книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

Важный вопрос, на который необходимо дать ответ, если будет возможна передача любых количеств СВЧэнергии, какова будет относительная стоимость СВЧсистем по сравнению с традиционными системами по­ стоянного и переменного тока. Ответ на этот вопрос зави­ сит от конструкции волновода и точности, с которой его можно изготовить. В следующих разделах мы остановим­ ся подробно на этих вопросах.

II. Передача мощности по идеальному цилиндрическому волноводу

Если цилиндрический волновод выполнить идеально круглым и прямым, то он будет работать на волне ТЕо1 без преобразования волны рабочего типа в другие типы, т. е. без потерь преобразования. Пробивная прочность такого волновода ограничена пробоем газа, заполняю­ щего волновод. В случае воздушного заполнения при атмосферном давлении пробивная напряженность элек­ трического поля на СВЧ [6] составляет примерно ту же величину, что и для постоянного тока, т. е. 30 кв/см. Мощность РЬакс, соответствующая такой величине ВЧнапряжения на линии, как нетрудно показать [1, 7],

трубы (ж). Таким образом, по трубе диаметром 47,3 см, заполненной воздухом при атмосферном давлении, можно передать 1 Гвт мощности при значении поля, равном про­ бивному. По-видимому, требуется коэффициент запаса по передаваемой мощности, равный 2, тогда по трубе

может выдержать мощность передачи 100 Гвт с разум­ ным коэффициентом запаса.

Значение ВЧ-напряжения Кмакс при уровне мощности Р макс можно подсчитать с учетом сопротивления волновода, одределяемого из формулы

где V представляет собой интеграл напряженности элек­ трического поля на радиусе максимального поля (инте­ грирование ведется по длине окружности). Для волны типа ТЕо1 и / > /кр сопротивление оказывается равным 2290 ом, что дает значение

Это число можно сравнить с напряжением между прово­ дами обычной трехфазной линии, работающей на часто­ те 60 гц с мощностью 1 Гвт, которое составляет 700 кв. Такие величины мощности и напряжения приводят к вполне приемлемым размерам труб для передачи мощности в диапазоне 1—100 Гвт.

Рассмотрим теперь потери в волноводах этого типа. В данном случае удобнее рассматривать зависимости, связывающие расстояния /?, на которых потери состав­ ляют заранее выбранную величину, с рабочей частотой / п диаметром волновода А. В частности, для передачи мощ­ ности нас будет интересовать расстояние, на котором по­ глощение сигнала составит 1 дб, т. е. потери мощности будут равны приблизительно 20%. Положим, /?01 — расстояние для затухания в 1 дб на волне типа ТЕог и /?п — расстояние для затухания в 1 дб для низшего типа волны ТЕ1г. Тогда из работы [7] для медного проводника имеем

В этих выражениях У? дано в километрах, й — в мет­ рах и / — в гигагерцах. Уравнения (3) и (4) представле­ ны на фиг. 1 кривыми для значений /?, равных 80, 320 и 800 км. Для каждого диаметра трубы по фиг. 1 может быть найдена частота для каждого типа волны, при работе на которой затухание в линии равно 1 дб. Форма кривой для волны типа ТЕп типична для большинства типов волн в круглом волноводе. При увеличении частоты значение

диаметра волновода, уменьшаясь, проходит через мини­ мум, после чего снова растет. Это связано с тем, что зату­ хание, которое велико вблизи отсечки, уменьшается, и на некоторой частоте потери оказываются минимальными, а затем растут с ростом частоты при / > /кр. На этой диа­ грамме все три кривые для каждого типа волн сливаются при низких частотах и стремятся к прямым линиям, для

Ф и г. 1. Зависимость ча­ стоты от диаметра волно­ вода для некоторых зна­ чении расстоянии для 1-де- цнбельных систем, работа­

ющих па типах волн

Г С ц ( Д ц ) 11 Т Е 01(Кох).

которых / = /кр. Для волны типа ТЕп такой прямой яв­ ляется линия }с1 = 1,95, а для типа ТЕо1 эта линия соот­ ветствует /с! — 4,06.

Линин /?о1 на фиг. 1 показывают монотонное умень­ шение диаметра волновода с увеличением частоты; от­ личительная черта волны типа ТЕо1 — затухание мо­ нотонно уменьшается с ростом частоты при / > /кр.

Заштрихованная область на фиг. 1 наиболее интерес­ на для современных предполагаемых применений и, как видно, заключена в диапазоне частот 50—5000 Мгц и между 60 и 600 см по диаметру волновода, что соответст­ вует уровням передаваемой мощности 1 — 100 Гвт. Ока­ зывается, что для расстояния более 80 км, на котором поглощение не превышает 1 до, можно работать только на

волне типа ТЕог в указанной области. Однако если бы интерес представляли более коротковолновый диапазон или системы с более высокими потерями, то было бы целе­ сообразным сравнить системы с волнами типов ТЕи и ТЕо1. И з фиг. 1 видно, что система с волной ТЕп имеет минимальный диаметр трубы на частоте вблизи 100 Мгц. Как будет видно из дальнейшего изложения, стоимости окажутся одинаковыми для работы на волнах ТЕц и

т е 01.

Необходимо тем или иным способом отводить мощность, выделяемую за счет джоулевых потерь в стенках волново­ да. Если это делается путем продувания газа через вол­ новод, по которому передается мощность, то имеется до­ бавочное затухание, вызванное потерями в этом газе. Для обычного воздуха при нормальных температуре и давлении основным источником поглощения является кислород [8—10].

На частотах ниже 10 Ггц затухание из-за паров воды (при типичных уровнях влажности воздуха) пренебре­ жимо мало по сравнению с затуханием за счет кислорода.

3,81 «10"3 дб/км (т. е. затухание 1 дб на 270 /ш) в частот­ ном диапазоне от 300 Мгц до 10 Ггц при типичной ра­ бочей температуре 125 °С [8]. Таким образом, для пред­ ставляющих интерес длинных систем порядка 800 км необходимо по возможности уменьшать содержание кис­ лорода в охлаждающем воздухе. Для 80-километровой системы это является важным при работе на высоких ча­ стотах и, по всей вероятности, не потребуется для частот ниже 500 Мгц, где затухание составляет 1,9-10“3 дб/км..I

III. Потери преобразования в неидеальном волноводе

Некоторые отличия реального волновода от идеаль­ но круглого цилиндрического волновода вызывает пе­ реход мощности с волны с низкими потерями к волнам нежелательных типов с большими потерями [11]. Мощ­ ность также может переходить обратно — от нежелатель-

ных типов волн к волне типа ТЕ^Ъ и этот эффект может быть использован в изгибах.

«Настроенный изгиб» можно сконструировать таким образом, чтобы он имел как раз такую длину, при кото­ рой в выходном сечении значение мощности на рабочем типе волны было максимальным [12]. Однако, если исклю­ чить рассмотренный случай, резонно допустить, что вся мощность, которая переходит к паразитным типам волн, должна считаться потерянной. Это допущение оправдано в силу того, что нас интересуют низкие потери в системах, работающих на волне ТЕ01 (порядка 1 дб), а при этом затухание на паразитных типах волн в волноводе длиной 80—800 км будет измеряться большим числом децибел.

Задача преобразования типов волн в цилиндрических волноводах всесторонне исследовалась в системах связи 111, 13], в которых представляют интерес устройства с от­ носительно широкой рабочей полосой частот, хотя и с большими общими потерями.

Авторы [14] в последнее время пересмотрели эту зада­ чу в связи с проблемами передачи мощности па волне ТЕ01 для систем с низкими общими потерями, работаю­ щих на одной фиксированной частоте или в узкой зоне вблизи ьге. В каждом типе системы необходимо приме­ нять меры для предотвращения вырождения между типа­ ми волн ТЕо1 и ТМ1Ъ что особенно важно при конструи­ ровании изгибов. Наиболее обнадеживающим средством для снятия вырождения представляется покрытие стенок волновода тонким слоем диэлектрика с низкими потеря­ ми, как показано на фиг. 2, а. В работе [12] показано, что типичные конструкции волноводов с диаметрами от 60 см до 6 м с покрытием имеют потери порядка 3,175* 10“3— 6,35*10“3 дб/км в девяностоградусном изгибе. Для дости­ жения таких низких потерь требуются радиусы изгиба порядка 800 — 8000 м в зависимости от диаметра волно­ вода.

Для большинства конструкций следует надеяться, что потери в изгибах удастся сделать достаточно малыми по сравнению с 1 дб.

Принципиальная проблема для мощных систем, как и для систем связи, заключается в том, что преобразова­ ние типов волн в прямолинейных секциях волновода

ния от прямолинейности. Но именно эти отклонения вы­ зывают связь волны типа ТЕо1 с волнами типов ТЕп , ТЕХп, ТЕ1гп. В работе [14] показано, что потери вследствие непрямолинейности для модели с двумя типами волн мо­ гут быть записаны в виде

где Ь — длина волновода и 6п — величина спектральной плотности отклонений волновода от прямолинейного на частоте, соответствующей разностной длине волны между двумя интересующими типами волн. В выражении (5) предполагается, что отклонения от прямолинейности имеют периодический характер со значениями периодов, подчи­ няющимися гауссовскому распределению. Величина, об­ ратная разностной длине волны, есть просто разность между обратными величинами длин волн двух интересую­ щих типов. Например, разностная длина волны между типами ТЕ0 1 и ТЕ12 при частоте 1,0 Ггц в трубе диаметром 2,45 м составляет 30,5 м. Таким образом, величина 0п должна быть оценена при периодичности механических отклонений волновода от прямолинейного, соответствую­ щей длине волны ^ 3 0 ,5 м.

Количественные значения Сп в выражении (5) были подсчитаны в работе [14]. На фиг. 3 представлены резуль­ таты расчета в виде зависимости величины отклонения волновода от прямолинейного (от максимума к максиму­ му) 6 (в мм) для различных значений общих потерь (вклю­ чая потери преобразования и потери на волне типа ТЕог) от диаметра волновода (в м).

Величина 6 выбрана для интервала 30,5 м. Как было отмечено в [14], предполагается, что б изменяется линей­ но с расстоянием. Таким образом, для получения экви­ валентного ослабления 1 дб на расстоянии 800 км не­ обходимо обеспечивать прямолинейность трубы диаметром 3 ж с погрешностью, не превышающей 0,26 мм. Такую точность для указанных размеров, по-видимому, нельзя получить в большинстве простых методов изготовления волноводов.

В работе [15] было показано, что можно сделать 5-сан- тиметровый волновод с необходимой точностью с исполь­ зованием специальной протяжки трубы, имеющей допуск,

в 50 раз более жесткий, чем требуется здесь, т. е. порядка ±0,0025 мм. Конструкция волновода, в которой обеспечи­ ваются необходимые допуски на размеры трубы от 60 см до 6 м в диаметре, показана на фиг. 2,6.

На внутреннюю сторону трубы из пенопласта накла­ дывается тонкий слой меди. Пенопласт совершенно не-

Ф п г. 3. Зависимость отклонения от линейности -5 (рас­ стояние между максимумами) от диаметра трубы для неко­ торых значении длин 1-децибельпон системы.

чувствителен к колебаниям температуры, поскольку он имеет почти пулевые теплопроводность и коэффициент теплового расширения. Кроме того, этот материал на­ столько легок в сравнении с его прочностью, что величина прогиба даже для трубы диаметром 6 м (при разумной тол­ щине стенки) пренебрежимо мала. Требуемые размеры трубы практически любого диаметра можно обеспечить до или после того, как она будет установлена на место, что позволяет сделать процесс изготовления более гиб­ ким. Использование пенопласта с металлическим покры­ тием было разработано как составная часть прецизноп-

нон технологии изготовления больших антенн, в которых проблемы формоустойчпвостп (под влиянием таких фак­ торов, как температура и прогиб) встают подобным же образом.

Поэтому представляется естественным и целесообраз­ ным использовать эту технологию и для рассматривае­ мых систем передачи. Если бы труба была сделана из стали или стекла, она имела бы значительный прогиб под действием своего веса, была бы более тяжелой п до­ рогостоящей. Такая труба, кроме того, испытывала бы значительные изменения формы и размеров при обычных колебаниях суточной и сезонной температуры.

Вследствие своей низкой теплопроводности этот тип волновода, по-видимому, нуждается в охлаждении вну­ тренней поверхности при помощи охлаждающего воздуха или азота, как показано на фиг. 2а. Эффект турбулент­ ности в охлаждающем воздухе будет приводить в некото­ рой степени к преобразованию типов волн аналогично действию случайных неоднородностей в стейках волново­ да. Этот эффект не имеет значения па низких мощностях, но, несомненно, на высоких уровнях мощности будет огра­ ничивать минимальную скорость воздушного потока во избежание перегрева воздуха.

IV. Оценки стоимости подземных систем передачи СВЧ-энергии, использующих волновод

спенопластовыми стенками

Вэтом разделе мы определим стоимость изготовления и прокладки волновода, показанного на фиг. 2, в зависи­ мости от его диаметра. Труба, показанная на фиг. 2, была изготовлена следующим образом. Сначала пламенным распылением наносился слой алюминия на специальную оправку с предотвращением прилипания, затем на тонкий слой алюминия осаждался пенопласт, после чего труба, соскальзывая, снималась с оправки. Для труб больших диаметров можно использовать иные методы изготовле­

ния. Пенопласт легко можно обрабатывать с любой сте­ пенью точности после того, как он затвердеет, и, следо­ вательно, большую трубу можно сделать сначала грубо, а потом довести до размеров и сделать металлическое

покрытие с внутренней стороны. Пока нельзя определен­ но предсказать, какая точность будет достигнута при та­ ком методе изготовления.

Оценку проведем, исходя из того, что максимальное отклонение волновода от прямолинейного на длине 30,5 м

Ф и г. 4. Зависимость стоимости передающей системы диаметра трубы для подземных систем с использованием

иопластовых труб.

Для сравнения приведена зависимость стоимости стандартной глиняной трубы от се диаметра.

составляет для труб с диаметром 1—2 м величину б ^ 0,13 мм, что возможно при более или менее тради­ ционных методах изготовления. Если эти оценки пра­ вильны, то возможны системы, имеющие поглощение 1 дб на 320 км для труб диаметром более 1 м и 1 дб на 800 км для труб диаметром более 2 м. В следующем разделе бу­ дет определена стоимость трубы диаметром 1—2 м (ве­ личина этой стоимости показана на фиг. 4). Если допу­ стить, что трубы для систем любой длины будут сделаны с одинаковой точностью, то они будут отличаться по зна-