SplashPower、东京大学，相继开发出非接触式充电器。MIT在2007年6月宣布，利用电磁共振成功地点亮了一个离电源约2m远的60W电灯泡,这项技术被称为WiTricity，如图1-2所示。该研究小组在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡。2010年，日本富士通公司利用电磁谐振无线能量传输技术实现为一个以上的设备充电，如图1-3所示。实验结果显示无线传输距离大约在15厘米左右，而且对多个设备充电时，设备相对于充电器的位置没有任何限制。采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的一百五十分之一。图1-3日本富士通公司无线电能传输技术为一个以上的设备充电本课题主要内容本文通过查阅大量文献和资料，对微波无线能量传输进行了详细的介绍。主要介绍内容如下：（1）本文首先介绍了无线能量传输的概念，阐述了无线能量传输的背景意义及其发展史。（2）第二章着重介绍无线能量传输的原理及其分类方式，分别阐述了微波无线能量传输，电磁感应无线能量传输，磁耦合式谐振无线能量传输。（3）通过阐述微波无线能量传输的原理，进而介绍了整流天线，并且列举了当前的几种类型的整流天线，同时也对电力系统中的无线能量传输的关键技术进行了介绍。（4）本文最后对微波无线能量传输的前景进行了展望，主要介绍了卫星太阳能电站对此技术的应用。无线能量传输的原理和实现方式无线能量传输原理及特点无线能量传输的理论基础是法拉第的电磁感应定律：当线圈处于变化的磁场中时，线圈中会有感应电流产生，感应电流的大小和线圈内磁场变化的速率成正比。能量传输系统的总体结构分两大部分：能量的传输和能量接收后的处理。系统总体结构为：功率源——发射天线——接收天线——整流、滤波——组合输出。电磁能量在空间的传播1．电磁波的产生电流可以产生磁场，而变化的磁场同样可以产生电场，这就形成的电磁场。变化的电磁场间存在耦合，以波的形式存在于空间，这就是电磁波。电磁波虽然看不见摸不着，但是他无时无刻不存在于我们的周围，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波。2．空间传播规律电磁波的传播过程就是能量传播的过程，高频时电磁波可以在自由空间内传递。假设自由空间为无缘空间，媒质是各向同性、线性和均匀，可以得到电磁波动方程：（2-1）（2-2）图2-1电磁波电场强度和磁场强度随时间变化波形环境在无限大的均匀理想介质中，电磁波电场强度和磁场强度随时间做正弦变化（如图2-1所示）：（1）相速等于波速（2）场量的幅值与x和f无关3．能量流动问题与分析电场能量储存在电场中，磁场能量储存在磁场中，电磁场为电、磁场的耦合，既有电场能量又有磁场能量。（2-3）坡印亭定理给出了电磁能量和电磁场量之间的一般关系，反映了电磁能量符合自然界物质运动过程中能量守恒和转化定律：（2-4）电磁能量的发射与接收天线是一种专门的电磁波辐射器，是无线能量传输的中枢结构。1．天线的辐射功率在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均值称为天线的辐射功率。在球面，单位面积上通过的功率密度就是坡印亭矢量S，则：（2-5）经过面积dS的功率：（2-6）将代入得：（2-7）以单元偶极子天线为例，有：(2-8)(2-9)(2-10)所以可以得辐射功率：(2-11)其中I为流经的电流，为单元偶极子的长度。2．天线辐射电阻将辐射功率视为一个电阻吸收的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流的有效值，则称这个电阻为天线的辐射电阻。可得单元偶极子的辐射电阻：(2-12)表征了天线辐射电磁能量的能力，其值越大，辐射能力越强。3．天线的方向性函数对于任何天线，在空间的电场公式均可写成:(2-13)表示天线方向性的振幅特；表示天线方向性的相位特性；称为天线的方向性函数，表达了天线的方向性特性。其不仅决定了场的大小也决定了场的相位。天线的方向性函数D天线的方向性系数D用来表示天线集中辐射能量的特性：(2-14)其物理意义为：天线的方向性使某方向的辐射功率密度比之均匀辐射时的倍数。1．对于天线方向性的求解为求方向性，我们可以将研究的天线与理想的辐射功率相等的点源做比较。对点源来说，其没有方向性，即(2-15)通过无穷小单位面的功率为：(2-16)所以辐射功率为：(2-17)为天线所在媒质的特性阻抗。所以可得：(2-18)在方向(2-19)所以可得：(2-20)所以在最大辐射方向上有：(2-21)2．天线的接收天线导体在空间电磁场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生电压并在接收机回路中产生电流，此过程是发射天线的逆过程。3．有效接收面积有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标：(2-22)接收天线在最佳状态下所接收的功率可以看成是被具有面积为有效接受面积的口面所截获的垂直入射波功率密度的总和。无线能量传输特点作为一种点对点的能量传输方式。无线能量传输具有以下特点：（1）能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的；（2）以光速传输能量；（3）能量传输方向可迅速变换；（4）在真空中传递能量无损耗；（5）波长较长时在大气中能量传递损耗很小；（6）能量传输不受地球引力差的影响；（7）工作在微波波段换能器可以很轻。这些特点绝大部分都是非常明显的。但是最后一个在空间应用中特别重要。在太空中，唯一的主要能源是太阳能。所有其它的能源，如燃料电池，电池组，核能，甚至可以吸收太阳能的天线阵列都必须克服重力才能传输到太空中。但是微波供能方式将主要的功率源置于地面。在太空中只留有占系统质量很小部分的滤波和整流设备，从而避免了这个缺点。无线能量传输的实现方式分类微波无线能量传输技术微波无线能量传输技术[11,12]，是利用微波转换装置将电能转换成微波，然后，天线将这些大功率的电磁波发射出去，经过自由空间，送到接收天线，最后，经微波转换装置转化为供人们利用的直流电流（如图2-2）。微波无线能量传输实现了远距离的无线能量传输，但是电磁波在空间传输效率很低，对于接收装置与发射装置的位置方向性要求也极强，并且能量传输不能跨越障碍物。早期的微波无线能量传输可追溯到十九世纪末，HeinrichHertz于1888年首次演示了500MHz脉冲能量的产生和传输[13]，他的实验由于当时缺乏将微波转换为直流电的装置而未能成功。但是，他的实验对于电磁波理论的发展及麦克斯韦方程中体现电磁波理论认识和证明有着重要意义。现代意义上的微波无线能量传输起源于二十世纪六十年代，美国Raytheon公司的工程师WilliamC.Brown设计了硅控整流二极管天线，即一种新型微波—直流电转换器，其原理是将收集的微波转换成直流电[14,15]。1968年，美国工程师PeterGlaser设想了空间太阳能发电，即在地球外层空间建立太阳能发电站，电能通过微波形式传输到地球，然后通过整流天线把微波转换成直流电供人类使用[16]。1979年，美国能源部和美国航天局联合提出建立“SPS太阳能卫星基准系统”。到了九十年代，日本也加入了微波无线能量传输技术研究的队伍，并计划于2020年建造试验性太空太阳能发电站SPS2000，到2050年开始规模运行。图2-2微波方式无线能量传输示意图电磁感应式无线能量传输技术电磁感应式（非接触感应式）无线能量传输技术[17-21](InductivePowerTransfer)主要利用电磁感应原理，采用可分离变压器[22-25]或者疏松耦合变压器[26-29]方式实现能量的无线传输。图2-3为以疏松耦合变压器为中心的开环感应式无线能量传输示意图[30-32]，非接触电能传输系统利用疏松感应耦合系统和电力电子技术相结合的方法，实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接[33]。其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低由提高一次侧输入电源的频率加以补偿。理论和经验都表明：当原边电流频率、幅值越高，原、副边距离越小，与空气相比磁心周围介质的相对磁导率越大时，可分离式变压器的传输效率越高。但实际应用当中原副边距离不可能无限小，必须对原副边采取相应的补偿措施,这种无线电能传输效率较低。图2-3疏松式变压器原副线圈分离磁耦合谐振式无线能量传输技术2006年11月，美国麻省理工学院(MIT)教授MarinSoljacic在美国AIP工业论坛上第一次提出了磁耦合谐振式无线能量传输(Witricity)的概念。他认为，具有相同谐振频率的物体组成耦合谐振系统（如声音、电磁场、核子等），经常会产生“强耦合”运行状态，谐振体之间的能量交换会有很高的效率，所以提出了以时变磁场为耦合介质的谐振式无线能量传输[34]。2007年，美国麻省理工学院(MIT)研究小组进行了基本的实验验证，应用稀疏绕制的圆形螺线管作为无线能量传输的电磁谐振体。螺线管匝数n=5.25，直径d=60cm，导线线径a=6mm，螺线管高度h=20cm，螺线管绕线间的杂散电容充当谐振体的谐振电容，螺线管谐振频率f=9.9MHz，品质因数的理论值Q=2500，实际测量值Q’=950。磁耦合谐振式无线能量传输原理如图2-4所示。图2-4MIT磁耦合谐振式无线能量传输示意图单匝铜线环A作为驱动电路的一部分，为自谐振螺线管S提供高频磁场；螺线管D与S具有相同的参数且相隔一定的距离同轴放置，两个螺线管发生磁耦合谐振，实现能量源源不断地发送与接收；导线环B感应接收螺线管D周围磁场，并与负载（灯泡）连接。A、B的放置方向与S、D垂直，以免妨碍同轴放置的S和D的强耦合谐振。实验成功地将距离2.16m远的60w灯泡点亮，其能量传输效率可达40%，距离为1m时，传输效率将近90%。实验验证了磁耦合谐振式无线能量传输方式的可行性，实验装置图如图2-5，能量传输距离与效率曲线如图2-6。。图2-5MIT无线能量传输装置图美国内华达州雷电实验室的G.E.Leyh等，将电场耦合谐振无线能量传输实验装置研制成功，成功地将800W电力用无线的方式传输到5米远处[35]。东京大学的研究者TakehiroImura等提出，将磁耦合谐振无线能量传输技术应用于电动汽车充电系[36]。图2-6MIT无线能量传输效率与距离关系微波无线能量传输微波无线能量空间传输理论基础微波无线能量传输空间传输理论一个微波能量传输系统的几个基本组成部分如图3-1所示[37]。尽管各个部分各自的相关试验中分别都能达到最大的效率，却不能在一个完整的系统中同时实现各自的最大值。因此，目前已被实验证实的最大总效率为54%，如果能将各个部分的传输效率更好地匹配，总传输效率将有可能达到76%。图3-1微波能量传输系统框图点对点传输效率与传输参数τ密切相关[38]，两者关系如图3-2所示，τ定义为：(3-1)其中：At——发射天线孔径Ar——接受天线孔径τ——传输微波的波长D——发射和接受天线的间距由公式(3-1)，当假定发射天线孔径与接收天线孔径大小相等时，可得到一个关于天线孔径的简化表达式:(3-2)这个表达式说明天线孔径区域随波长的大小而变化，而不是它直径。图3-2参数与效率n的关系在接收区域大小有限同时又需要接收一个特别强烈的微波能量的情况下，可以应用以下的关系式：(3-3)其中——接受端微波照射功率密度；Pt——发射总功率；——发射天线孔径；λ——波长；D——间距；天线孔径上能量密度分布如图3-3所示：图3-3τ值下发射和接收天线孔径的相对截面能量密度分布其中，R是发射或接收天线半径，是辐射点至天线中心的距离。由图3-3可见电磁场扩展到接收器的边缘以外。频率的选择如果没有任何限制地为能量传输选择最佳频率，需要考虑如下的一些方面：（1）天线孔径大小；（2）频率对系统整体效率的影响；（3）与部件效率直接相关的散热问题；（4）恶劣气象条件下的可靠性问题；（5）现有可用元件的先进性；（6）所选频率对其他电磁波谱的影响；除了天线孔径及对其他频谱的影响两因素外，以上其他所有因素均以选择较低频率为宜。对于一些类似于太阳能卫星方面的应用，需要考虑到大气层对微波传输的影响(图3-4)[49]，因此也以采用低频居多。但事实上，可供选择的微波频率相当有限，目前所用的频率均属于ISM(工业，科技，农用)频段，分别为2.4~2.5GHz，5.8~5.9GHz，24.125GHz。图3-4不同大气条件下微波能量传输效率与频率的关系微波能量发生器在微波电力传输的发送系统中，电能必须在系统的发送终端转换成微波能量。附有外部被动电路的微波炉电磁管作为一个锁相、高增益的放大器，可以直接用于构成相控阵天线的辐射模块[40][41]，从而实现了这个功能。为了减少发送出来的微波形成的噪声，这些直流供电的微波炉电磁管采用了独特内部反馈机制。微波无线电能传输的收发天线实例无线能量传输接收天线用的是整流天线，它是专门为了微波电能传输而设计和发展起来的[42]。就像名称所表示的，这种天线包括了天线和整流器的功能，能够实现能量收集、谐波抑制和整流。它的简单形式包括了一系列的整流天线元件，每个元件有一个半波偶极子连结一个低通滤波器并用一个整流二极管做终结器。二极管的输出流入一个公共的直流总线，然后这些总线可以以串行或并行的方式连在一起与负载匹配。整流天线有很多种形式，图3-5所示的电路可以制成窄片格式，应用于空间能量供应1181。它的改进形式曾成功的应用于一个加拿大小组研制的微波供能飞机上。图3-5两平面硅整流天线前向面功能示意图在空间应用中，工作于2.45GHz的发送天线是主动相控阵雷达，阵列由具有高增益锁相放大器的发射模块组成，这些放大器为一个裂缝波导阵列天线提供微波能量。图3-6所示的是一个向高空飞机或者太阳能卫星进行微波能量传输的天线方阵。图3-6向高空飞机或者太阳能卫星进行微波电能传输的天线方阵整流天线技术的介绍微波能量传输的核心是整流天线，整流天线的接收效率和转换效率直接影响系统性能。近些年来对整流天线的研究主要在缩小整流天线的物理尺寸，提高二极管的工作效率、天线接收微波能量的效率、整流天线的转换效率和入射波的频率上。随着二极管性能的不断提高和整流天线结构的不断优化，其微波—直流的转换效率可达到90%，另外微波传输的工作频率也在不断提高。由于不同频率的微波受大气层的衰减影响不同，过去的微波传输都倾向于采用2.45GHz的工作频率，因为该频率微波受大气影响衰减小，相关技术比较成熟。近年来，随着高频技术的发展，相关技术有了显著提高，采用更高工作频率可大大减小系统体积，从而可降低整个系统的成本。所以现在微波能量传输中常采用更高频率如5.8GHz、l0GHz、35GHz、94GHz甚至245GHz。另外为了不同场合的需要，研究人员提出了多种新颖结构的整流天线，例如可以工作在不同频段的双频偶极子整流天线，高能量的捕获效率的贴片整流天线，采用新颖的扇形天线可以缩减整流天线的体积等。整流天线的工作原理整流天线的功能是将自由空间中的微波能量接收并转化为直流电能。通常整流天线由四部分组成（如图3-7所示）：对称振子天线（dipoleantenna），用来接收空间电磁波能量并传输至馈线；低通滤波器（LPF），使工作频点的能量低插损通过，同时阻碍整流电路产生的二次及更高次谐波通过天线再次辐射到自由空间；整流二极管（Rectifierdiode），将射频能量转化为直流能量；直流滤波器（DCfilter），使直流能量以低插入损耗传输至负载，并阻碍基频以及由整流电路产生的二次及以上谐波的通过。由此整流电路产生的二次和高次谐波在低通滤波器和整流电路间来回反射、转换，提高了整流天线的效率。图3-7整流天线基本结构双频偶极子整流天线双频偶极子整流天线可以工作在不同的两个频段，在两个频率中选择其中一个进行能量传输。文献[43]介绍了一种工作在2.45GHz和5.8GHz的新型双频整流天线，其结构如图3-8所示。在2.45GHz和5.8GHz的工作频率下，由新型双频印刷偶极子天线和新型的CPS滤波器相连构成的整流天线的转换效率可分别达到84.4%和82.7%。图3-82.45GHz和5.8GHz双频整流天线贴片整流天线另外一种被广泛研究的整流天线是微带贴片整流天线。微带贴片整流天线具有质量轻，体积小，接收面积大，增益高，很容易实现所需要的极化形式，易于设计和加工的特点。文献[44]介绍的整流天线采用微带贴片天线作为接收天线。微带贴片天线采用嵌入式微带变馈电。这种馈电方式具有平面性，容易刻蚀，可以通过改变嵌入的几何尺寸调节输入阻抗。其系统结构如图3-9所示。天线的工作频率取为5.8GHz。系统最大接收整流效率达到了78.2%，直流输出功率达到了10~16MW。图3-95.8GHz微带贴片整流天线扇形整流天线扇形天线具有抑制谐波的特性，可以去掉接收天线和整流二极管之间的低通滤波器，能减小尺寸和降低成本。文献[45]介绍了一种以扇形天线(图3-10)作为接收天线来抑制谐波的整流天线，微带扇形天线的扇形角为240°，馈电角为30°，该天线可以有效地阻止由二极管产生的高阶谐波再辐射。同时在负载和二极管之间加了个低通滤波器，阻止高阶谐波进入负载。通过测试，扇形天线的增益为4.677dBi，其能有效地阻止谐波的再辐射。整流天线的输入能量为10dBm，负载为150Ω时转换效率达到最大为77.8%。图3-10扇形整流天线一种5.8GHz新颖混合结构的整流天线1．混合结构整流天线的结构整流天线采用最实用和最经济的单个二极管并联方式，它包括接收天线、输入滤波器、匹配电路、整流电路以及输出滤波等部分。工作频率为5.8GHz的微带与共面带线混合结构的接受整流天线刻录在聚四氟乙烯双面覆钢板基片上，基片厚为1.5mm，介电常数为2.55，损耗角正切值少于0.001，导带钢厚为0.035mm，微带面的顶面和地面是双面覆钢，共面带线只有顶面覆钢，结构与照片见图3-11。图3-11微带与共面带线混合结构整流天线结构与实物图微带贴片天线接受微波，微波电场与地垂直，经过低通滤波器与微带至共面带线转换器后，微波电场与共面带线平行，近似于准平面波，整流元器件二极管和电容摆放于共面带线的两侧，输出滤波器由电容和一定长度的共面带线组成，通过调整二极管后共面带线的长度，让二极管及其后端的电路发生谐振，从而只允许直流通阻止基波和高次谐波通过负载，这样，二极管产生的高次谐波被限制在输入和输出滤波器之间，以提高二极管的整流效率。2．接收天线与输入低通滤波器的设计微带贴片接收天线尺寸如图3-11所示，由于基片较厚，为不使微带线的宽度过大，降低系统损耗与效率，接收天线的输入阻抗取为100，采用侧馈馈电方式。由IE3D仿真软件[46]，得到当频率等于5.8GHz，宽w为1.12mm时，微带线的特性阻抗等于100，电长度对应的物理长度为9.26mm。为便于测量，将匹配变换器与50馈线一起光刻制作，单独测得天线在5.8GHz频率时的增益为5.9dBi。输入低通滤波器采用最简单的高低阻抗型结构，为和天线的输入阻抗保持一致，其输入和输出阻抗都取为100。由IE3D仿真得，当f=5.8GHz时，回波损耗；f=11.6GHz时，=-18.43dB；f=17.4GHz时，=-17.03dB；f=23.4GHz时，=-6.64dB；f=29GHz时，=-7.66dB，表明该低通滤波器能有效地抑制二次及高次谐波。3．微带至共面带线间的转换器的设计扇形接触面给共面带线和微带线的接地面之间提供足够的耦合，将微波电场从与地垂直变化成平行结构。转换器的谐振频率取决于扇形接触面的角度和半径。为减小损耗，提高转换器的性能指标，共面线的宽度w取得与微带线的宽度一致（1.12mm）根据二极管的尺寸，共面带线间的距离s取为1.5mm，由IE3D可知，对应共面带线的特性阻抗为197，电长度对应的物理长度为9.98mm。经IE3D优化，圆形弧线的角度取为，半径取为5.5mm，仿真表明该转换器在频率较低时具有非常好的转换功能，当f=5.8GHz时，转换器的，由于共面带线的特性阻抗等于197，加上微带至共面带线转换器后，测得天线的输入阻抗亦为197。4．系统匹配电路的设计随着输入信号的增大，二极管的非线性增强，特别是当反向电压较大时，非线性电容变小，从而提高了二极管的反向阻抗与整流转换效率，故从效率角度考虑，希望输入功率越大越好，但实际设计时需要考虑二极管能承受的最大反向电压的限制，而且二极管的输入阻抗随系统输入功率的变化而变化，故还得考虑系统匹配对二极管整流效率的影响。因此，需首先得出使二极管达到最大反向截止电压时，系统允许输入的最大功率，然后求得二极管及其对应电路的输入阻抗，再进行匹配电路的设计。这项工作可以借助高频仿真软件ADS2003C5．接收整流天线转换效率分析试验系统如图3-12所示，信号发生器Hp8673C的输出功率和频率可调，功率放大器的线性放大倍数为40dB，当输入功率大于3dBmW时，输出饱和功率43dBmW。从功放出来的高频微波经过高方向性的定向耦合器，耦合端衰减30dB后接Hp437B功率计，主端接口径为0.11m的标准增益方角锥喇叭天线，当频率为5.8GHz时，喇叭天线增益为16.6dBi，远区距离。由远区功率传输的傅里斯公式，有：（3-4）（3-5）式中：表示接收整流天线接收到的功率；表示发射天线发出的总功率；表示发射天线的功率增益；表示接收天线的功率增益；表示真空波长；R是位于发射天线的远区的发射和接收天线间的距离；表示总体接收整流效率；表示直流输出功率；为直流输出电压；为负载阻值。图3-12试验系统示意图电力系统中无线能量传输的关键技术在电力系统中应用无线能量传输技术，必须要考虑功率、效率等因素，为此相应的关键技术也是我们研究的重点．要使得微波能够有效的传输，必须保证发射天线能够发射方向性很集中、增益相对较高、信号的传输距离较远、抗干扰能力比较强、适合于远距离点对点传输的微波。对于电力系统中的无线能量传输，除了需要优良的天线性能以外，还需要大功率的微波源，而发射天线将大功率微波能量发送出去。此外，接收天线接收到高功率微波后，必须将其转化为基础的直流电，也必须有相应的高效设备。高性能天线1．近场天线通过对近场谐振式无线能量传输理论进行的研究发现，两个电磁线圈之间在一定条件下会产生渐消的磁场形式———几乎不向外辐射的高次方磁场，发射和接收线圈彼此处于对方的这种近场内，即可以形成磁场强耦合．目前的研究结果表明在几米的距离传输电网中的电力是可行的，而且比电磁感应式无线能量传输效率更高，也更加灵活。根据电磁场理论，近场的范围受辐射天线尺寸的限制，与其成正比关系，近场谐振式无线能量传输的距离也与天线尺寸成正比。2．高方向性天线一———八木宇田（Yagi-Uda）天线八木宇田天线简称八木天线，通常情况下一副八木天线有引向器、反射器、有源振子组成。八木天线如图3-13所示。八木天线的增益目前只有10～20dB，发散性还是比较强，目前还无法胜任远距离无线电能传输。图3-13八木天线示意图3．高方向性天线二——反射面天线以图3-14中抛物面反射天线[47]为例。它的工作原理与光学反射镜相似，是利用抛物反射面的聚焦特性。抛物面直径D和工作波长之比越大，则波束越窄，其半功率点宽度为：（3-6）并且，天线增益G与天线开口面（口径）几何面积A成正比，而与波长平方成反比。图3-14抛物面反射天线示意图反射面天线的增益G通常可以做到30～40dB，甚至更高．根据已有资料可知，对于反射面天线，现在可以将辐射功率的90％甚至更多包含在天线辐射方向图的主瓣中，因此这种天线可以作为我们需要的远程无线能量传输天线。对于接收天线接收到的功率，有如下公式：（3-7）（2）式中假定发射和接收天线彼此都朝对方指向得到最大增益。其中：Pr为接收天线接收到的功率；Pt为发射天线发射出来的功率；Gt为发射天线的增益；Gr为接收天线的增益；λ为微波的波长；R为发射和接收天线之间的距离；为发射天线的有效口径；为接收天线的有效口径；表达式为：（3-8）这里值得注意的是，天线的有效口径通常要比天线的物理口径小。（3-8）式称为Friis传输公式。由Friis公式可知，接收天线接收到的功率与发射天线的功率成正比，与天线的增益成正比，与距离的平方成反比。由此，可以通过提高增益来增加接收到的功率，而且发射和接收天线都可以影响接收功率。这种天线在应用中，关键是要把它们的主瓣宽度限制的很狭窄，这就需要寻找极大增加天线增益的方法。微波源目前针对大功率的微波源有如下器件：（1）磁控管：磁控管的典型效率值为40％，平均功率为数千瓦，曾经制造过高达25kW的连续波磁控管。（2）放大链发射机：放大链发射机与磁控管的根本不同在于，将低电平通过多级射频放大器后放大，其效率与磁控管类似。（3）射频放大管：比较成功的管型有速调管、行波管、正交场管和三极管、四极管等。其中，速调管的平均功率最大可达25~50kW，效率在30~40％，是最可靠的一种管型。（4）固态微波放大器：由于单个固态器件的输出功率是相当有限的，所以，在发射机中，从高功率的速调管、行波管、正交场放大管和磁控管到固态器件的转换速度是比较缓慢的，其效率只有20％左右。微波接收整流设备现在比较成熟的微波接收整流解决方式即为硅整流二极管天线Rectenna（Rectifyantenna的简称，见图3-15），它是由一个天线及高频整流电路所构成，高频整流电路能够将微波信号经由肖特基势垒二极管（Schottkybarrierdiode）整流成直流电源，作为无线功率传送研究的开端，目前发展出的Rectenna的有916.5MHz和2.45GHz频段，能够有效的将射频能量转成直流电源，以供充电或变频使用。图3-15Rectenna等效电路图微波无线能量传输发展前景运用微波无线能量传输技术建卫星太阳能电站卫星太阳能电站所谓卫星太阳能电站(SolarPowerSatellite简称SPS)，就是在高度为35800km的地球静止同步轨道上，用大面积的太阳能电池板把太阳能转变为直流电，或者用大面积的太阳能聚光镜把阳光汇聚起来作为热源，像地面热电厂一样发电，然后采用微波输电技术将电能发送到地面；地面站天线阵接收到电磁波能量并经微波或激光整流器后重新变成直流电，由变、配电设施供给用户，如图4-1图4-1空间卫星发电示意图人类争相开发利用空间资源必然会导致太空战争。地球上的初级能源和其他矿物的储量都是有限的，人类的生存和发展必将导致原材料的枯竭，未来无疑会利用太空资源(譬如月球上的资源)。因此，世界各国为了捍卫自己的权益、竭力争取优势和获得有利的地位，必然会导致太空战争。卫星太阳能电站一旦建成，即用于军事目的的可能性最大。据报道，美国将2025年建立太空军队，这是一个十分有力的事实根据。宇宙空间的超高真空状态为定向能武器提供了极好的环境条件，卫星太阳能电站可作为天基定向能武器系统的初级能源基地。要在空间建立武器基地，初级能源只能来自地球和宇宙空间。前者只可能是核燃料和应用微波输电技术传输的电磁能，后者只可能是太阳能和宇宙中其他至今未被发现或未被利用的能量。从技术经济的角度看，在宇宙空间中建造太阳能电站是最理想的选择。电站建成后，利用微波输电技术可以直接给天基武器系统馈电，以达到攻击空间和地面目标的目的。建造卫星太阳能电站技术经济性估价评价建造卫星太阳能电站的经济性取决于很多因素：电站的个数、装机容量、地面上能量供应状况、航天技术和微波技术的研究进展、太阳能电池的造价等。例如：建造第一个10GW的电站费用自然要高，因为大部分费用开支在科研、实验和试验上。如果第一个电站建造成功，后续电站的造价就低了。因此，为了估计电站的经济性，假定在空中建造100个功率为10GW的电站，这样可以对电站的尺寸、质量、造价、每度电的价格等进行较合理的计算。卫星太阳能电站的微波传输系统微波传输系统包括微波源、发射天线和地面接收天线、微波整流器、连接元件等。作为输电应用，首先要考虑微波源的能量转换效率。在厘米波段，磁控管和放大管的效率可分别达到90%和80%，而理论上效率最高的磁旋束管放大器可达到100%，放大系数无限大。旋束管放大器在俄罗斯研究了很多年，美国海军实验室现在也正在研究中。它不仅效率高，而且能够实现大功率倍频频率稳定度好，在加速器技术、多普勒雷达方面获得应用。若用于卫星太阳能电站，质量、体积、寿命等参数也是至关重要的。这是因为运载火箭、航天飞机的有效载荷约2.5%，质量、体积的增加会大大增加发射费用和难度。宇宙空间中背光一面的温度只有2.7K，而受阳光照射的器件表面温度较高，此外还有宇宙射线、陨石、航天垃圾等因素，所以在制造工艺方面有特殊的要求。空间电能输送采用相控阵发射天线，地面用柱面接收天线和缝隙天线。天线结构性能已研究得较多，发展变化不大，可以直接搬用已有的设计方案。相控阵天线通过改变相位和振幅使辐射的方向性增强，功率密度在波束的横截面上随半径按高斯分布，在地面接收天线阵的边缘降至人类安全辐射标准以下。考虑到电站的功率大、微波传输距离远，移相器应满足如下要求：(1)大功率工作时动作快；(2)线性相移；(3)插入损耗低、匹配良好；(4)用于移相管理的功率要小；(5)尺寸小、质量轻、造价廉。俄罗斯莫斯科大学研究发展了回旋波移相器，响应时间10ns能量损耗小于10%，控制电压在－600V～+600V之内变化时相移呈线性特性。用于太阳能电站，回旋波移相器的性能比半导体、铁氧体、行波管移相器优越。考虑到云霜雨雪等对电磁波的吸收和散射，大气层内的传输频率宜低于3GHz，最佳2.45GHz，这是免申请的科学、工业、医疗频段。在这一频段，即使是100～150mm/h降雨，雨水损耗约为3%～7%。如果频率再降低，雨衰减少，但天线的尺寸变大。自由空间微波能量传输效率取决于天线参数：(4-1)这里Ar、At——收发天线孔径的面积，D——收发天线之间的距离，λ——微波波长,τ越大传输效率越高，τ>2.5时能量传输效率接近100%。微波整流器是微波输电的关键器件，它把微波能量转变为直流电。已经研制成功的有回旋波微波整流器和肖特基势垒整流器二极管，在实际使用中各有千秋。前者单个器件较重,但是可输出10kW以上的大功率和20kV以上的高电压工作性能稳定，无高次谐波再辐射构成的干扰，具有微波过载自我保护特性；后者质量轻，但是单管输出的功率小(2W～6W)、电压低(10V～20V)、稳定性差，存在高次谐波再辐射构成的干扰。两者单管的整流效率相近，约85%。如果用于大功率整流，优先选择前者；若用于小功率输电，后者占有优势。譬如功率为10GW的卫星太阳能电站，要用数目约20亿个肖特基势垒整流器二极管，这将消耗大量的稀有材料，安装、连接、测试、维护也很费力；若用回旋波微波整流器，可以很好地回避这些问题。俄罗斯莫斯科大学宇宙能源动力学和物理电子学实验室长期从事微波输电的研究工作，与微波公司合作研制出了一系列回旋波微波整流器产品，已用于空间电能向地面传输实验试验和给低轨道军用卫星供电，并已出售给日本空间和宇宙科学研究所，在“自由号”国际空间站的日本模块上进行试验。卫星太阳能电站的关键问题卫星太阳能电站最关心的问题是：(1)微波输电与有线输电相比是否具有优势(即现在地面上的架空线路可否采用微波方式)；(2)卫星太阳能电站的技术经济性如何；(3)自由空间传输大功率电磁波对生态环境有无影响；(4)建造卫星太阳能电站花费多少资金。这些问题在很大程度上取决于相关学科领域的科技进步，而科技进步和技术难点的突破与政府科技部门的投资力度密切相关。输电工程最关心的是效率和经济性。微波输电的效率取决于微波源的效率、发射天线、接收天线的效率和微波整流器的效率，在Brown的实验中这四者的乘积达到54%。至于经济性如何，依赖于所用频段的微波元器件的价格与有线输电系统所用器材价格的比较，也与具体的输电网络的参数有关系。卫星太阳能电站的建造牵涉到航天、电子、材料、微波等领域。这项系统工程国外研究了很多年，已具备了相当宽广坚实的理论基础，积累了丰富的实践经验。主要的技术困难可能就是如何有效地将电站的建筑材料运送到空间，也就是如何提高运载火箭的有效载荷、降低造价和重复使用的问题。卫星太阳能电站的经济性与上述领域的技术成熟程度有关，也与在空间建造电站的装机容量有关(例如，造一10GW电站当然费用高，利用已掌握的技术再造100个就便宜多了)。现在地面初级能源还可供使用，但是等到初级能源耗尽以后，来自太阳能电站的电能也许是解决未来能源危机的主要途径，这样就没有更多的选择余地了。大功率定向电磁波从空间朝地面输送时对环境的考虑有：(1)传输多大的能流密度对电离层的扰动没有影响；(2)采用哪一个微波电频段对日常的通信不发生干扰；(3)地面整流接收站选在何处对飞机等交通工具及周围的生物体(如鸟类、居民等)没有不良作用；(4)地球静止同步轨道上建造大面积的电站对地面有无效应以及大量卫星发射产生的航天垃圾污染。实际上，这些与使用高功率微波时所考虑的效应是类似的，但是两者在工作方式和影响程度上有显著的差别。电站要保证连续运行，而高功率微波仅在必要时使用。高功率微波的功率在100MW以上，甚至达到1013W，而发射天线的口径又不大，因而能流密度很高。对于容量5GW的卫星太阳能电站，微波发射天线的口径约1km，能流沿波束截面按高斯分布，地面接收天线阵的面积约10km×13km，中心处最大能流密度被限制在25mW/，以防止对电离层的扰动，在整流天线边缘的能流密度已降低至1μm/以下，与广播台、电视塔附近的电磁辐射能流密度相近甚至更小，低于一般认可的人类微波照射安全标准1mW/。至于对通信的可能干扰，可以适当地选择频段和地面接收地点来避免。另外，真空电子管快回旋电子束波微波整流器整流时没有二次谐波的再辐射现象。微波无线能量传输的优势（1）在宇宙空间，微波是理想的传输媒介，它通过地球大气层时，损耗很低，仅为2％左右。微波输电使电力发、送、供、用的结构变得简单，不再向传统方式那般繁琐。（2）能改变因能源分布不均衡造成的输电不经济、不合理的状况，弥补地面电站、电网的分布不足，例如沙漠、海岛、偏僻的山区、待开发的南极大陆和北冰洋等，微波传送可为这些地方供电。（3）可在地球上空的静止轨道上建设定点卫星电站，充分利用太阳能发电，减少二氧化碳排放，有利于环境保护。建造卫星太阳能电站是摆脱未来能源危机的重要途径。尽管地球上大部分能源来自太阳能，但是它们主要靠植物进行转换，直接用于发电的微乎其微。因为在地球表面建造太阳能电站受到下列诸因素的限制：(a)地球表面的日照受昼夜、季节、天气和气候的影响特别大；(b)要占用大面积的土地；(c)难以使大面积的定日镜跟踪太阳；(d)易受灰尘的污染和风、霜、雨、雪的侵蚀；(e)太阳光穿过大气层时一部分能量被吸收掉，没有被地面的太阳能电站充分利用。因此，将太阳能电站建在宇宙空间自然是理想的选择。当然这也会带来其他的困难,譬如,电站建筑材料如何运往空间，空间平台的轨道和姿态如何保持，空间电能怎样往地面输送等一系列问题。在这种特殊的场合下，架设输电线路是不可能的，微波输电无疑是唯一的选择。微波无线能量传输与电力传输无线化在电力工业中，输变电设备是重要组成部分。由于品种繁多，用量极大，因此电力工业中用于输变电设备的投资一般都大大超过了发电设备的投资。据英、美、德等国统计，前者比后者多17～74%。一条长500公里，输送容量400兆瓦的线路。仅架空裸线就需优质金属4000多吨，悬式瓷绝缘子串14万个，还有数百个高压铁塔。据统计，每10兆瓦输电需90～1l0台高压断路器，250～300台隔离开关，320～400组高压熔断器，120～180吨高压电瓷产品。表4-1表4-1工业中辅电电压、窖量、距离及造价输电电压/kV1035110220330750输送距离km6～2020~50100～150200~30020~500600~1000输送容量MW0.2~22~1030~70120~250300~6001000~2000线路造价（万元/公里）0.3~0.61~1.83~48~10美国雷声公司l964年演示的微波供能飞行平台，就已经证明了利用电磁波在空间传输能量的可能性。空对地、地对空、空对空、地对地四种电磁波输能方式则要求大功率高效率不污染环境的输电。空对地：以美国为首的发达国家正在研究到外层空间索取太阳能的途径。计划在距地球35800公里的同步轨道上放置面积约为l00平方公里的太阳能电池阵列，加上自动控制，自动接收最大的日照量，可以不受气候影响地昼夜取得电能，然后将电能转换为微波，通过口径1公里的发射天线将微波发送回地球表面，地表接收天线面积为43平方公里。该系统设计容量为10000兆瓦，费用可高达数百至数千亿美元，但可工作l00年。若进一步改进技术，其发电成本可望达到目前轻水反应堆核发电站的几分之一，而且没有放射污染，不需要厂房、道路等一系列投资。有人估计，如果在地球同步轨道上每隔10公里放一颗10000兆瓦的太阳能卫星，组成一个太阳能电站链，则取得的太阳能电功率相当于l980年全球用电量的200倍，若设计100座这种电站，总发电量将占全球发电量的地对空：在地面将电能以电磁波的形式送至太空中的卫星、高空的无人侦察机或永久性平台。空对空：美国国家航空和航天局已经研究了在太空中用一颗母卫星向数公里外的多颗子卫星用微波供电的可能性。在真空中电磁波可无衰减地传播，因此工作频率可以很高，天线等设施则很小。地对地：由于受到地球曲率的限制，地面微波输电当前可应用于海岛、山顶等一些不便架设线路的场合。若在高空用微波供能的静止平台投入使用，则微波地面传输的距离可达数千公里。最近还有人构思了用数颗低轨卫星实现电能大转运的蓝图。人类对电能的应用从19世纪开始，至今已有100多年的历史疆过数代人大规模的苦心建设，当今的电力传输系统已具备了相当的规模。虽然在经济性、适用性上，地面大功率微波输电还不能马上同业已成熟的高压输电媲美，但至少已成为当前电力传输方式的一种有益的补充。而且，微波输电不局限于地面传输方式，它是一个广义的概念其方位的输电方式是对传统输电方式的有力挑战。美好前景利用微波传送电能结构比较简单，电价也必然大幅度下降。它能改变因能源资源不均衡而造成的电力输送不经济、不合理的状况，应用前景十分广阔。在经历了100多年的研究、发展，其过程大概是一个马鞍形。70年代后太阳能源卫星的研究开始激活了微波传送电能的研究。美国、日本、加拿大等国家的科学家纷纷对各种具体方法和应用进行了研究，使微波驱动飞机的传送距离从15m进到50m(SHARP试验)，证明无线传送电能是可能的。90年代以后，为推动技术的实用化，又提出了一些新的试验计划，如法国计划在Reunion岛上进行3km微波传送l00kW电能试验；美国也对同样规模的能量传输进行了地对空传送试验，并在阿拉斯加州进行微波传送电能到各分散的村庄进行试验，El本的空间和宇航科学研究所计划进行l0MW规模能量卫星的试验研究，其目的是向赤道国家传送电力，同时还利用一个能源卫星向空间轨道运行的用户馈送l00kW级电量的试验。除此之外，有些私营公司也打算开展微波传送电能的项目。发展实用化大功率能量传输将是今后很长一段时间的研究主要目标，目前可以展望到的有以下6个方面：（1）频率微波传送频率已发展到2.5GHz，使系统的传送能力提高了两个量级，若传送频率能提高到毫米波段，系统的传送能力将可提高两个量级，能量传送的距离也会更远，主要依赖于大功率的毫米波振荡管的进展。（2）距离目前能量传输的距离一般为几十米到150m。近期计划到3km，中、长期还需提高一个量级，以使传输功率从1～10kW，近期计划100kW。（3）天线采用高灵敏口径为3m的相控阵天线，地面的天线口径达4.5m，是当前的水平，同时利用计算机控制微波波束方向，下一步地面上天线口径还有增大一个量级的能力。（4）功耗目前微波直流转换装置中，每个转换单元承受功率是每片1W，子阵列可达2000多个，微波到直流的转换效率从40％提高到84％，下一步还需研究更大规模的微波直流转换装置，主要是提高承载功率。（5）干扰现在采选用2.45x109Hz微波时，对环境和生态影响不大，而对通信和雷达、射电天文干扰很大，这是一个极需解决的大问题。（6）理论研究继续开展大功率微波对空间等离子体环境影响和大气尘降物对大毫米波传播功率的影响等基础理论研究，对微波传送电能的安全性和有效性提供依据，同时还要继续开展太阳能卫星的研究，并用微波把太阳能传送到地球各地和地球外的空间。-PAGE10--PAGE48-总结随着无线能量传输技术的不断发展与成熟，不但使人们未来生活有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受由机场、车站、洒店多种场所提供的无线电力，还可用于一些重要领域，如电力系统和空间太阳能电站。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式都有一系列关键问题需要解决。如电能传输能量大小及效率问题，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害等等。微波输能是一个综合性的课题。它不仅包括与此直接有关的高功率微波产生、发射和接收等问题，而且还包括生态、环境、电磁兼容等许多相关学科。当前人们还在对高功率微波的产生、高效率传输、聚焦发射等核心课程进行研究。从目前的发展水平与趋势来看，微波输能必将本世纪的主要输能方式。国外成立了国际空间大学，其主要科学活动是研究如何利用空间太阳能。我国是一个人口大国，人均资源占有量很少，人均电量居世界第80位，如果不发展自己的产业，会在能源危机中步入困境。这是一项涉及到国家政府决策机关、科学技术领域和工业生产等部门的浩大的系统工程，需要各方鼎立相助、共同努力奋斗才能实现这一宏伟蓝图。它的大规模实施不仅解决了未来世界范围的能源供给问题，而且也是建立未来宇宙工业和人类超越地球的先决条件，同时也将极大地带动和促进相关高科技产业的发展，可能带来的社会经济效益是不可估量的。至于建造卫星太阳能电站技术上的难点，现在正在逐步努力地攻克。总之，微波输电技术与卫星太阳能电站是客观现实，而不是科学幻想。尽管具体实施起来要耗费巨大的资金，但从它所带来的社会经济效益和所具有的战略意义上分析是值得研究探讨的。另外，它与高功率微波技术密切相关，也许将来是高功率微波技术非常重要的研究方向和应用领域。致谢四年的大学生活即将过去，在本论文即将完成之时，我心中充满感恩，感谢学校给我提供很好的学习和生活环境，感谢老师、同学们对我学习上的帮助。首先，我要感谢的是我的论文导师，朱东柏教授。本课题从选题，到课题的研究，再到论文的撰写都是在朱东柏老师的悉心指导下完成的。朱老师渊博的知识、严谨的科学态度和敏锐的科学洞察力都给我留下了