鐘 豪，賈子熙，張洪溪，劉 新

(中電科藍(lán)天科技股份有限公司臨近空間事業(yè)部，天津 300384)

光伏電池已廣泛應(yīng)用于地面光伏、空間及臨近空間領(lǐng)域。為了降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，目前正在逐步探索太陽(yáng)電池陣與其他功能性部件相結(jié)合的研究。由于太陽(yáng)電池陣提供了大面積的平面結(jié)構(gòu)，這為平面微波天線(xiàn)的布設(shè)提供了可能[1-7]。大規(guī)模太陽(yáng)電池陣和大口徑高性能天線(xiàn)都是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星平臺(tái)的重要支柱，太陽(yáng)電池陣提供能源保證平臺(tái)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，大口徑高性能天線(xiàn)是實(shí)現(xiàn)高速通訊和長(zhǎng)距離探測(cè)的基礎(chǔ)[8]。然而，傳統(tǒng)天線(xiàn)因太陽(yáng)電池陣的屏蔽作用，在安裝時(shí)必然占據(jù)能源系統(tǒng)的安裝面積，導(dǎo)致能源和載荷系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，此外，凸出的天線(xiàn)還會(huì)破壞無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形，影響其升阻比并降低氣動(dòng)效率[9]。上述問(wèn)題構(gòu)成了一個(gè)突出的矛盾，如果能將光伏陣列和天線(xiàn)陣列進(jìn)行有效的一體化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的融合，則將有助于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的體積比功率和質(zhì)量比功率雙高，從而成為提升平臺(tái)綜合效能的有效途徑[10-12]。

本文采用光伏天線(xiàn)一體化技術(shù)，研制了可在GPS L1 頻點(diǎn)[(1 575.420±1.023)MHz]工作的薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)，與目前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)上所用傳統(tǒng)柔性PCB 板印刷天線(xiàn)相比，該光伏天線(xiàn)通過(guò)將電磁表面與太陽(yáng)電池陣集成一體，不僅具有可見(jiàn)光輻射接收轉(zhuǎn)換和高增益微波輻射性能，還可充分利用被傳統(tǒng)天線(xiàn)占據(jù)的太陽(yáng)電池陣安裝面積，使無(wú)人機(jī)整體太陽(yáng)電池布片率從65%提高到78%，全機(jī)發(fā)電功率提高16.7%，既滿(mǎn)足平臺(tái)供能需求，又提供通信功能，并實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)接收和導(dǎo)航定位。

1 天線(xiàn)分析選型

本文針對(duì)GPS L1 頻點(diǎn)，開(kāi)展薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池作為輻射主體的GNSS(global navigation satellite system，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))光伏天線(xiàn)一體化研究。

根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)，初步規(guī)劃GPS L1 頻點(diǎn)的光伏發(fā)電與微波吸收一體化裝置，主要用于實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)接收、衛(wèi)星搜索、導(dǎo)航定位。接收太陽(yáng)光輻射的能量，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的功能，同時(shí)可接收傳來(lái)的微波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微波通訊和偵察探測(cè)的功能。

本文采用縫隙天線(xiàn)形式設(shè)計(jì)平面光伏發(fā)電與微波吸收一體化裝置。縫隙天線(xiàn)是在無(wú)限大、無(wú)限薄的理想導(dǎo)體平面上開(kāi)縫所形成的天線(xiàn)，系統(tǒng)中的電磁波經(jīng)縫隙向外空間輻射或外空間的電磁波經(jīng)縫隙進(jìn)入系統(tǒng)，其中理想縫隙天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 理想縫隙天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

縫隙的寬度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，而其長(zhǎng)度通常為半波長(zhǎng)，縫隙中電場(chǎng)方向?yàn)榍邢蚍植?，電?chǎng)強(qiáng)度垂直于縫隙的長(zhǎng)邊，并對(duì)縫隙的中點(diǎn)呈對(duì)稱(chēng)的駐波分布。它具有良好的平裝結(jié)構(gòu)，體積小，質(zhì)量輕，易于共形。

根據(jù)電磁場(chǎng)的對(duì)偶原理，磁對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)可以直接由電對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)對(duì)偶得出：

式中：Em為磁偶極子電場(chǎng)強(qiáng)度；Hm為磁偶極子磁場(chǎng)強(qiáng)度；Em為縫隙中波腹處場(chǎng)強(qiáng)值；W為縫隙寬度；r為縫隙中點(diǎn)到遠(yuǎn)場(chǎng)參考點(diǎn)空間距離；k為傳播常數(shù)；ε為空間材料介電常數(shù)；μ為空間材料磁導(dǎo)率；θ為俯仰角；l為一半縫隙長(zhǎng)度；eφ為方位面單位向量。

其方向函數(shù)為：

基于上述縫隙天線(xiàn)的工作原理，采用光伏電池設(shè)計(jì)縫隙天線(xiàn)單元。使用銅箔匯流帶將光伏電池連接構(gòu)造封閉縫隙結(jié)構(gòu)，電磁波通過(guò)光伏電池之間的縫隙向外空間輻射，從而構(gòu)成的一種集成光伏電池的縫隙天線(xiàn)單元，如圖2 所示。這種縫隙結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)縫隙天線(xiàn)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。通過(guò)電磁仿真軟件可以確定縫隙天線(xiàn)中縫隙結(jié)構(gòu)的尺寸，將天線(xiàn)縫隙尺寸要求與太陽(yáng)電池陣電性能指標(biāo)耦合統(tǒng)籌考慮，可以實(shí)現(xiàn)光伏天線(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。

圖2 太陽(yáng)電池組件縫隙示意圖

2 薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)研制

2.1 光伏天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)分為主輻射結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)與濾波結(jié)構(gòu)三個(gè)部分。該天線(xiàn)包括一層2 mm 的泡沫介質(zhì)。主輻射結(jié)構(gòu)位于泡沫板上表面。主輻射結(jié)構(gòu)由9 串太陽(yáng)電池片構(gòu)成，每串太陽(yáng)電池片結(jié)構(gòu)由40 片太陽(yáng)電池片串聯(lián)組成。饋電結(jié)構(gòu)位于泡沫板下表面，由功分饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。濾波結(jié)構(gòu)位于泡沫板下表面，主要由濾波器與直流饋線(xiàn)組成，匯流帶將太陽(yáng)電池片并聯(lián)在一起，經(jīng)過(guò)垂直方向的直流饋線(xiàn)與下層濾波器相連，濾波器由兩級(jí)串聯(lián)構(gòu)成。

圖3 薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)模型示意圖

太陽(yáng)電池天線(xiàn)具體尺寸如表1 所示。

表1 平面光伏天線(xiàn)尺寸 mm

2.1.1 主輻射結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)電池天線(xiàn)的主輻射結(jié)構(gòu)如圖4 所示。太陽(yáng)電池片所在介質(zhì)板的整體尺寸為470 mm×1 100 mm，工作頻率為1.575 GHz。所使用的泡沫介質(zhì)板厚度為2 mm，相對(duì)介電常數(shù)為1.04，損耗正切值為0.002。串聯(lián)后的每串太陽(yáng)電池片總體尺寸為40.8 mm×939.6 mm，每?jī)纱?yáng)電池片之間被寬度為5 mm 的空氣縫隔開(kāi)。所有太陽(yáng)電池串與首尾兩端的匯流帶以及中間的銅片共同形成了64 個(gè)“工”字縫。位于上表面匯流帶分別連接太陽(yáng)電池串兩端，將一端作為太陽(yáng)電池片的正極，另一端作為太陽(yáng)電池片的負(fù)極使用，電池串在最末端的首尾處進(jìn)行并聯(lián)，具體尺寸如表1 所示。

圖4 薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)主輻射結(jié)構(gòu)

2.1.2 饋電結(jié)構(gòu)

饋電結(jié)構(gòu)功分饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)激勵(lì)縫隙，電磁波信號(hào)通過(guò)主體傳輸線(xiàn)依次通過(guò)第一級(jí)(一分二)功分器、第二級(jí)(二分四)功分器、第三級(jí)(四分八)功分器、第四級(jí)(八分十六)功分器和第五級(jí)(十六分三十二)功分器，饋線(xiàn)末端采用橢圓結(jié)構(gòu)且與饋線(xiàn)末端對(duì)側(cè)不連接，中間存在0.2 mm 的間隔。具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，尺寸如表1 所示。

圖5 薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1.3 濾波結(jié)構(gòu)

濾波結(jié)構(gòu)是位于泡沫板下表面的濾波器，如圖6 所示。太陽(yáng)電池片產(chǎn)生的直流電流在交流端口處可以忽略不計(jì)。位于泡沫板下表面的濾波器的作用是阻擋從上層太陽(yáng)電池片傳輸下來(lái)的交流電流。濾波結(jié)構(gòu)包含兩級(jí)結(jié)構(gòu)相同的濾波器，具體尺寸如表1 所示。

圖6 薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)濾波結(jié)構(gòu)

2.1.4 仿真分析

采用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS 對(duì)薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)進(jìn)行微波特性仿真分析，S-參數(shù)仿真結(jié)果如圖7所示。該天線(xiàn)的仿真阻抗匹配|S11|＜-10 dB 的帶寬在1.525～1.700 GHz，相對(duì)帶寬為10.85%；覆蓋了目標(biāo)頻段1.57～1.58 GHz。最佳匹配點(diǎn)位于1.58 GHz 附近，且在目標(biāo)頻段1.57～1.58 GHz 內(nèi)，|S11|均低于-12 dB。

圖7 S-參數(shù)仿真結(jié)果圖

增益仿真結(jié)果如圖8 所示，在1.5～1.7 GHz 頻段內(nèi)，天線(xiàn)仿真結(jié)果曲線(xiàn)較穩(wěn)定。增益仿真結(jié)果在1.65 GHz 達(dá)到增益峰值16.6 dBi，在目標(biāo)頻段1.57～1.58 GHz 頻段增益達(dá)到16 dBi 以上。在1.5～1.7 GHz 頻段內(nèi)，仿真結(jié)果增益在12.5～16.6 dBi 之間變化，平均增益為15.4 dBi；在目標(biāo)1.57～1.58 GHz 頻段內(nèi)，仿真結(jié)果的增益波動(dòng)范圍在0.5 dBi 以?xún)?nèi)，在該頻段內(nèi)增益曲線(xiàn)平穩(wěn)。

圖8 增益仿真結(jié)果圖

1.575 GHz 輻射方向仿真結(jié)果如圖9 所示，從圖中刻畫(huà)的天線(xiàn)仿真結(jié)果可得方向圖符合雙向輻射天線(xiàn)的特征，主極化前向后向均勻?qū)ΨQ(chēng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的信號(hào)覆蓋，天線(xiàn)的E面和H 面輻射能量主要集中于法向方向，具有較好的穩(wěn)定性，輻射方向圖在目標(biāo)頻點(diǎn)保持了良好的方向性。

圖9 輻射方向仿真結(jié)果圖

2.2 光伏天線(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證

薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)實(shí)物如圖10 所示，光伏天線(xiàn)由9 并40 串砷化鎵太陽(yáng)電池以及2 mm 厚泡沫板構(gòu)成，在每串電池中以5 個(gè)電池為一組構(gòu)成一個(gè)單元與相連單元間隔有金屬條帶，單元之間通過(guò)銀箔互聯(lián)，由電池單元與金屬條帶共圍成64 個(gè)“工”字縫隙。

圖10 薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)實(shí)物

2.2.1 電性能測(cè)試

在AM1.5(1 000 W/m2，25 ℃)條件下對(duì)薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)進(jìn)行了伏安特性測(cè)試，結(jié)果如圖11 所示。光伏天線(xiàn)開(kāi)路電壓為120.83 V，短路電流為0.9 A，最佳工作點(diǎn)電壓為104.95 V，最佳工作點(diǎn)電流為0.84 A，最大功率為88.39 W，光電轉(zhuǎn)換效率為30.69%。結(jié)果表明本文研制的光伏天線(xiàn)光電轉(zhuǎn)化特性不受微波吸收功能影響，可正常輸出直流能量。

圖11 光伏天線(xiàn)I-V測(cè)試曲線(xiàn)

2.2.2 微波特性測(cè)試

將薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)放置于測(cè)試平臺(tái)位置，連接好測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)置信號(hào)源頻率為待測(cè)頻率1.5～1.7 GHz，輸出功率調(diào)至合適大小使發(fā)射天線(xiàn)輻射信號(hào)，接收天線(xiàn)在正對(duì)發(fā)射天線(xiàn)方向，沿待測(cè)行程線(xiàn)移動(dòng)，并記錄接收信號(hào)曲線(xiàn)，最后基于測(cè)試的近場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)算法進(jìn)行近遠(yuǎn)場(chǎng)變換，最終得到所需的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試場(chǎng)景如圖12 所示。

圖12 天線(xiàn)測(cè)試場(chǎng)景

S-參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖13 所示，該天線(xiàn)的測(cè)試阻抗匹配帶寬在1.54～1.63 GHz 和1.66～1.70 GHz，覆蓋了目標(biāo)頻段1.57～1.58 GHz。由測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)可看出目標(biāo)頻段內(nèi)測(cè)試阻抗匹配帶寬向高頻方向移動(dòng)，主要由于加工誤差和泡沫介質(zhì)板所起的氣泡導(dǎo)致了測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)在1.63～1.66 GHz 頻段凸起上升，測(cè)試結(jié)果的最佳匹配點(diǎn)位于1.60 GHz 附近。造成仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果不同的主要原因有：太陽(yáng)電池片的加工誤差、天線(xiàn)焊接誤差、加工精度的局限和焊接接頭(SMA)等等。

圖13 S-參數(shù)測(cè)試結(jié)果圖

增益測(cè)試結(jié)果如圖14 所示，在1.5～1.7 GHz 頻段內(nèi)，天線(xiàn)增益測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)較穩(wěn)定。在1.655 GHz 處達(dá)到增益峰值13.2 dBi，在目標(biāo)頻段1.57～1.58 GHz 內(nèi)增益都達(dá)到10.8 dBi 以上。在1.5～1.7 GHz 頻段內(nèi)，測(cè)試結(jié)果增益在8.0～13.2 dBi 之間變化，平均增益為10.05 dBi。在1.57～1.58 GHz 頻段內(nèi)，測(cè)試結(jié)果的增益波動(dòng)范圍在10.8～11.2 dBi 以?xún)?nèi)，3 dB 增益帶寬覆蓋了1.57～1.58 GHz 的工作頻段，且在該頻段內(nèi)增益曲線(xiàn)平穩(wěn)。由于加工誤差導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相比增益曲線(xiàn)整體下移。

圖14 增益測(cè)試結(jié)果圖

1.575 GHz 輻射方向測(cè)試結(jié)果如圖15 所示，方向圖符合全向天線(xiàn)的特征，主極化前向后向較均勻?qū)ΨQ(chēng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的信號(hào)覆蓋。該天線(xiàn)E 面的最大副瓣在40°左右，該天線(xiàn)H 面的最大副瓣在20°左右。天線(xiàn)的E 面和H 面輻射能量主要集中于法向方向，具有較好的穩(wěn)定性，輻射方向圖在目標(biāo)頻段保持了良好的方向性。

2.2.3 翼段戶(hù)外搜星測(cè)試

為更準(zhǔn)確真實(shí)地驗(yàn)證薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)性能，本文通過(guò)將光伏天線(xiàn)鋪裝在無(wú)人機(jī)翼段開(kāi)展了戶(hù)外光照和搜星測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景搭建如圖16 所示。伏安特性實(shí)測(cè)結(jié)果如圖17 所示，測(cè)試時(shí)太陽(yáng)輻照度為584 W/m2，測(cè)得光伏天線(xiàn)對(duì)外供能工作電壓為110.97 V，工作電流為0.476 A，輸出功率為52.82 W，計(jì)算得到光電轉(zhuǎn)換效率為31.4%。圖18 為搜星數(shù)量、衛(wèi)星信號(hào)獲取強(qiáng)度和定位結(jié)果，可以看出，光伏天線(xiàn)在接收太陽(yáng)光輻射能量正常發(fā)電的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS、北斗、格洛納斯、伽利略等全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星進(jìn)行搜索定位導(dǎo)航功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前位置經(jīng)緯度信息、海拔高度、可用衛(wèi)星數(shù)量和信號(hào)強(qiáng)度。

圖16 薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)戶(hù)外搜星測(cè)試場(chǎng)景

圖18 戶(hù)外搜星測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文充分利用薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池陣的大口面面積，采用縫隙天線(xiàn)形式和結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的天線(xiàn)輻射口面和太陽(yáng)電池陣合二為一，研制出可與無(wú)人機(jī)機(jī)翼賦形的薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池天線(xiàn)，同時(shí)具備光電轉(zhuǎn)化特性以及微波輻射吸收功能，戶(hù)外實(shí)測(cè)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到31.4%，天線(xiàn)接收微波信號(hào)功能良好，可正常對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索定位導(dǎo)航，直流能量輸出端口和微波能量輸出端口相互獨(dú)立工作，互不影響，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池和微波天線(xiàn)的相互協(xié)同工作，提高了無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)和天線(xiàn)系統(tǒng)的兼容性。