无线能量传输的核心功率器部件挑战与进展

李 军,杨 飞,殷 康,朱光耀,于洪喜

(1.中国空间技术研究院,北京 100089;2.中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

无线能量传输技术是指能量以电磁波的形式从发射端传输到接收端。自1899年特斯拉实验证明了赫兹的无线电波传输理论以来[1],无线传能技术受到重视并得到快速发展。空间太阳能电站计划[2]的提出及规划更加激发了无线能量传输技术的发展[3-5]。空间远距离大容量无线能量传输技术是支撑国家能源战略和碳达峰、碳中和的重要发展途径,是我国重大航天工程跨越式发展的重要标志,是我国空天技术在更高功率、更大口径以及军民融合方面全面突破的重要途径,更是引领空间微波技术颠覆式创新的重要契机[6-7]。其广泛应用于空间太阳能电站、平流层太阳能电站、子母卫星编队、深空探测长距离供电等场景中,是解决多项重大科技挑战中能量传输的重要技术途径。

无线能量传输的核心功率器部件是无线传能系统中功耗、能耗的最大载体,也是实现高效率、高功率、高集成无线能量传输的关键。高功率微波发射、高效率微波整流是共性核心技术,其中高效率微波整流是区别于传统无线系统的专项技术。以5.8 GHz为例,目前功率发射的直流-微波转换效率约70%,是空间太阳能电站效率转换的瓶颈,制约着整个系统效率的提升[8]。整流电路数量大、种类多,5.8 GHz整流接收的微波-直流转换效率约70%,是制约接收阵列效率的关键[9]。而功率发射、整流电路因其热耗、数量、重量、尺寸占比最大,也成为发射、接收阵列实现的关键。

国内目前开展的无线能量传输对核心功率器部件需求如表1所列。可以看出,目前频率主要集中在2.45 GHz和5.8 GHz两个频段,发射和整流均有分布式和集中式两种体制。前者依赖于固态功率放大和整流部件,如晶体管和二极管,后者则更偏向于电真空器件,如磁控管和回旋波整流管。

表1 核心功率器部件需求表

本文章节安排如下:第1节对无线能量传输中的核心器部件——功率放大器和整流电路的研究现状开展论述;第2节重点开展无线能量传输中的核心功率器部件面临的学术、技术挑战及解决途径;第3节结合空间太阳能电站整体规划,提出核心功率器部件的发展策略和路线建议;第4节给出总结与展望。

1 核心器部件研究现状

高功率微波发射、高效率微波整流是无线能量传输系统的核心,对其研究早在20世纪30年代便已开始,随着空间太阳能电站的提出逐渐成为学术界和工业界的研究热点。

1.1 高功率微波源

高功率微波源是无线能量传输中能耗、热耗的主要载体,是传能系统的效率瓶颈,也是发射系统附加值最高的组成部分,高功率、高效率、高功率密度比是其关键指标。按照核心器件形态,可分为固态功率放大器[10-28]、行波管放大器[29-35]、速调管放大器[36-38]、磁控管放大器[39-45]等,不同类型的微波功率源在功率量级、效率、频段、成本上各有优劣,具体如图1所示。

图1 微波源功率及频率覆盖

1.1.1 固态功率放大器

早期基于砷化镓(gallium arsenide,GaAs)器件的固态功率放大器受限于输出功率和效率,主要应用在低频段及中等功率领域。随着第三代半导体氮化镓(gallium nitride,GaN)“一日千里”的快速发展,固态功放成为了微波功率部件的研究热点。如图2所示,相较于GaAs器件,GaN器件的工作电压、输出功率、效率以及能够承受的工作温度均有大幅提升,同时具有和GaAs同样优良的高频特性。

图2 GaN Vs GaAs

不同于通信及雷达领域,无线传能系统中固态功放的研究重点主要集中在提高效率和功率[10-28]。基于开关模式(E、F类)[10-15]、高次谐波阻抗控制[16-20]、波形赋形[21]、非线性寄生参数补偿[22]以及低损耗内匹配合成[24-27]等技术,固态功放性能日臻完善。单模块维度在效率方面,典型研究成果如东京通信大学报道的基于高次谐波控制的GaN功放,在5.65 GHz,功率附加效率79%,输出功率2.13 W[18],如图3所示。在功率方面,2.45 GHz连续波功率最高的模块可达450 W[23],C波段可达340 W[24]。在35 GHz毫米波段,20 W的高功率密度GaN芯片是分布式微波能量发射系统的核心器件[25]。

图3 GaN高效功放模块

整机维度,从功率上:国外L频段400 W,C频段100 W连续波固放已在轨应用;国内L频段220 W[26]连续波功放已在轨应用;从效率上:L波段整机效率高于60%,C频段高于50%[27];从频率上:Q频段及以上频段产品逐步上星应用[28]。

1.1.2 行波管功率放大器

行波管放大器历来是星载高频段、高功率放大器的主选方案[29-30],主要应用于宽带通信卫星中,但由于高昂的价格以及老化效应,作为无线能量传输的大功率放大器鲜有报道,后续可作为集中式功率源的备选方案。

目前,星载行波管已覆盖L～W频段,正在向太赫兹频段突破。功率方面:L/S频段为250 W～500 W,Ku/Ka频段为200 W[31-32],功率可调行波管也取得了技术突破[33-34];效率方面:高压电源效率达到94%,Ka频段行波管达到62%[32];频率方面:Q以上等高频段产品逐步上星应用[35];集成方面:微波功率模块,双行波管放大器开始工程化研制应用,如图4所示。

图4 微波功率模块和双行波管放大器

1.1.3 速调管放大器

速调管放大器是一种基于速度-密度调制原理将电子束能量转换为微波能量的真空电子器件[36],如图5所示。具有高效率,大功率等优点,是目前平均功率最高的微波功率器件,在通信、高能粒子加速器、雷达、电子对抗等工业和国防领域得到了广泛应用[37-38]。如表2所列,给出了国外星载速调管放大器典型产品的技术指标,其平均功率大于10千瓦,效率高于40%。国内在星载速调管放大器领域的研究起步较晚,但也取得了一定技术积累,目前正在开展千瓦级空间速调管放大器的相关研制工作,后续可作为集中式高功率微波源主选方案。

图5 速调管放大器

表2 国外速调管放大器性能

1.1.4 磁控管放大器

磁控管是一种结构简单而效率较高的自振荡器件[39],借助于磁场和电子束的相互作用产生大功率微波信号[40],广泛应用于雷达、导航和工业微波加热[41]。日本学者研究表明,在SPORTS(Space Power Radio Transmission)项目中,2.45 GHz和5.8 GHz磁控管直流到射频的转换效率最高可达80%[42-44],国内目前在C频段的输出功率可达500 kW,效率优于45%[45]。磁控管的成本较低,作为集中式高功率微波源地面验证的重要手段备受青睐。

1.2 高效率微波整流

高效率微波整流涵盖二极管、三极管和电真空器件整流等专业分支,在接收阵列中价值占比最高,是微波-直流转换效率的决定因素,且种类繁多,与应用场景紧耦合。高效率微波整流是区别于传统无线通信、导航、数传等系统的专项技术,不同类型的整流器件其功率及频率覆盖如图6所示。功率覆盖毫瓦至千瓦量级,频率覆盖1 GHz～100 GHz频段。

图6 整流器件功率及频率覆盖

1.2.1 二极管整流

二极管整流技术可以追溯到20世纪70年代,基于金属-半导体结的肖特基二极管进入微波频段,作为主要的非线性器件,应用于整流,混频,倍频等电路,其原理如图7(a)所示。二极管整流与分布式微波无线传能接收系统匹配度高,因此,研究热度高、技术途径多[46-58]。早期经过优化的肖特基二极管其整流效率可达到80%～90%,但由于其应用的局限性,并未大规模生产,因此,目前大部分研究仍基于商用普通器件。

图7 二极管整流原理及技术途径

二极管整流存在的问题主要是功率容量低,高效动态范围小,对直流负载要求高等,围绕这些问题,形成了多条技术途径,如图7(b)所示。为了提高效率,采用谐波阻抗匹配技术[46-49];为了拓展频率,采用双频设计[50-51];为了提高动态,采用压缩阻抗网络[52];为了适应输出阻抗变化,加入开关电源[53];为了提高功率,采用多个二极管串并联的形式[54]。除此之外,基于GaN的肖特基二极管在提升功率方面有明显的优势,且已成为学界研究的热点[55-57]。二极管整流近年来的研究成果汇总如图8所示,可见功率已接近25 dBm,效率也已超过80%。

图8 二极管整流性能指标

1.2.2 晶体管整流

晶体管栅极和源极之间是一个肖特基结,与二极管类似,具有整流功能。相比二极管,晶体管拥有更高的功率密度,GaN晶体管在S波段的功率容量可以达到百瓦量级,采用类似谐波阻抗控制[10-11]及波形赋形理论[21],可大幅提升整流效率,是学术研究前沿[59-70]。

如图9所示,晶体管整流技术基于时域反转对偶原理[59],同样经历了从GaAs向GaN器件的发展[60-61]。

图9 反转对偶原理及栅极自同步整流

早期的整流直接利用功放的逆形式[60-61],采用谐波阻抗控制设计E类或逆F类整流电路[62-64],研究表明,在2.14 GHz时效率大于70%[61]。为了进一步提高效率,参照同步整流技术[65-66],采用特定的相位调节电路,同时,对整流模式下的晶体管模型优化及IV曲线拓展[66-67],使得晶体管栅极和漏极同步开启,效率可提高至80%[69]。如表3所列给出了目前公开报道的基于GaN HEMT器件整流电路的典型性能。

表3 GaN晶体管整流典型性能

1.2.3 电真空器件整流

由于电真空器件陶瓷、金属结构高耐热特性,具有极大的天然功率容量,单器件可以实现百瓦至千瓦级整流,是大功率无线能量传输系统中整流器件的首选[71]。其中,回旋波整流器具有较高的注波互作用效率,可实现高效整流,如图10所示,得到了国际学者深入的理论和实验研究[72-74]。俄罗斯处于领先地位,莫斯科大学、伊斯托克公司均有大功率回旋整流器件的试验报道,典型性能如表4所列。

图10 回旋波整流器

表4 回旋波整流器性能

国内电真空整流器件的研究主要集中在理论研究和关键技术攻关阶段。电子科技大学开展了2.45 GHz、5.8 GHz回旋波整流器仿真设计和样机研制[72-73]。

2 面临的挑战与解决途径

2.1 效率

发射和整流是微波无线传能系统全链路效率提升关键,其占比最高、影响最大。

如图11所示,从阵面层面,采用梯度功放和整流,实现更低的旁瓣和更高的口径效率[75-76]。

图11 效率提升技术

如图12所示,从电路层面,采用减小导通角、谐波匹配和匹配空间扩展的方法,实现高效率功放;采用谐波匹配方法进行整流二极管、三极管电路的效率提升[77]。

图12 高效功放

2.2 柔性

电站储能受轨位、光照、储能电池阵状态影响而变化;负载需求受用电波峰、波谷变化影响,需在大动态输入情况下保持高效率。

发射方面,如图13所示,通过辅助功放对主功放的有源牵引特性,实现主功放在小功率输入的回退状态中实现高效率[78](电压摆幅保持最大)。

图13 峰值变化及有源负载牵引

整流方面,通过引入阻抗压缩网络扩展高效率空间的输入动态范围[79],如图14所示;采用多支路(增加回收支路)以及合理串并联方案,提高直流合成效率,增强带载能力[50],如图15所示;采用定制的GaN肖特基二极管提高频率和功率[80];应用功率检测和闭环控制方案,实现大阵面功率分布变化时拓扑高效率适配[81]。

图14 阻抗压缩网络

图15 多支路整流电路

2.3 集成

高密度阵列集成是解决传能系统大功率、大口径需求与单个功放、整流能力不足的必然途径。GEO轨道GW级发射阵列口径达2 000 m,在轨展开/组装及高功率密度有源阵面亟须攻关。

在模块级:采用多芯片组成、低温共烧陶瓷、系统级封装等技术,实现高功率密度比;在组件级:采用有源、无源融合,机电热一体化设计,实现部组件小型化;在阵面级:采用通道、天线、电池一体化集成思路,并采用小型化封装天线解决与天线共形难题。同时,需攻克数百米大口径天线阵在轨展开、组装技术以及高热耗、大热流散热技术。

2.4 公用

GEO MW级电站必然面向多用户、覆盖多频段、实现多功能。这需要电站设计兼顾不同频率适应不同航天器、不同功率面向不同负载需求。以星船为例,频率应在C-X频段;而无人机则因其尺寸小、能耗低,更多考虑高频段传能供电;空间太阳能电站到地面大型电站的传能则以高功率(MW、GW量级)、低频率(S或C频段)为主要特征;深空探测远距离能力传输需要兼顾功率需求(百瓦量级)和口径尺寸限制(发射难度),虽以激光方案为主,但微波无线传能仍作为重要方案且备受关注。

同时,馈电方式也与应用场景紧耦合:反射面一般用于集中功率发射,单通道发射功率高,多采用速调管、行波管、高功率GaN固放等微波源;相控阵则采用分布式发射方式,主用基于GaN的高效率发射组件,适用于捷变灵活跟踪传能。

2.5 鲁棒性

大规模空间太阳能电站对于发射和整流的鲁棒性提出了极高要求。

发射阵面采用功率分级可有效提升发射口径效率,但对功率的准确度和稳定性提出更高要求;同时,同级功率放大器的功率、相位、效率一致性对于发射阵面功率汇聚能力至关重要。特别是功率放大器在温度变化、输入激励变化和功率动态调配过程中的一致性和适应性,以及阵面互耦引起的有源驻波恶化导致的功率放大器输出负载偏离最佳工作点等因素,是发射阵面面临的重要工程挑战。

一般而言,超大规模接收阵面功率密度分布差别巨大,往往需要采用多种整流电路以适应不同输入射频功率和输出直流功率。即使如此,受工程实现及入射功率动态变化约束,整流电路也很难工作在最佳工作点,而其性能又与负载特性紧密相连,且功率二极管等器件极易因匹配不良而烧毁,这给直流汇流带来巨大挑战。采用合理串并联方案,提高直流合成效率,增强带载能力,且应用功率检测和闭环控制方式,实现大阵面功率分布变化时拓扑高效率和高可靠适配,是整流电路一体化设计的重要议题。

2.6 寿命与可靠性

建站难度大、周期长、投资高且空间环境复杂,在轨可维修性低。这些因素决定了空间太阳能电站必须高可靠、长寿命,才能满足性价比要求。首先,要充分考虑电压、电流、功率、热、结温等设计参数的降额;其次,要做好长寿命、高可靠地面验证工作;最后,要做好空间特殊效应的防护工作,如空间辐射、充放电、中性大气以及碎片撞击等防护措施。

3 发展规划

3.1 产品与技术规划

为了满足空间能量传输系统对于功率器部件的需求,需从产品和技术维度开展规划并汇总,如表5所列。

表5 无线能力传输中的核心功率器部件规划

从产品类型和形态上,以基于固态功放和固态整流的分布式发射及整流为主,频率选择上,考虑到实际器件的效率和功率,以2.4 GHz/5.8 GHz为主。同时,为了发挥电真空器件在高频和大功率方面的优势,在高功率发射方面,考虑以Ka频段200 W行波管,2.45 GHz的1 kW速调管为核心器件的集中发射方案为补充;在整流方面,还需开展回旋管整流器件的相关研究。

3.2 关键产品与技术梳理与建议

基于以上产品和技术规划,梳理出关键产品及技术如下。

1)高功率发射产品及技术:开展5.8 GHz高效率(峰值效率75%)、高功率(100 W)、高动态(10 dB)固态功放技术及产品攻关;开展16通道瓦片式发射阵列(单通道功率大于20 W)关键技术攻关;

2)高效率整流产品及技术:开展5.8 GHz的15 dB动态、70%峰值效率整流电路技术攻关;开展超大口径整流阵面汇流控制及算法研究;开展电真空器件整流基础理论研究、关键技术突破和样品实验验证;

3)共性技术:开展从芯片到模块、组件、平台多层级热控技术攻关;同时,与百米天线融合,推进在轨展开、组装技术攻关;除此之外,还需开展超大口径太阳能电站在轨可靠性相关的研究及验证工作。

3.3 产品与技术路线图

根据我国太空电站发展建议,结合以上产品及技术规划,形成如图16所示的产品及技术发展路线图。

图16 产品与技术路线图

1)固态器件功率、效率继续提升,包括GaN功放效率提升、二极管整流效率提升、晶体管整流功率提升等,突破单路S频段200 W,C频段100 W高效发射组件及20 W晶体管整流部件;

2)形成完备的放大、整流产品型谱,开展高密度集成发射接收阵列研制与验证;

3)开展子阵在轨应用验证,主要是核心功率部件的在轨应用状态监测,超大口径在轨展开组装技术突破与验证。

4 结论

效率+:持之以恒地提升固态微波功率源和整流电路效率,解决无线功率传输核心瓶颈效率问题。

专业+:形成固态为主、真空互辅的微波发射、整流布局;对功率器部件柔性、多频、集成、可靠等关键指标开展专项攻关,解决拿来即用、用则好用的问题。

传能+:开展顶层规划,构建公用硬件平台,实现通信、对抗(微波高能武器)、天基雷达(辐射源)等功能[82],梳理空间多功能电站中功率放大器的线性、脉冲调制等附加功能与性能要求,并形成攻关目标与路径。

通过上述措施,有力支撑我国MW和GW级空间太阳能电站战略目标的实现。