一种空间毫米波无线输能系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间毫米波无线输能系统，其包含：速调管电源；连续发射毫米波速调管，连接速调管电源；毫米波发射天线，输入端连接毫米波速调管；接收天线阵列，设置在自由空间内，与毫米波发射天线对应设置，其包含至少一个接收天线；整流电路，输入端连接接收天线阵列的输出端；直流功率合成电路，输入端连接整流电路的输出端；三端口变换器，输入端连接直流功率合成电路的输出端；负载，输入端连接三端变换器的输出端；蓄电池，连接三端口变换器。其优点是：采用毫米波波段进行无线输能，实现了高距径比能量传输，克服了传统微波输能系统需要装配发射/接收天线的体积和重量过大而产生的实用性不足问题。

A space millimeter wave wireless energy transmission system

The invention discloses a space millimeter wave wireless energy transmission system, which includes a klystron power supply, a continuous transmission millimeter wave klystron, a klystron power supply, a millimeter wave transmitting antenna, a millimeter wave klystron connected to the input end, a receiving antenna array, set in free space, corresponding to the millimeter wave transmitting antenna. It includes at least one receiving antenna; the rectifier circuit, the input end connected to the output terminal of the receiving antenna array; the DC power synthesis circuit, the input end connected to the output end of the rectifier circuit; the three port converter, the input end connected to the output end of the DC power synthesis circuit; the load, the input end connected to the output end of the three end converter; storage The battery is connected to the three port converter. Its advantages are: using the millimeter wave section to carry out wireless energy transmission and achieve high distance to diameter ratio energy transmission, and overcome the problem that the traditional microwave energy transmission system needs to assemble the launch / receive antenna with too large volume and too large weight.

【技术实现步骤摘要】
一种空间毫米波无线输能系统
本专利技术涉及能源中的微波无线输能系统
，具体涉及一种空间毫米波无线输能系统。
技术介绍
早在上世纪六十年代，人们就基于微波输能技术提出了太阳能空间发电站的概念。在太阳能空间发电站领域，国外做了大量研究，与传统的输能方式相比，微波输能技术有其独特的优势，例如，无需传输介质，速度快、损耗小以及易于重新布局等等。但是，传统波段的微波输能系统由于频率较低，其发射/接收天线阵列提及巨大，重达数吨，实用性不强。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种空间毫米波无线输能系统，采用Ka毫米波波段进行无线输能，实现了高距径比能量传输，解决了传输距离与天线口径间的瓶颈，克服了传统微波输能系统需要装配发射/接收天线的体积和重量过大而产生的实用性不足问题。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种空间毫米波无线输能系统，其特征是，包含：速调管电源，具有恒流输入以及多路高电压输出，用于测试连续发射毫米波速调管的功能以及对其进行微波功率发生；连续发射毫米波速调管，连接速调管电源，用于产生毫米波能量；毫米波发射天线，输入端连接毫米波速调管，用于将毫米波发射到自由空间；接收天线阵列，设置在自由空间内，与毫米波发射天线对应设置，用于接收射频信号，其包含至少一个接收天线；整流电路，输入端连接接收天线阵列的输出端；直流功率合成电路，输入端连接整流电路的输出端，将多路不同电压的整流电路高效合成为一路直流输出；三端口变换器，输入端连接直流功率合成电路的输出端，以适应空间使用并完成直流功率合成电路、蓄电池和负载的功率管理和充放电控制；负载，输入端连接三端变换器的输出端；蓄电池，连接三端口变换器。上述的空间毫米波无线输能系统，其中：毫米波发射天线采用高透波拓扑架构材料的远距离点汇聚技术设计实现，以提高毫米波的传输效率并减小毫米波发射/接收阵列面积；接收天线阵列采用分区分子阵设计以及天线共形设计，以提高毫米波的整流接收效率；整流电路内的整流器采用GaN材料制备而成，以提高毫米波的整流效率。上述的空间毫米波无线输能系统，其中：每路接收天线均对应连接一个最大功率跟踪电路，以实现每路接收天线的最大功率输出。上述的空间毫米波无线输能系统，其中：通过电子能量回收、高功率密度高效散热、高功率密度电子光学、高功率容量输出窗的优化实现毫米波速调管高功率连续输出。上述的空间毫米波无线输能系统，其中：接收天线阵列以及整流电路构成整流天线；整流天线采用剖面低、重量轻的平面印刷技术实现；整流天线由接收天线、整流二极管、输入端低通或带通滤波器、输出端直流滤波器以及阻抗匹配网络组成。上述的空间毫米波无线输能系统，其中：最大功率跟踪电路设置在直流功率合成电路中，并设计成芯片的形式就近安装于对应的接收天线的输出端；接收天线、最大功率跟踪电路以及直流功率合成电路进行一体化设计，以实现接收天线输出端的大规模直流合成。上述的空间毫米波无线输能系统，其中：所述的空间毫米波无线输能系统在Ka波段下进行无线输能。上述的空间毫米波无线输能系统，其中：所述的空间毫米波无线输能系统在35GHz毫米波波段下进行无线输能。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：采用Ka毫米波波段（27~40GHz）下进行无线输能，尤其在35GHz下，实现了高距径比能量传输，使微波能传输效率最大化，解决了传输距离与天线口径间的瓶颈，同时减小配套天线的体积和重量，克服了传统微波输能系统需要装配发射/接收天线的体积和重量过大而产生的实用性不足问题；对空间毫米波无线输能系统的空间应用进行了设计，使其适用于空间远场无线输能领域。附图说明图1为本专利技术的系统框图；图2为本专利技术的实施例中的Ka波段连续波速调管的结构示意图；图3为本专利技术的实施例中的馈源喇叭式毫米波发射天线的外形图；图4为本专利技术的实施例中的馈源喇叭式毫米波发射天线的透射阵设计图；图5为本专利技术的实施例中的分区分子阵整流分布示意图；图6为本专利技术的实施例中的单路天线最大功率跟踪原理图；图7为本专利技术的实施例中的大规模直流合成示意图；图8为本专利技术的实施例中的三端口变换器的工作原理图。具体实施方式以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本专利技术做进一步阐述。如图1所示，本专利技术提出一种空间毫米波无线输能系统，在Ka波段下进行无线输能，较佳的，在35GHz毫米波波段下进行，该空间毫米波无线输能系统包含：速调管电源1，具有恒流输入以及多路高电压输出，用于测试连续发射毫米波速调管的功能以及对其进行微波功率发生；连续发射毫米波速调管2，连接速调管电源1，用于产生毫米波能量，本实施例中，连续发射毫米波速调管2采用全金属陶瓷结构，由电子枪、高频互作用段、高功率输出窗、收集极、钛泵等部件经氩弧焊连接后真空排气密封而成；毫米波发射天线3，输入端连接连续发射毫米波速调管2，用于将毫米波发射到自由空间，且较佳的，综合考虑技术指标和已有技术基础，连续发射毫米波速调管2采用单注方案以满足高稳定性、高可靠性的要求，采用5腔高频段方案以满足高效率的要求，采用横波导输出方式满足结构和外Q调节的需要，采用永磁聚焦方式满足体积小、重量轻的要求，本实施例中采用的是Ka波段连续发射毫米波速调管1，其三维结构（含聚焦磁钢）如图2所示；接收天线阵列4，设置在自由空间内与毫米波发射天线3的对应设置，用于接收射频信号，其包含至少一个接收天线；整流电路9，输入端连接接收天线阵列的输出端；直流功率合成电路5，输入端连接整流电路9的输出端，将多路不同电压的整流电路9高效合成为一路直流输出；三端口变换器6，输入端连接直流功率合成电路5的输出端，以适应空间使用并完成直流功率合成电路5、蓄电池8和负载7的功率管理和充放电控制，如图8所示；负载7，输入端连接三端变换器的输出端；蓄电池8，连接三端口变换器6。相比传统的系统架构，本专利技术的系统的突出优点在于：在三端口变换器6任意两个端口之间为单级功率变换，系统变换效率高；器件及电路复用，功能集成，重量轻，功率密度高；整体统一功率管理控制，能量利用效率高，控制性能和稳定性高。本实施例中，所述连续发射毫米波速调管2的收集极电性能设计采用EGUN、CST等电子光学计算软件完成。根据电子注在输出腔间隙段和收集极区域的发散状态，用ANSYS热计算软件计算其热分布状态，合理设计输出段漂移区和收集极的形状及其冷却系统的结构，从而实现连续波速调管高效大功率输出。即通过电子能量回收、高功率密度高效散热、高功率密度电子光学、高功率容量输出窗的优化实现毫米波速调管2高功率连续输出。本实施例中，毫米波发射天线3采用高透波拓扑架构材料的远距离点汇聚技术设计实现，以提高毫米波的传输效率并减小毫米波发射/接收阵列面积；整流电路9内的整流器采用GaN材料制备而成，以提高毫米波的整流效率。其中，具体的毫米波发射天线3采用透射阵方式，喇叭天线作为馈源天线，采用黄铜制作，具体形状如图3所示，喇叭天线法兰采用FBE320形式；介质透镜用来对端口面的幅度和相位进行调节，以实现想要的波束汇聚效果。空馈天线能够避免复杂的馈电网络，大大减少能量的损耗。透射阵天线形式如图4所示。介质透镜采用3D打印技术进行加工，精度可以达到0.1mm，透镜的形状任意，加工方便，成本较低。采用低损耗的介质材料，减本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间毫米波无线输能系统，其特征在于，包含：速调管电源，具有恒流输入以及多路高电压输出，用于测试连续发射毫米波速调管的功能以及对其进行微波功率发生；连续发射毫米波速调管，连接速调管电源，用于产生毫米波能量；毫米波发射天线，输入端连接毫米波速调管，用于将毫米波发射到自由空间；接收天线阵列，设置在自由空间内，与毫米波发射天线对应设置，用于接收射频信号，其包含至少一个接收天线；整流电路，输入端连接接收天线阵列的输出端；直流功率合成电路，输入端连接整流电路的输出端，将多路不同电压的整流电路高效合成为一路直流输出；三端口变换器，输入端连接直流功率合成电路的输出端，以适应空间使用并完成直流功率合成电路、蓄电池和负载的功率管理和充放电控制；负载，输入端连接三端变换器的输出端；蓄电池，连接三端口变换器。

【技术特征摘要】
1.一种空间毫米波无线输能系统，其特征在于，包含：速调管电源，具有恒流输入以及多路高电压输出，用于测试连续发射毫米波速调管的功能以及对其进行微波功率发生；连续发射毫米波速调管，连接速调管电源，用于产生毫米波能量；毫米波发射天线，输入端连接毫米波速调管，用于将毫米波发射到自由空间；接收天线阵列，设置在自由空间内，与毫米波发射天线对应设置，用于接收射频信号，其包含至少一个接收天线；整流电路，输入端连接接收天线阵列的输出端；直流功率合成电路，输入端连接整流电路的输出端，将多路不同电压的整流电路高效合成为一路直流输出；三端口变换器，输入端连接直流功率合成电路的输出端，以适应空间使用并完成直流功率合成电路、蓄电池和负载的功率管理和充放电控制；负载，输入端连接三端变换器的输出端；蓄电池，连接三端口变换器。2.如权利要求1所述的空间毫米波无线输能系统，其特征在于：毫米波发射天线采用高透波拓扑架构材料的远距离点汇聚技术设计实现，以提高毫米波的传输效率并减小毫米波发射/接收阵列面积；接收天线阵列采用分区分子阵设计以及天线共形设计，以提高毫米波的整流接收效率；整流电路内的整流器采用GaN材料制备而成，以提高毫米波的整流效率。3.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：何小斌，蓝剑宇，谢伟，黄军，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31