微波功率传输效率链演化与分解

《Space Solar Power and Wireless Transmission》：Efficiency chain evolution and decomposition of microwave power transmission

　　

空间太阳能电站（SSPS）通常由空间太阳能卫星（SPS）与能量波束电站组成。微波功率传输（MPT）系统被视为SSPS的核心环节，连接空间段与地面段。MPT效率与空间光伏电池阵列的发电功率共同决定SSPS的输出功率。自MPT概念提出以来，效率链研究持续受到关注。本文综述了最具代表性的MPT效率链，如三因子、五因子、七因子、十因子及十五因子链，随后基于五因子链，通过精细分解提出适用于SSPS大规模MPT系统的27因子效率链。研究人员利用所提链条分析了兆瓦级（MW）SSPS与吉瓦级（GW）SSPS的MPT系统，前者给出低值与高值两种情形。文章提出了从MW SSPS向GW SSPS发展的建议，并预测后者MPT效率将高于55%。

研究背景方面，自1968年P. Glaser提出SSPS概念以来，近半个世纪已涌现约40种概念系统，近期更被视作应对全球净零碳排放的路径之一。MPT作为SSPS区别于通信与雷达等无线应用的关键环节，其传输效率直接决定地面可获得功率与系统经济性——在光伏阵尺寸固定时，效率越高地面出力越大；在目标出力固定时，效率越高所需空间光伏阵越小，从而显著降低发射与建造成本。MPT系统占SSPS总质量35%–40%，建造费用超三分之一，因此效率提升具有核心意义。已有研究从W. C. Brown的三因子链（生成η_g、传输η_t、接收η_r）演进至四因子链（引入辐射效率η_rd），后续出现五、七、十、十五因子等分解方式，但面向GW级超大尺度系统的细粒度分解仍不充分。

关键技术方法上，研究人员采用文献演化梳理法，系统回顾三至十五因子链的历史脉络；基于五因子链框架进行自顶向下精细分解，建立27因子效率链，因子覆盖直流-微波转换、波束形成、自由空间传播、大气电离层穿透、接收整流及逆指向（retro-directive）对准等环节；以MW SSPS（分低值/高值情景）与GW SSPS为案例，代入各因子典型值与目标值做链式乘积测算，反推子系统设计指标。

研究结果部分，引言指出MPT效率η_MPT与空间光伏阵功率P_PV之积等于SSPS输出P_SSPS，确立效率链分析的理论基点。第2节阐述SSPS架构与MPT系统三分体（微波发射阵、微波接收整流阵、逆指向子系统），明确2.45 GHz、5.8 GHz及10 GHz为候选频段，地空距离达36000 km时发射/接收口径分别超1 km与5 km。第3节综述现有链：3.1子节给出Brown三因子与1992年四因子表达式，指出η_t在原三因子中混杂波束收集效率（BCE）与天线影响，四因子将其解耦；另述2019年四因子链η_s·η_tr·η_rect·η_pc（生成、走线、整流、后级变换）。第4节提出27因子链，由五因子主干（DC-RF转换、辐射、传输、接收孔径收集、RF-DC整流）逐层展开，如DC-RF再分为功放效率、移相损耗、阵面馈电损耗等，接收端细分极化失配、单元耦合、整流二极管效率、滤波损耗等。第5节应用显示：MW SSPS低值情景η_MPT约38%–42%，高值情景达48%–52%；GW SSPS通过降低大气衰减占比、提升整流天线（rectenna）单元效率与逆指向精度，测算η_MPT可突破55%，同时建议MW阶段优先验证发射阵可展开结构与地面rectenna毯，GW阶段转向轻量化功放与分布式相位协同。

讨论与结论部分，研究人员强调27因子链的价值在于将效率指标映射至具体设备参数，使PMAD（功率管理与分配）、PMAT（功率管理与转移）及逆指向子系统的研发目标可量化。从MW到GW的跃迁不仅是功率放大，更需因子边界条件重构：如GW级下自由空间扩散损失占比相对下降，而rectenna阵列非均匀采样与热控损耗权重上升。论文预测GW SSPS的MPT效率高于55%，为SSPS经济可行性提供支撑，相关分解框架可迁移至月球远距离供电与长航时无油无人机供能场景。全文发表于《Space Solar Power and Wireless Transmission》。