太空电站主体建设启动，规模达10GW

（一）太空发电及电力发送部分

本部分由电池板、磁控管组件、发射天线及电缆等构成。

1.电池板

太空电池选用原则：

1）选用薄膜太阳电池，效率15％以上。

2）比功率W／kg性能指标大。

3）能在150℃以上稳定工作。

4）抗辐照能力强。

5）寿命在30年以上。

可供选择的有非晶硅、微晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒薄膜太阳电池。在太空中已使用过的有单结砷化镓、双结铝砷化镓／砷化镓。硅电池在高温下不能有效地工作。表14-5为太空用太阳电池。

表14-5 太空用太阳电池

（续）

采用铜铟镓硒（CIGS），电池效率15％基体材料（底板）聚酰亚胺，比功率（W／kg）1430，6993t，最大组件面积0.7m²，120W，83340000块，加辅助面积，总面积为67.2km²，8km×8.4km。采用三结砷化镓也可以，但比功率较小，如能改进，当首选该种电池。太空薄膜电池单件面积巨大，在地面上制造时大设备所需的高真空度难以达到，因此可考虑在太空建电池厂，在地面完成半成品加工后，运往地球同步轨道，薄膜沉积工艺放在太空中做。

2.磁控管组件的构成

5kW一组，2000000组，一组重15kg，30000t。之所以分为独立小功率并联发射，主要考虑大功率带来的电磁波危害较大，且发热严重。发送电力的天线要和地面的接收天线位置对准，因此，磁控管组件配有控制系统。

（1）磁控管。它能将直流电转换成微波，用特高频（2450MHz）功率放大管，将微波送到地面。多个小功率磁控管可进行并联。磁控管与市面上出售的微波炉所用的磁控管相似，量大，价格低，使用方便，可控制相位改变，输送功率。用磁控管（直流电-微波转换器）、发射天线（带散热功能）、相位和振幅控制管、放大器以及带反馈的驱动装置，组成一个微波发射阵列（MDA）。表14-6为磁控管特性。

表14-6 磁控管特性

表14-7为1～10GHz频率的微波传输损耗。

表14-7 1～10GHz频率的微波传输损耗

（2）直流电-微波转换器（波形磁控管）直流电-微波转换器由定子、转子及永久磁铁组成，永久磁铁在纸面和垂直方向建立磁场，转子中输入直流电，转子在磁力推动下转动，合成磁场通过喇叭天线边转动边增幅发送出去。图14-12为直流电-微波转换器。

3.发射天线

有两种发射天线可供选择：

特制的石墨天线板。圆形板，既可作天线，又可当散热板。该材料在100～300℃时，热传导率比铜高2倍，密度却为铜的1／2.5，是理想的散热材料。

图14-12 直流电-微波转换器

图14-13 喇叭天线

喇叭天线。喇叭天线是使用最广泛的一类微波天线，喇叭天线的基本形式是把圆波导管或矩形波导管的开口面逐渐扩展而成，称为喇叭，是一种面天线。图14-13为喇叭天线。波导管开口面是逐渐扩大的，改善了波导与自由空间的匹配，使得波导中的反射系数小，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射的能量很小。喇叭天线结构简单和方向图易于控制，最常见的是用作反射面的馈源：大型射电望远镜的馈源，卫星地面站的反射面天线馈源，喇叭—抛物反射面天线具有频带宽、副瓣低和效率高等特性，常用于微波中继通信；相控阵的单元天线；在天线测量中，喇叭天线常用作对其他高增益天线进行校准和增益测试的通用标准等。当它用作独立天线时，一般都加上校正相位的反射面或透镜，而透镜因其重量较重和结构复杂等原因，已很少用作喇叭的相位校正。

（1）喇叭天线分类

1）圆波导馈电的喇叭一般是圆锥喇叭。

2）矩形波导馈电的喇叭根据扩展的形式不同分为三种喇叭，即E面扇形喇叭（扩展其窄边形成）；H面扇形喇叭（扩展其宽边形成）；和角锥喇叭（其宽边、窄边均扩展而形成）。

3）TEM喇叭。

4）脊波导喇叭等。(www.xing528.com)

（2）喇叭天线的分析方法

1）解内问题：求口径面上的电磁场分布。

喇叭的渐变扩展部分也可看做是波导，与分析波导中场分布时把波导看做无限长波导一样，首先也是把喇叭看做一无限长渐变波导，由麦氏方程出发，求边值问题。用分离变量法求解喇叭渐变波导中的电磁场表示，然后把实际的有限长喇叭口面上的电磁场，看做无限长喇叭在同一截面上的电磁场。这样的近似，忽略了喇叭口面所产生的反射波及高次模，这将带来一定的误差。但是，喇叭口的反射系数不大，而高次模又相对较弱，在工程上，这点误差可忽略。口面场则由喇叭的口面尺寸与传播波型所决定。可用几何绕射理论计算喇叭壁对辐射的影响，从而使计算方向图与实测值在直到远旁瓣处都能较好地吻合。它的辐射特性由口面的尺寸与场分布决定，而阻抗由喇叭的颈部（始端不连续处）和口面的反射决定。当喇叭长度一定时，若使喇叭张角逐渐增大，则口面尺寸与二次方相位差也同时加大，但增益并不和口面尺寸同步增加，而有一个其增益为最大值的口面尺寸，具有这样尺寸的喇叭就叫做最佳喇叭。

2）解外问题：由喇叭口径面上的场分布求远场。

圆锥喇叭和角锥喇叭传播的是球面波，而在一个面（E或H面）张开的扇形喇叭中传播的则是柱面波。喇叭口面场是具有二次方相位差的场，二次方相位差的大小与喇叭的长度和口面大小有关。

为了扩展喇叭的频带，必须减小喇叭颈处与口面处的反射。口面尺寸加大，则反射减小。此外，把波导与喇叭的过渡段尽量做得平滑些，也可以减小该处的反射。由于该位置附近的喇叭尺寸还很小，因此，不能传播高次模，一般都传输单模。为了控制辐射方向图，有时口面上需要多模场分布，这时应在喇叭内适当位置引入能产生高次模的器件。这种喇叭叫做多模喇叭，可用作单脉冲雷达或高效率天线馈源。由于各模在喇叭内的相速不同，多模喇叭的频带比常规喇叭的要窄。

（3）天线及结构件 一组重10kg，20000t。

4.电缆

高导母线，105kg／km。一组30m，60000000m，6300t。

（二）运输

根据太空的工作环境及运输量，确定具体的太空运输工具。我国已具备地球同步轨道的运输能力。表14-8为10GW太空光伏电站太空部分重量。

表14-8 10GW太空光伏电站太空部分重量

（三）电池板的安装

太空中电池板安装是在失重状态下，面积大，10GW电池板总面积为67.2km²，8km×8.4km。人工安装难度较大，时间长，因此要用自动放板机械进行安装，自动送出、展开、定位、接线。

太空垃圾会碰撞电池板，星际灰尘会粘在电池板上，对于无人值守的太空电站是一个破坏，要有预防的措施。

（四）太空电力的接收

1）电池板与发射系统组成一个10GW光伏电站卫星，与地球同步运动，地面设置一个接收点，接收点面积为25km²，发射系统发射出23kW／m²电力密度，地面接收点的电力密度见表14-9。

表14-9 地面接收点的电力密度

在太空中发射的电力密度虽然大，但地面周边的电力密度却很低，在人畜安全指标内（美国定为10mW／cm²）。发射和接收二者要协调，太空中的定向发射装置如操作不当或设置不妥，都会影响输电效率，甚至会使地面接收不到全部电力，因此，要使太阳电池阵始终对太阳定向，发射天线的微波束指向地面的接收天线，由反馈系统确认位置无误，再发出电力输出指令。

2）接收天线。接收天线由对称振子和二极管组合而成。图14-14为接收天线。对称振子产生高频电流，二极管用于检波用。接收后可直接将微波转为直流电引出。该天线无需冷却，也没有污染。如将网孔的大小设计到适当的尺寸，可完全阻断微波射线，保证天线下面充分安全。适当的网孔尺寸要多次试验才能确定。

图14-14 接收天线

大功率的微波能量传输需要天线阵来实现，因为单个天线只能整流几瓦的能量。对通常的相控阵（phased array）天线，天线互联和相位分配是个问题。硅整流二极管天线阵的问题不同，因为它们是通过直流电的相位而非微波相位来连接的。

当串联或并联两个硅整流二极管天线时，它们不会在其最佳输出功率下工作，且功率之和要小于各自单独运行的功率和。这是由射频-直流电的转换效率特性决定的。理论和实验已证明串联天线的总功率衰减要大于并联天线的总功率衰减。

太空电站需要直径超过千米的硅整流二极管天线阵，而目前的实验项目不多。东京大学开发了由2304个单元组成的3.54m×3.2m的天线阵用于地对地实验。另一个是神户大学和通信研究院开发的2.7m×3.4m天线阵用于无燃料飞船的试验研究。这些项目与太空电站需要的天线阵还有很大距离。大规模硅整流二极管天线阵需进一步研究。

3）由于发射器与接收器之间有相对移动，准确识别接收器以及高效的形成波束是非常重要的。太空功率传输需要应用逆向反射系统。角形发射器是最常见的逆向反射系统，它由相互垂直顶点相接的金属薄片组成，入射信号与原方向相反被反射回。范阿塔天线阵同样也是基本的逆向反射系统，该天线阵由与阵列几何中心对称且由同样长度传输线连接的多对天线组成，工作时，阵列中每一对天线单元的一个天线单元（1、2）接收的信号被与它成对的另外一个天线单位（1’、2’）再辐射出去。通常阵元数为偶数。图14-15为四单元范阿塔天线阵。

逆向反射实现的条件是相位共轭，即阵列的每个端口接收的相位和发射的相位共轭。范阿塔天线阵之所以具有逆向反射功能，主要是因为其互为成对的阵元，使其空间位置对称而满足广义相位共轭。

目标的信号被接收再以共轭相位沿反方向发射信号，目标的信号称为先导信号，通常使用振荡器发射频率为先导信号两倍的本机振荡信号作为返回信号，准确度取决于先导信号与返回信号频率的稳定。

逆向反射系统通过相位共轭回路、同一目标识别与波束形成。有些方法将对先导信号的识别与波束形成分开，即软件逆向反射，利用计算机对先导信号的相位信息进行计算，得到天线阵列的最佳相位及振幅分布，利用软件逆向反射可以自由形成波束，但所有天线需要变相器。目标识别之后需要形成精确的波束，算法很多，如神经网络法、遗传算法、多目标优化等。对形成的波束有多种要求，如抑制旁瓣等级、提高波束的接收效率、生成多个功率的波束等。无论波束是靠软件还是共轭回路形成，波束相位和频率的标准对于控制微波束瞄准目标区域非常重要，信号（比如本机振荡信号）的相位和频率的标准不同，则无法形成对指定区域的微波束。对于范围超过公里，由数以亿计的同一相位阵列，最好使用一种本机振荡器，但是实际上很难做到。更好的办法是将振荡器分组组成子相阵列，使它们彼此同步。该方法已有一些尝试，如无线同步。目前的精度频率可低于0.6×10^－6，相位差在3.5°以内。

（五）太空电力的地面传送

太空电力的地面传送系统由汇流箱、直流柜、电缆、逆变器、交流柜、变压器及架空线等构成。太空电力必须要并入电网才能发挥效益，接受地点的选址很重要。一是周边无人居住，二是已建有足够大的智能网站，可将电力送往终端用户。青海格尔木市已具备该条件，有18万km²的沙漠地，建有750kV的高压变电站。

图14-15 四单元范阿塔天线阵