空间太阳能电站是一个巨大的绿色能源系统,其在太空中收集太阳能,然后将太阳能转换为电能,最后将电能以微波形式通过发射天线传输到地球。本文从空间太阳能电站大型微波发射天线的口径场分布设计、阵列发射天线的子阵划分设计、随机误差对系统电性能的影响分析以及空间太阳能电站的概念方案设计等方面进行了深入研究,主要工作如下:1.提出了适用于空间太阳能电站微波发射天线的阶梯型口径场分布设计方法。首先,提出了阶梯型口径场分布的设计思想;然后,基于发射天线口径场分布对微波无线能量传输效率的影响关系,建立了考虑接收区域安全性的以波束收集效率最大化为目标的阶梯型口径场分布优化模型。数值实验结果表明,采用阶梯型口径场分布的发射天线可获得较高的波束收集效率,且当台阶数增加到一定程度时阶梯型分布的波束收集效率比10dB高斯分布的还要高。该口径场分布可大大降低阵列发射天线的建造成本和工程实现难度。2.对不等间距等幅激励阵列在微波无线能量传输中的应用进行了研究。通过推导等幅激励阵列单元位置与波束收集效率之间的关系,建立了可同时考虑接收区域外最高电平约束和辐射单元之间最小间距约束,以波束收集效率最大化为目标的阵列布局优化模型,并利用混沌粒子群优化算法对阵元位置分布进行优化设计。数值实验结果表明,等幅激励阵列通过优化单元位置可降低接收区域外的最高电平,同时,实现较高的波束收集效率。3.提出了基于微波无线能量传输效率的大型阵列天线子阵划分设计方法。通过推导阵列天线子阵划分与微波无线能量传输效率之间的数学关系,建立了以波束收集效率最大化为目标的子阵划分优化模型,并利用k-means聚类方法对优化模型进行求解。数值实验结果表明,阵列天线通过合理的子阵划分可获得较高的波束收集效率;此外,由于k-means聚类方法具有高效性和鲁棒性,其特别适用于超大型阵列天线的子阵划分。4.研究了阵列天线随机误差对微波无线能量传输效率影响机理。大型有源相控阵天线由于加工制造、安装以及工作环境等影响,辐射单元存在位置误差,与之连接的T/R组件存在激励相位误差。这些误差具有不确定性,会引起发射天线的波束指向出现偏差、波束形状发生畸变,从而造成微波无线能量传输性能下降。为此,本文从概率角度推导了单元随机位置误差和移相器随机相位误差对波束收集效率的影响关系,并通过数值实验来具体说明随机误差是如何影响波束收集效率。数值实验结果表明,随机误差的引入会抬高副瓣电平进而降低波束收集效率。5.提出了一种基于介电常数近零超材料的新型空间太阳能电站概念设计方案。新方案包括球形聚光器、半球形光伏电池阵、电力管理与分配系统、电磁感应式导电旋转关节和微波发射天线。通过将介电常数近零超材料与球形聚光器结合起来,完美地解决了其他空间太阳能电站方案中存在的太阳光斜入射问题。新方案具有三个明显优点:一是太阳能收集稳定且效率高;二是避免了复杂的控制系统;三是该方案可缓解现有“三明治”结构的散热难题。