變化的發(fā)射天線面

微波是指具有從1mm到1m間的短波長的電磁波。這種電磁波廣泛應用于日常生活中的微波爐、手機和無線LAN，還有宇宙空間中的氣象衛(wèi)星、地球觀測衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、廣播電視衛(wèi)星的通信等，其實就在身邊，與我們的生活息息相關(guān)。并且，雖然不是微波方式，但通過電磁感應方式、磁共振方式無線傳輸能源的技術(shù)已經(jīng)確立并投入了實用。例如為手機、純電動汽車的蓄電池非接觸充電的“無線供電”。但傳輸?shù)木嚯x有限。

那么，空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)使用微波無線傳輸能源的優(yōu)點是什么？

首先是波長短，與波長長的電波相比，相對不容易擴散。從高度為3.6萬km的地球靜止軌道向接收天線傳送能源時，需要的接收天線的面積小于波長長的電波，能夠降低設備的建設成本。

其次是能夠穿透云層。在下雨和陰天的時候，只要選擇最佳的頻率，就能幾乎杜絕能源傳輸?shù)膿p失。

但微波也存在缺點。即便是微波，隨著距離的增加，電波的擴散也會增大。微波的擴散與發(fā)射天線的大小成反比。因此，為了盡可能縮小接收天線的直徑，避免傳輸能源出現(xiàn)損耗，反而需要擴大發(fā)射天線的直徑。

微波無線能源傳輸技術(shù)開發(fā)上最大的難題，是控制微波束的方向，使能源準確傳送到接收天線。

上土井說：“激光也是如此，這是實現(xiàn)空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一大課題。”

降低這個問題難度的一個辦法是，把空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星送入高度為3.6萬km的地球靜止軌道。地球靜止軌道是永遠與地球上的1點保持相同角度的軌道。因從地面看上去如同靜止一般而得名。如果從空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星向地球上固定的位置傳送微波，地球靜止軌道是最佳選擇。

然而，發(fā)射天線的尺寸增大后，天線面會變形，在構(gòu)造上無法完全保持平面，從而使微波束的方向發(fā)生錯位。因此對微波束方向的控制就是必須的技術(shù)。

關(guān)于波束方向控制的困難程度，有這樣一個比喻：如果接收天線的直徑為幾公里，從3.6萬km高空的地球靜止軌道瞄準天線，就像是從東京瞄準立在名古屋的直徑約為9m的圓靶。用角度來說，微波束方向的偏差要控制在0.001度的范圍之內(nèi)，需要精度極高的方向控制技術(shù)。

為此，JAXA正在研發(fā)這樣的微波相位控制技術(shù)：從接收天線向空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射用于引導的導頻信號，高精度檢測收到信號的方向，并向該方向發(fā)射微波束。

使用這種技術(shù)可以使微波束準確對準接收天線的方向。并且，若事先設定了使微波在引導用導頻信號停止后不再匯聚，則即使出現(xiàn)意外情況導致微波的方向大幅偏離接收天線的位置，也可以保證安全性。此時，微波將呈現(xiàn)發(fā)散狀，不匯聚成束。

除此之外，JAXA還在考慮并用可修正發(fā)射天線模塊之間的位置、方向偏差的相位控制，以使地面的接收功率達到最大。
 

空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)的概要（出處：（財）宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進機構(gòu)）