книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfмальный к. п. д. передачи, будут представлять собой
довольно |
сложные структуры. |
|
Б. Приемные антенны. Интересные предложения, ка- |
||
сающиеся |
приемных |
антенн, были сделаны Брауном |
(см. его статью в III |
томе настоящего издания). Он пред |
|
ложил ненаправленную облегченную антенну для геликоптерных платформ. Антенна состоит из большого числа соединенных между собой кремниевых диодов, образую щих плоскую решетку. Основная идея антенны заключает ся в том, чтобы разделить4большую апертуру приемной антенны на большое число малых апертур и осуществить независимое выпрямление высокочастотной мощности, принятой каждой малой апертурой. Выходные мощности постоянного тока складываются, в результате чего пол ная мощность соответствует большой апертуре, тогда как направленность антенны определяется направленностью малых апертур.
IV. Влияние атмосферы
Передача мощности на СВЧ через атмосферу связана с различными атмосферными эффектами, обсуждаемыми ниже.
А. Атмосферное преломление. Гравитационное и тем пературное расслоение атмосферы порождает изменение коэффициента преломления. Вследствие этого траекто рия пучка электромагнитных волн, проходящего через атмосферу, несколько искривляется в направлении по верхности Земли. Эта кривизна существенным образом зависит от частоты. Средний радиус кривизны для пучка, распространяющегося параллельно поверхности Земли, приблизительно равен 4/з радиуса Земли.
Б. Атмосферная турбулентность. Влияние атмосфер ной турбулентности на остронаправленные пучки сво дится главным образом к деформации фазового фронта волны и изменениям в амплитудном распределении по сечению пучка. Такие искажения могут привести к боль шим колебаниям уровня принимаемой мощности при ис пользовании приемных антенн, конструкция которых оптимизирована для невозмущенного пучка. Приемная система, выполненная в виде решетки из множества от-
дельных элементов, как было описано в разделе «Прием ные. антенны», должна быть наименее восприимчива к атмосферной турбулентности.
В. Атмосферные поглощение и рассеяние. Потери при передаче пучка электромагнитных волн через атмосферу увеличиваются за счет поглощения и рассеяния. Погло щение вызвано прежде всего кислородом и парами воды
|
|
т |
|
|
|
|
10 |
|
и |
Ф и г. 5. Зависимость затухания |
в |
|
11ь ! |
|
|
|
|||
атмосферных парах воды (сплошная |
|
|
||
кривая) и в кислороде (пунктирная |
|
|
1\ | |
|
кривая) от величины 1/к, вычислен |
0,1 |
|
||
ная по теории поглощения в газах |
/ |
Л . |
||
Ван-Флека [10]. |
|
I 4 |
||
|
|
|||
|
|
[0,0/ |
■ |
|
_1
/Д.ш"
в атмосфере1*, рассеяние — капельками воды облаков и тумана, а также дождем. Зависимости поглощения от давления, температуры, влажности и частоты исследова лись в работе [10]. На фиг. 5 показаны теоретические зна чения для поглощения СВЧ-волн кислородом и парами воды в атмосфере при 20 °С и 760 мм рт. ст. Сплошная кривая иллюстрирует поглощение в парах воды при со держании в атмосфере молекул воды в количестве 1%; кривая может быть легко распространена на другие ве личины содержания иеконденсированных паров воды в атмосфере, поскольку поглощение прямо пропорциональ но содержанию воды. Кривая имеет резонансные всплески при X = 1,35 и 0,166 см. Имеются дополнительные и даже более высокие пики поглощения в диапазоне длин волн ниже 0,1 мм. Пунктирная линия на фиг. 5 иллюстрирует
1 Кислород поглощает вследствие взаимодействия с магнит ным дипольным моментом, а водяные пары (в отсутствие конденса ции) — с электрическим дипольным моментом.— Прим. ред.
поглощение кислородом, и она имеет |
максимум поглоще |
||
ния, |
достигающий |
10 дб/км при X = |
0,5 см и максимум |
при |
X = 0,25 см. |
Измерения поглощения кислородом |
|
указывают на хорошее совпадение с теорией; однако экспериментальные значения поглощения в парах воды превышают расчетные.
Атмосферные поглощение и рассеяние, вызванные тон кими облаками или тонкими слоями тумана, мало влияют на прохождение СВЧ-волн. Затухание, вызванное тол стыми облаками и дождем, однако, может оказаться за метным и может превышать затухание, вызванное смесью
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
Поглощение СВЧ-волн в облаках [11] |
|
||
к,см |
0,30 |
1,24 |
1,80 |
3,20 |
|
|
|
1 |
|
Температура |
Поглощение, дб/км |
|
||
°С |
|
|
||
|
|
|
|
|
20 |
0,647 |
0,311 |
0,128 |
0,0483 |
10 |
0,681 |
0,532 |
0,179 |
0,0630 |
0 |
0,990 |
0,684 |
0,267 |
0,0858 |
кислорода и паров воды. В табл. 2, составленной в ра
боте [11], приведены значения |
поглощения в облаках |
с содержанием 1 г конденсированной воды в 1 м3. |
|
Поглощение увеличивается |
пропорционально содер |
жанию воды в облаках (которое обычно находится в пре делах от 1 до 2,5 г/м3), уменьшается с увеличением длины волны и увеличивается с температурой. Приведенная таблица относится лишь к водосодержащим (мелкока
пельным) облакам. |
Облакам |
же, содержащим ледя |
ные кристаллики, |
присуще |
незначительное поглоще |
ние.
Поглощение СВЧ-волн дождем увеличивается с ча стотой. В табл. 3 [12] представлены теоретические зна чения поглощения для различных интенсивностей выпа дения осадков {мм/нас) при температуре 18. °С
Таблица 3
СВЧ-поглощение в дожде при температуре 18 °С [12]
Я, см |
0,3 |
0,5 |
0,6 |
1,0 |
1,25 |
3,0 |
3,2 |
10 |
мм/час |
|
|
|
Поглощение, дб/км |
|
|
||
0,25 |
0,305 |
0,160 |
0,106 |
0,037 0,0215 |
0,00224 |
0,0019 |
0,00001 |
|
1,25 |
1,15 |
0,720 |
0,549 |
0,228 |
0,136 |
0,0161 |
0,0117 |
0,00042 |
2,5 |
1,98 |
1,34 |
1,08 |
0,492 |
0,298 |
0,0388 |
0,0317 |
0,00079 |
12,5 |
6,72 |
5,36 |
4,72 |
2,73 |
1,77 |
0,285 |
0,238 |
0,00364 |
25 |
11,3 |
9,49 |
8,59 |
5,47 |
3,72 |
0,656 |
0,555 |
0,00728 |
50 |
19,2 |
16,6 |
15,3 |
10,7 |
7,67 |
1,46 |
1,26 |
0,0149 |
100 |
33,3 |
29,0 |
27,0 |
20,0 |
15,3 |
3,24 |
2,80 |
0,0311 |
150 |
46,0 |
40,5 |
37,9 |
28,0 |
22,8 |
4,97 |
4,39 |
0,0481 |
Эти величины поглощения в дожде связаны только с интенсивностью выпадения осадка, но поглощение зави сит также и от распределения размеров капель.
Детальное рассмотрение атмосферных поглощения и рассеяния содержится в работе [13].
Г. Ограничения вследствие пробоя. Плотность мощ ности в пучке электромагнитных волн, передаваемая по воздуху, ограничена пробивной напряженностью элек трического поля, которая при нормальных условиях со ставляет 2,9* 10е в/м. Следовательно, максимальная плот ность мощности в пучке, распространяющемся вблизи поверхности Земли, составляет 1,2 Мвт/см2. Для пучков, проходящих через верхние слои атмосферы, максималь ный уровень плотности мощности много ниже вследствие уменьшения давления воздуха. Ограничения из-за пробоя описаны в работе [14]. Некоторые из этих результатов представлены на фиг. 6, где теоретически рассчитанная пробивная плотность средней мощности (на частоте 10 Ггц) показана в зависимости от атмосферного давления. Кри вые, которые также были подтверждены эксперименталь но, получены в предположении, что распределение поля
по сечению пучка удовлетворяет функции 51П хр/хр; под параметром р2дб на фиг. 6 понимается трехдецибельный радиус пучка электромагнитных волн. Минимальная пробивная плотность мощности имеет место при давлении порядка 1 мм рт. ст.\ для больших величин рвдб минимум достаточно широкий. Минимальная пробивная плотность
Фиг. 6.
плотности
мощности изменяется примерно пропорционально квад рату частоты. На частоте 10 Гец она составляет около 400 в/тг/сл*2, а на частоте 1 Ггц — около 4 вт/см2.
V. Экспериментальные результаты
Ряд экспериментов, выполненных с целью нахожде ния к. п. д. передачи мощности посредством пучка элек тромагнитных волн, описан в литературе. В работе [15] показано, что в миллиметровом диапазоне передача по средством излучения целесообразнее передачи по стан дартному волноводу. Измерения проводились на длине волны 4,25 мм на расстоянии около 22 му при помощи двух пар параболических антенн диаметром 15,3 и 30,5 см, и результаты сопоставлялись с данными, полученными на волноводе КС = 48/11. Для расстояния, превышаю щего 3 м, было найдено, что передача посредством излу чения более эффективна. Например, на расстоянии 22 м, где к. п. д. передачи по волноводу составлял всего лишь 0,034%, к. п. д. передачи с помощью параболических антенн с диаметром 30,5 см составил 18%. Максимальный теоретический к. п. д. в этом случае в соответствии со сплошной кривой на фиг. 2 составляет 46%.
Передача относительно больших мощностей (несколь ко сотен ватт) на частоте 2540 Мгц исследовалась в ра
боте [16]. Передаваемая энергия использовалась для при ведения в движение небольшой геликоптерной платформы на высоте ^ 8 м. В этих экспериментах впервые при менялась приемная антенна в виде выпрямительной ре шетки, упомянутой выше. Подробное описание этих экспе риментов содержится в III томе настоящего издания.
VI. Заключение
Использование передачи СВЧ-мощности посредством направленного пучка ограничено влиянием атмосферы и физическими размерами антенн. Атмосферное рассеяние, особенно во время дождя, ограничивает верхнее значе ние применяемых частот величиной ^3000 Мгц. Турбу лентность и изменение коэффициента преломления менее важны на этих частотах. При 3000 Мгц суммарная площадь апертур передающей и приемной антенн должна быть по крайней мере 168 м3 на 1 км расстояния для того, чтобы обеспечить к. п. д. передачи порядка 50%, и приблизи тельно 20 м? на 1 км расстояния для обеспечения к. п. д. 1%. (Суммарная площадь антенн будет наименьшей, если апертуры обоих антенн идентичны.) Передача мощ ности к стационарному спутнику, удаленному от Земли на расстояние 36 000 км, на частоте 3000 Мгц при к. п. д. 1% требует минимальной суммарной площади раскрыва антенн 7-103 м2. Даже если допустить к. п. д. передачи 0,1 %, эта площадь будет не менее 2,3 • 10ь л 3. Эти площади антенн настолько велики, что передача мощности с Земли к стационарному спутнику представляется практически неосуществимой. Для орбитальных спутников раскрыв антенн может быть сделан меньше пропорционально уменьшению расстояния от спутника до Земли. Однако питание спутника СВЧ-энергией с Земли практически не может быть осуществлено и для орбитальных спутников, поскольку последние находятся в зоне эффективной пере дачи лишь на малом отрезке своей орбиты.
О б о з н а ч е н и я
с = * У ± - , й1} й2 — расстояние между линзами (фиг. 4);
б— расстояние между передающей и приемной антеннами;
е( — единичный |
вектор |
в направлении х или у\ |
ег — единичный |
вектор |
в направлении г; |
Е— амплитуда напряженности электрического поля;
Ех — тангенциальная составляющая напряжен ности электрического поля;
/— фокусное расстояние;
Ро — первая собственная функция интегрального уравнения (8), функция оптимального рас пределения амплитуды поля в плоскости передатчика;
Со — первая собственная функция интегрального уравнения (11), функция оптимального рас пределения амплитуды поля в плоскости раскрыва антенны Кассегрейна;
С, |
01г Со — усиление антенны в дальней зоне; |
|||||
|
Нх — тангенциальная |
составляющая напряжен |
||||
|
ности магнитного поля; |
|
||||
к |
^о — Бесселева функция нулевого порядка; |
|||||
= 2я/К — волновое число; |
|
|
|
|||
Ь, |
К — ядро интегрального уравнения (11); |
|||||
1 2 — длина |
половины |
раскрыва квадратных ан |
||||
|
тенн; |
|
|
|
|
|
|
ро — первое |
собственное |
значение |
интегрального |
||
|
уравнения (8); |
|
значение |
интегрального |
||
|
7о — первое |
собственное |
||||
|
уравнения |
(11); |
|
|
|
|
г, |
Ль # 2 — радиус |
апертуры круглой антенны и антен |
||||
|
ны с кольцевой формой апертуры; |
|||||
5, |
$ 2 — площадь |
апертуры |
антенны; |
|
||
ху уу г — декартовы координаты;
|
е — |
|
К-Ё-; |
|
|
|
|
|
|
е0 — диэлектрическая |
постоянная; |
||||||
|
г] — декартова |
координата; |
||||||
|
11 — к. |
п. д. |
передачи мощности; |
|||||
|
/. — параметр |
пучка; |
|
|
||||
|
[х0 — магнитная проницаемость; |
|||||||
|
I — декартова |
координата; |
||||||
|
р — радиальная |
координата; |
||||||
|
Рздб — РаДиУс спада амплитуды поля пучка на 3 дб |
|||||||
|
|
при распределении поля в виде з т хр/хр; |
||||||
|
х — |
|
|
— для антенн с круглой апертурой; |
||||
|
|
Г. |
Ш |
— для антенн с квадратной аперту |
||||
|
|
|
||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
рой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
||||
1. |
И а г г 1 п б I о п |
Р. Р., |
АпГеппа |
КезеагсЬ, ТесЬ. Нер(. № 2, |
||||
|
Р(. 1, Рер. № ЕЕ619-593Р2, Зугасизе 1Лшу. Рез. 1пз(., Зугасизе, |
|||||||
2. |
Иеиг Уогк, |
МагсЬ |
1959. |
|
Р., А пе\у хуауебшйе !ог шПП- |
|||
О о и Ь а и |
О., С И 1 г 5 I 1 а п |
|||||||
|
те(ег \уауез, Ргос. Агту Зек СопГ., 115 МПКагу Асаск, \Уез( |
|||||||
3. |
Рот(, Ые\у Уогк, Липе 1959, уо1. 1, рр. 291—303. |
|||||||
В о г 8 1 о Ш |
О. V., |
Мах1тиш |
ро\уег (гапзГег Ъе(\уееп (\уо |
|||||
|
р1апаг арегГигез т |
(Не Ргезпе1 гопе, |
1ЕЕЕ Тгапз. Ап1еппав Рго- |
|||||
4. |
ра&аНоп, АР-14, рр. 158—163 (МагсЬ 1966).. |
|||||||
Н е и г ( 1е у |
Л. С., |
Мах1гпит ро\уег (гапзГег Ье(\уееп ГтНе |
||||||
|
ап(еппаз, 1ЕЕЕ Тгапз. АгМеппаз РгорадаИоп, АР-15, рр. 298—300 |
|||||||
5. |
(МагсЬ 1967). |
|
Рез^п оГ йиа1-геГ1ес(ог ап(еппа$ \уНЬ агЬКгагу |
|||||
О а 1 1 п с1 о V., |
||||||||
|
рЬазе апй атрШийе Й15(пЬи(юп5, 1ЕЕЕ Тгапз. Ап1еппаз Рго- |
|||||||
6. |
ра^аНоп, АР-12, рр. 403—408 (ЛиГу 1964). |
|||||||
* Р и з с Ь |
ЧУ. V. Т., 5са((еппб (гот а ЬурегЪо1о!йа1 геЛесГог т |
|||||||
|
а сазе^га^тап |
Геей зуз(ет, |
1ЕЕЕ Тгапз. Ап!еппаз Ргора^аИоп, |
|||||
|
АР-11, рр. 414—421 (Ли1у 1963). |
|
|
|||||
7.С Ь а Г ГI п К. Л., В е у е г Л. В., А 1о\у-1озз 1аипсЬег Гог (Ье Ъеат \уауе§иМе, 1ЕЕЕ Тгапз. Мюгопиаое Ткеогу Теск., МТТ-12,
8. |
р. 555 (5ер(. 1964). |
ЕхсйаЛоп оГ а Ьеат \уауе(*шйе, |
Райю |
||
В а з к а к о у 5. I., |
|||||
|
Епд. Е1еЫгоп. Ркуз. (1Л55Р) (ЕпеПзЬ Тгапз1.), 9, рр. 492—499 |
||||
9. |
(Арп1 |
1964); |
См. «Радиотехника и электроника», 9, 1964. |
||
С о и Ь а и |
О., ОрПса1 геЫшпз Гог соЬегеп! \уауеЬеашз, Ргос. |
||||
|
5утр. |
Е1ес(готабпе(1с |
ТЬеогу АпГеппаз, СорепЬаееп, |
1962, |
|
|
Р(. 11, рр. 907—918.. ОхГогй, Регеашоп Ргезз, 1963. |
|
|||
10. |
V а п |
V 1 е с к Л. Н., ТЬе аЬзогрНоп о! гшсго\уауез Ьу оху^еп, |
|
РНув Реи., 71, рр. 413—424 (АргП 1947); ТЬе аЬзогрИоп оГ гшсго- |
|
|
\уауез Ьу ипсопс1еп5ес1 \уа*ег уарог, РНув. Рео., 71, рр. 425—433 |
|
11. |
(АргП |
1947). |
С и п |
п К. Ь. 3., Е а $ 1 Т. IV. К., ТЬе т1сго\уауе ргорегПез |
|
|
о! ргес1рПаиоп рагИс1ез, (±иаг{. У. Роу Ме1еого1. Зое., 80, рр. |
|
|
522—545 (Ос*.— Бес. 1954). |
|
12.Н у с1 е Л. ДУ., Н у с! е О., АйепиаНоп о? СепИше1ег ап(1 МППте*ег )Уауез Ьу К ат, НаП, Ро& ап<1 С1оис15, ОЕС-Кер*. № 8670,
13. |
Мау 1945. |
Е. Л., КасПо Ме1еого1о§у, Ыа*. Виг. |
В е а п В. К., О и 1 I оп |
||
14. |
31(1. Мопо§гарЬ 92, МагсЬ 1966. |
|
5 с Ь а г Г т а п V/. Е., |
Т а у 1о г АУ. С., М о г 1 * а Т., |
|
|
Вгеак(1о\Уп ПтНаНопз оп 1Ье {гапзгшззюп оГ пнегоигауе рошег |
|
|
{Ьгои^Ь 1Ье а1то5рЬеге, 1ЕЕЕ Тгапв. АЫеппаз РгорацаНоп, |
|
|
АР-12, рр. 709— 717 (1Моу. |
1964). |
15.Р е 1 1е г з К. О.. МШте*ег \уауе {гапзгтззюп Ьу поплуауебшбе шеапз, /Шсгошаое У., 5, рр. 80—86 (1962).
16. В г |
о \у п >У. С., Ехрептеп*з т *Ье *гапзрогЫ|*оп о! епег^у Ьу |
гп1сго\уауе Ьеагп, 1ЕЕЕ 1п1егп. Сопи. Ресогй, 12, Р*. 2, рр. 8— |
|
17 |
(1964). |
3.6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗУЕМОСТЬ ПЕРЕДАЧИ СВЧ-МОЩНОСТИ ПО КРУГЛЫМ ВОЛНОВОДАМ
Да н н , Лое в е н с т е р н
I. Введение
Внастоящее время в развитых странах ежегодный темп роста потребления электроэнергии составляет 7—10%. Не входя в детальный анализ ожидаемых видов потреби телей и источников энергии, можно реально предполо жить, что в будущем ожидается увеличение количества электроэнергии, передаваемой из одного пункта в дру гой, на расстояния порядка сотен километров.
Передача СВЧ-мощности по круглому волноводу яв ляется потенциальным средством для передачи очень больших мощностей эффективным способом [1—51. В ка честве прямой замены систем передачи на постоянном и переменном токе СВЧ-системы представляют интерес для уровней мощности свыше 1 Гвт (имеются в виду системы,
проложенные под землей), и преимущества таких систем становится тем значительнее, чем выше уровень переда ваемой мощности. Это очень компактные системы даже для мощностей порядка 100 Гвт , и можно найти в пер спективе многочисленные применения для подземных систем, работающих на очень больших уровнях мощ ности; кроме того, они полностью самоэкранированные и идеально подходят для прокладки под землей.
Помимо возможности использования этих систем про сто в качестве дешевых линий передачи, они могут пред ставлять существенный интерес в связи с будущими при менениями СВЧ-энергии. Промышленные технологиче ские применения уже разрабатываются [4] в таких отрас лях, как химическая, пищевая, текстильная, целлюлоз ная и деревообрабатывающая. В качестве потенциальных областей применения, если СВЧ-энергия будет иметь относительно низкую стоимость, можно назвать освеще ние и отопление бытовых и служебных помещений, а также электрические транспортирующие системы.