книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

•чеишо потерь. 320-километровая система, использующая волновод диаметром I м, и 800-километровая система с диаметром волновода 3 м будут характеризоваться оди­ наковыми потерями в 1 дб. Предполагается, что в более коротких и в более длинных системах используются оди­ наковые трубы и, следовательно, они обладают меньшими пли большими потерями, пропорциональными их длине.

Трубу надо как-то поместить в подобие туннеля под землей. Нужно также предусмотреть клинья, которые с определенным интервалом (или непрерывно) поддержи­ вают прямолинейность волновода. Самокомпеисирующиеся системы также можно мыслить с использованием не­ сложных автоматических приспособлений.

При оценке стоимости самой пенопластовой трубы мы предполагаем, что, хотя допустимые отклонения увели­ чиваются линейно с увеличением диаметра трубы, стои­ мость на единицу площади внутренней поверхности при­ мерно одинакова для труб всех размеров. Для обеспече­ ния одинаковой жесткости в трубах большого диаметра требуются более толстые стенки, чем в трубах меньшего диаметра. Исходя из всех этих аспектов, мы и провели оценки стоимости, которые иллюстрируются фиг 4. Показана стоимость 1 км в зависимости от диаметра трубы (в м) для пенопластовой и глиняной труб. Здесь же при­ ведена полная стоимость 1 км подземной линии передачи, использующей пенопластовую трубу, изготовленную пер­ вым из описанных выше способом. Интересный итог этих подсчетов состоит в том, что стоимость пенопластовой трубы составляет менее одной пятой общей стоимости системы. Наибольшая доля общей стоимости системы при­ ходится на стоимость бетонированного туннеля, что ука­ зывает на то, что необходимо разработать дешевые спо­ собы изготовления и облицовки подземных туннелей, ие ослабляя, однако, внимания к разработкам новых типов волноводов.

Стоимость пенопластовой трубы была определена для диаметра 1 м со стенками толщиной 7,5 см. При стоимости

7,2 долл, за 1 м трубы. Работа и вспомогательные мате­ риалы, включая диэлектрическую облицовку внутри тру­ бы, оцениваются в 6,5 долл/м, что приводит к полной стои­ мости 26 долл./м или 26 000 долл.Iкм для самой трубы.

Удаление грунта из траншеи сечением 1,6 х 4,6 м2

клиньями по 50 долл, за клин по два клина на 15 м обой­

суммы, чтобы покрыть расходы на наземные работы и от­ числения, тогда общая стоимость передающей системы для трубы диаметром 1 м составит 162 000 долл, за 1 км. Такая же труба диаметром 2 м обойдется в два раза доро­ же по расходам на земляные работы и несколько больше чем в 2 раза по стоимости материала.

V. Общая стоимость СВЧ-систем

Оценим стоимость и эффективность оборудования для некоторых типов систем и воспользуемся этими оценками для определения общей стоимости СВЧ-систем. В рабо­ тах [16, 17] оценена стоимость оборудования для преоб­ разования энергии постоянного тока в СВЧ-энергию. В работе [18] дана оценка стоимости генерации пере­ менного тока и устройств для преобразования перемен­ ного тока в постоянный и постоянного в переменный. Вероятно, стоимость преобразования энергии СВЧ в энер­ гию постоянного тока будет такой же, как стоимость пре­ образования энергии постоянного тока в СВЧ-энергию, и мы из этого и будем исходить. Поскольку преобразование стоит дороже на высоком напряжении, чем на низком для данной мощности, положим, что стоимость преобра­ зования переменного тока в постоянный и далее в СВЧэнергию будет лишь немногим больше, чем стоимость выпрямления переменного тока в постоянный. Такая

оценка базируется на том, что СВЧ-лампы могут работать на более низком уровне сопротивлений, чем сверхвысо­ ковольтные линии постоянного тока, н таким образом, подведенная СВЧ-энергия будет преобразовываться в энергию постоянного тока при заметно меньших импедансах, чем при преобразовании энергии переменного тока в постоянный в системах постоянного тока.

Экономия будет иметь место в основном в трансфор­ маторах и выпрямителях. Такая же экономия должна получиться и в стоимости преобразования энергии СВЧ в энергию переменного тока. Следует особо подчеркнуть, что все эти оценки являются по существу весьма прибли­ женными и потребуют, вероятно, значительных уточне­ ний. Для преобразования переменного тока в СВЧ были сконструированы лампы па уровень мощности 1 Мет [4, 19] в диапазоне частот 8 Ггц, которые позволяют нам с уверенностью предполагать, что можно разработать лампы на уровень непрерывной мощности 100 Мет в диа­ пазоне 1 Ггц или несколько ниже. Проблема выпрямления СВЧ-энергии значительно менее ясна, однако ее решение будет зависеть от того, насколько полно удастся исполь­ зовать методы моделирования.

Определим параметры а та и а ат как стоимость в дол­ ларах на киловатт мощности, преобразуемой из энергии СВЧ в переменный ток и наоборот, соответственно вклю­ чая все специальные системы охлаждения волновода воз­ духом или газом. Оценим аат = а та = 30 долл)кет. Это сравнимо с расходами на оборудование для преобразо­

ния постоянного тока в СВЧ-колебания несколько меньше 10 долл/кет, т. е. паша оценка выглядит несколько консервативной, особенно в свете дальнейших разработок

вэтой пока малоизученной области.

К.п. д. устройств, осуществляющих преобразование переменного тока в постоянный ч\ай и наоборот т]^, нахо­ дится в пределах 98,5%. СВЧ-лампы с к. п. д. 90% уже созданы и, по-видимому, в конце концов не придется мириться с меньшими к. п. д. преобразования..постоян­ ного тока в СВЧ-колебаиня для применения в передаче

мы (в км) для подземных систем переменного, постоянного тока и СВЧ-системы. К. п. д. любой линии передачи, имеющей 1 дб затухания, составляет 80%. Этому уровню к. п. д. передачи соответствуют линии диаметром 1 м, длиной 320 км и диаметром 2 м , длиной 800 км. Таким образом, линия с диаметром 1 м, но заведомо много боль­ шей длины, например 1280 км, будет иметь потери 4 дб

Ф п г. 5. Зависимость стоимости передаваемой мощности от длины системы.

1 — ± 375 к в , постоянный ток, 0,75 Г с т \ 2 — диаметр трубы 1 м , С ВЧ, 5 Г в т ; 3 " — диаметр трубы 2 м , СВЧ, 7,5 Г в т \ 4 — 500 к в , переменный ток, 0,75 Гвпг, 5 — стоимость генерации мощности переменного тока.

и к. п. д. передачи всего 40%. Из фиг. 5 видно, что около этой точки стоимость системы с трубой диаметром 1 м начинает возрастать очень быстро, вследствие того, что большая часть мощности теряется впустую.

В большинстве систем постоянного и переменного то­ ков потери держатся на уровне ниже 10%. На фиг. 5 предполагается, что для всех длин систем используется одинаковая конфигурация линий, а к. п. д. систем про­ тяженностью 320 км для переменного и постоянного то­

ков составляет 96,7%, Для очень коротких систем стои­ мость системы переменного тока приближается к стои­ мости генерации мощности порядка 0,3 цент/квт-ч, в то время как системы на постоянном токе и СВЧ прибли­ жаются по стоимости к сумме стоимости генерации мощ­ ности и преобразования. Для величин, используемых в данных расчетах, точка пересечения кривых, соответст­ вующих системам переменного и постоянного тока, на­ ходится около значения 275 км. Это указывает на то, что при расстоянии, превышающем 275 км, экономически целесообразнее применять подземные линии постоянного тока по сравнению с системами переменного тока.

Для СВЧ-системы с волноводом диаметром 1 м имеют­ ся две точки пересечения с системой постоянного тока при 210 и 1050 км, определяющие диапазон протяжен­ ностей системы, в котором возможна экономия от при­ менения СВЧ-системы. Для передающей СВЧ-системы с волноводом диаметром 2 м, работающей на уровне мощности, в 5 раз большем, чем при диаметре волновода в 1 м, верхняя точка пересечения соответствует значи­ тельно большей протяженности системы.

тухании 1 дб, км; Кп — протяженность трубы для волны ТЕи при зату­

к максимуму; аша — стоимость преобразования энергии СВЧ в энер­

гию переменного тока, долл/квпц

а ат — стоимость преобразования энергии переменного тока в СВЧ-энергию, долл/кет;

аай — стоимость преобразования переменного тока в по­ стоянный ток, долл/кет;

а(1а — стоимость преобразования постоянного тока в

переменный ток, долл/кет; пг — длина передающей линии, км;

—стоимость на 1 км передающей линии;

аген — стоимость генерации переменного тока, долл/кет;

11ай — к. п. д. преобразования переменного тока в по­ стоянный;

т)</а — к- п. д. преобразования постоянного тока в пере­ менный;

г)„ад — к. п. д. преобразования энергии СВЧ в энергию

2.Н и а, М.-Т. ”\У1ге1езз ро\уег 1гапзгшззюп, К'о Н&иеК Та СНипц (СЫпезе), № 11, рр. 12—13, 1963 (Еп^ИзЬ Тгапз1. РТО—ТТ—

№Пеу 1965.

17.В г о \у п XV. С., Тке атрПТгоп, а зирег ро\уег ппсго\уауе &епегаТог, Е1ес1гоп. Ргодг., 9 (,1и1у — Аид. 1960).

18.ЫаИопа! Ротуег 5игуеу,гРерТ., Р1. II, р. вО.'Реск Ро\уег С о тт ., 1964.

19.Ь и е Ь к е XV., С а г у о 1 а к 1 з О., Оеуе1ортеп1 оГ а 1шеба-

3.7.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Окр е с с

Замкнутые волноводы, в которых полное электромаг­ нитное поле экранировано от внешней среды, представ­ ляют собой важный класс волноводов для передачи высо­ кой СВЧ-мощности. Хотя способность передавать мощ­ ность по таким волноводам очень высока, так что в на­ стоящее время практически отсутствуют ограничения в этом отношении (в особенности, если используется ком­ прессирование волновода газом), их применение повсю­ ду затрудняется прежде всего из-за высоких потерь пере­ дачи. Эти потери могут быть уменьшены по сравнению с традиционными мощными передающими линиями при использовании волноводов увеличенного сечения, ра­ ботающих на высших типах волн. Это снижение потерь связано с относительно малыми токами в стенках волно­ вода. Использование волноводов увеличенного сечения требует специального конструирования ряда элементов тракта, чтобы предотвратить рост потерь, вызванный ин­ тенсивным преобразованием типов волн. Конструкция прямолинейных и плавных переходов на прямоугольных волноводах, обычных изгибов й квазиоптических изгибов Каценеленбаума, а также направленных ответвителей, в особенности ответвителей со связью через боковую стен­ ку, способных передавать высокую мощность в волноводах умеренно увеличенного сечения (1,5—2,5 Я), — все эти вопросы всесторонне рассмотрены в данном разделе, не­ смотря на сжатость объема. Исследованы вопросы связи через малые отверстия и метод получения гладкой связи через боковую стенку в ответвителях. Обсужден метод определения амплитуд нежелательных типов волн. Рас­ смотрены квазиоптические методы конструирования вол­ новодов с сильно увеличенным сечением (5*10Х). По су­ ществу задачи конструирования широкополосных волно­ водов с увеличенным сечением и соответствующих эле­ ментов, кратко изложенные в этом разделе, относятся к кругу вопросов, значительная часть которых до сих пор не прорабатывалась где-либо СВЧ-инженерами.

Однопроводные поверхностные волноводы, в техни­ ческих кругах называемые 0-линиями, состоят из ци­ линдрического проводника, покрытого диэлектриком с распространяющейся поверхностной поперечномагнитной волной. Рассмотрены конструкция и характеристики волноводов: потери и способность передавать большую мощность. Дана оценка конструкции таких волноводов, эффективности и пробивной прочности. Эти характеристи­ ки оцениваются весьма высоко. Применение таких линий для передачи СВЧ-энергии особенно заманчиво в случаях, когда расстояние можно перекрыть одним пролетом или только с несколькими промежуточными опорами. Одна­ ко открытые структуры подвержены влияниям окружаю­ щей среды.

Рассмотренные экранированные волноводы состоят из коаксиальных компонентов с гибридной поверхностной волной. Этй волноводы представляют собой систему, в ко­ торой основным типом волны является именно гибридная, причем предполагается, что ТЕМ-волпа в такой коак­ сиальной линии не возникает. Диэлектрическое покрытие внутреннего проводника обычной (ТЕМ) коаксиальной линии просто увеличивает долю энергии, переносимой полем поверхностной волны. В стандартных линиях это поле весьма мало, но все-таки всегда существует. Упомя­ нутая система представляется удобной для различных важных практических применений. Не проводя строгого анализа, можно говорить о возможности передачи боль­ ших мощностей с более низким затуханием, чем достигну­ то в коаксиальных линиях на волне ТЕМ, в особенности если диаметр экрана достаточно велик. Кроме того, до­ стоинство заключается в их независимости от погоды и внешних неоднородностей в противоположность их неэкранированным «партнерам». С помощью экраниро­ ванных волноводов можно определять положение дви­ жущихся поездов, а также осуществлять за ними кон­ троль и связь. Это достигается относительно простым приемом, заключающимся в отражении сигнала от дви­ жущегося поезда, проектируемом через продольную щель в экране, который обеспечивает достаточную замкнутость и близость поверхностной волны к центральному про­ воднику.