空间太阳能电站微波发射天线的小型化设计

发布时间：2020-05-25 08:22

【摘要】：空间太阳能电站(SSPS)是一个巨大的绿色能源系统,其在太空中收集太阳能,然后将太阳能转换为电能,最后将电能以微波形式通过发射天线传输到地球。在现有的GW级SSPS方案中,相控阵微波发射天线存在尺寸巨大、质量上万吨、馈电网络复杂等问题,导致发射、建造成本极高,工程实现难度极大,严重地制约SSPS的工程化实现进程。为此,本文提出一种SSPS微波发射天线的小型化设计方案,在保证波束收集效率的前提下利用较小口径的天线得到窄波束,减轻天线质量。首先,提出一种基于平面反射阵天线和平面聚焦透镜的SSPS微波发射天线方案,发射天线系统由模块化设计拼装的平面反射阵-平面透镜一体化结构、喇叭阵列馈源、连接桁架三部分组成,馈源发出的微波经过透镜汇聚-反射阵反射-透镜聚焦最终形成极窄的波束,将能量汇聚在接收平面。本方案具有制造组装方便、无需复杂的馈电网络、质量轻、口径小的优点。其次,以天线质量轻、馈电网络简单、辐射效率高为出发点,按照SSPS小型化微波发射天线800:1的缩比尺寸,设计了可全相响应的反射相移单元,并按照抛物面相位分布组成阵列。随后设计了满足方向图要求的喇叭馈源,建立平面反射阵天线的仿真模型。仿真结果显示平面反射阵对馈源发射的微波汇聚效果明显,天线总效率达75.2%,达到了减轻质量,简化馈电网络的目的。然后,在不增加天线口径尺寸的前提下,以压缩波束宽度并保证较高的波束收集效率为出发点,设计了低插损、质量轻的平面聚焦透镜,并与平面反射阵天线共同组成SSPS小型化微波发射天线的缩比仿真模型,仿真结果显示经透镜聚焦后半功率波束宽度压缩比例达46%。对于相同的波束宽度,缩比模型的口径面积仅是平面阵列天线面积的51%,在保证90%以上的波束收集效率的前提下接收天线的面积可大幅缩减。缩比模型质量密度仅为4.89kg/m~2,实现了小型化和轻量化。并分析了支撑梁分布对一体化平面结构模态的影响。最后,基于电磁标量绕射理论计算了本方案提出的GW级SSPS小型化微波发射天线的聚焦场,并进一步计算了发射天线的方向图和波束收集效率,结果表明相同的天线口径经过透镜聚焦后波束宽度得到了大幅压缩,依据压窄后的波束宽度相应地减小地面接收面积,波束收集效率仍高于90%,验证了方案的有效性。并与国际上典型的SSPS微波发射天线方案进行了对比,本方案在轻量化和小型化方面具有明显优势。
【图文】：

概念图,方案

图1.4 太阳塔 SSPS 方案概念图空间太阳能电站（ALPHA SSPS）方案A 前工程师 John C. Mankins 提出 ALPHA SSP高度模块化的设计思想，系统各部分组件可以大行组装，，这大幅度减小了工程实现难度，并有光反射镜、“三明治”夹层结构（包括光伏电池、者的桁架结构组成，收集太阳能时，实时调整各在全时态下将太阳光反射至“三明治”结构上，但复杂，另外 “三明治”结构存在严重的热问题。

太阳塔,概念图,方案

由此造成控制系统复杂且各个圆盘之间相互遮挡，为避免圆盘间的遮挡需增加圆盘间的纵向间距，导致传输线缆过长，质量巨大。图1.4 太阳塔 SSPS 方案概念图c）任意相控阵空间太阳能电站（ALPHA SSPS）方案2012 年，NASA 前工程师 John C. Mankins 提出 ALPHA SSPS 方案[11]，如图 1.5所示。该方案采用高度模块化的设计思想，系统各部分组件可以大规模采用模块化生产的方式，然后进行组装，这大幅度减小了工程实现难度，并有利于减少建造成本。系统由酒杯状太阳光反射镜、“三明治”夹层结构（包括光伏电池、能量转换装置和发射天线）和连接两者的桁架结构组成，收集太阳能时，实时调整各个反射镜而无需调整整体的姿态便可在全时态下将太阳光反射至“三明治”结构上，但控制数千个反射镜导致控制系统十分复杂，另外 “三明治”结构存在严重的热问题。图1.5 ALPHASSPS 方案概念图（2）日本空间太阳能电站研究现状日本对 SSPS 的概念设计起步较早
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN827.1;TM615

【参考文献】