книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

Квазиоптические волноводы являются по существу периодическими структурами, по которым распростра­ няется пучок электромагнитных воли с высокой направ­ ленностью, достигаемой с помощью фокусировки, т. е. периодического восстановления распределения поля в пучке. Так называемые рефлекторные лучевые (или квазиоптическне) волноводы могут быть предназначены для передачи мощности; восстановление фронта волны в них достигается отражением пучка от металлических рефлек­ торов, имеющих определенную кривизну поверхности. Распределение поля по поперечному сечению пучка ап­ проксимируется весьма точно гауссовой кривой. Потери в таких волноводах в основном определяются потерями рассеяния на отражателях. Проведено теоретическое рас­ смотрение и имеются экспериментальные данные о спо­ собности этих рефлекторных волноводов передавать сверх­ высокие уровни СВЧ-мощности с относительно высоким к. п. д. Д л я передачи СВЧ-мощности необходимо иметь большие размеры рефлекторов, к тому же система в целом представляет собой открытую структуру, что является недостатком волноводов этого типа. Более того, прак­ тическая реализация требуемой механической точности и расположения рефлекторов или секций рефлекторных волноводов для достижения хороших параметров пере­ дачи пока не представляется осуществимой. Такая си­ туация с рефлекторными волноводами имеет место, не­ смотря на то что точность, требуемая для квазиоптических волноводов, по крайней мере на порядок меньше, чем для полых трубчатых волноводов. Сведения, касаю­ щиеся механической точности и юстировки рефлекторных волноводов, противоречивы: некоторые исследователи придерживаются весьма отрицательных оценок, другие считают, что здесь нет серьезных проблем. Предложены даже автоматические и самоустаиавливающие приспособ­ ления (при относительно низкой стоимости), обеспечи­ вающие угловую точность 10_6 рад. Эти точности могут рассматриваться, как существенно лучшие, чем требуется для СВЧ-волноводов.

Передача пучка электромагнитных волн в свободном пространстве связана с задачей передачи мощности от точки к точке посредством излучения. К. п. д. такого

вида передачи может быть достаточно высок, если прием­ ник находится в зоне Френеля передающей антенны. Условия оптимальной передачи требуют излучения пучка, распределение поля в котором такое же, как и на основ­ ном типе пучка в линзовых квазиоптических волноводах. Теоретический к. п. д. превышает 90%, если произведе-* ние расстояния между передатчиком и приемником на длину волны меньше удвоенного произведения радиусов приемной и передающей антенн. Рассмотрены некоторые вопросы конструирования антенн для эффективной пере­ дачи мощности. Плотность мощности в передаваемом пуч­ ке ограничена электрическим пробоем в атмосфере. При нормальных атмосферных условиях предельная плот­ ность мощности составляет 1,2 Мвт/см". При передаче мощности в верхние слои атмосферы или за них уменьше­ ние атмосферного давления существенно снижает ве­ личину пробивной* плотности мощности. Минимальная величина последней наблюдается при давлении порядка 1 мм рт. ст. Изложены и сопоставлены с теоретическими экспериментальные данные, известные в литературе. Ме­ тоды передачи, обсуждавшиеся в этой главе, пока не используются для передачи мощности. Тем не менее обсуждены также результаты предварительных исследо­ ваний перспективности волноводов увеличенного сече­ ния для передачи мощности. Это относится к ци­ линдрическому волноводу, работающему значительно выше отсечки на волне типа ТЕ01 с круговым электриче­ ским полем и низкими потерями. Такие волноводы могут передавать мощности порядка тысяч мегаватт в диапа­ зоне частот ниже 10 Ггц с приемлемыми потерями в стен­ ке на расстояния сотен километров. При этом они могут быть сделаны с соответствующей точностью во избежание интенсивного преобразования рабочего типа волны в дру­ гие, нежелательные типы воли с большими потерями. Допуски на отклонение волновода от прямолинейного в большинстве случаев являются суровым ограничением в использовании этого типа волновода в качестве элемента системы. Отношение потерь мощности на единицу длины к передаваемой мощности изменяется обратно пропор­ ционально размерам волновода (т. е. диаметру) в пред­ положении, что все другие параметры неизменны. Пока-

зано, что волновод, выполненный из пенопласта, способен удовлетворить требуемым допускам. Стоимость затрат на постройку СВЧ-системы, использующей указанный волновод, подсчитана и сопоставлена со стоимостью наи­ более распространенных передающих линий постоянного и переменного токов. Из приведенного анализа ясно, что СВЧ-система может иметь экономическое преимущество перед обычными подземными системами постоянного или переменного тока для расстояний порядка нескольких сотен километров в предположении, что низкая стоимость мощного СВЧ-оборудования может быть достигнута для генерации и выпрямления СВЧ-мощности с к, п. д. 80% или выше.

Г л а в а 4

ВЫПРЯМЛЕНИЕ

4 . 1. ВВЕДЕНИЕ

Б р а у н

Преобразование энергии СВЧ в энергию постоянного тока — процесс, обратный генерированию энергии СВЧ. Наличие подходящих средств выпрямления СВЧ-колеба- нпн необходимо для широкого применения мощных СВЧсистем и безусловно обязательно для создания любой системы передачи энергии СВЧ. В полной противополож­ ности с историей разработки генераторов СВЧ, которым уделялось очень много внимания на протяжении почти трех десятилетий, разработке выпрямителей уделялось сравнительно мало внимания. Дело в том, что потреб­ ность в выпрямителях мощных СВЧ-колебаиий возникла только недавно в связи с растущим интересом к примене­ ниям энергии СВЧ.

Сторонники применения сверхвысоких частот для передачи энергии на приемном конце линии преобразо­ вывали энергию СВЧ в тепло, которое использовалось либо непосредственно, либо для запуска тепловой машины. Однако такой подход ведет к усложнению механической конструкции и может обеспечить к. п. д. в лучшем слу­ чае 30%. Отсюда сразу же становится понятной потреб­ ность в эффективном электронном приборе для преобра­ зования энергии СВЧ непосредственно в энергию по­ стоянного тока.

Наиболее старыми среди известных разработок вы­ прямителей, предназначенных в конечном счете для целей энергетики, а не связи, были работы, выполнявшиеся по двум заказам лабораторий ВВС США в Райт-Филде. Одну из этих работ выполнял Лафайеттский университет, и она представляла собой широкое исследование вопросов

разработки приборов для выпрямления мощных колеба­ ний СВЧ. Задача второй работы сводилась к исследованию выпрямительного прибора, который был аналогом маг­ нетрона. Результаты этих двух работ послужили важной основой для определения курса дальнейших исследований

иопытов по системам передачи энергии СВЧ. Выпрямители можно классифицировать различным

образом. Согласно одной из классификаций, все выпря­ мители делят на полупроводниковые и электровакуум­ ные. При этом в отличие от ситуации, существующей в области мощных генераторов энергии СВЧ, между обеими группами приборов имеется значительная конкуренция. Согласно другой классификации, выпрямители делят на используемые для выпрямления аналоги генераторных и усилительных электровакуумных приборов и выпрями­ тельные диоды. Можно также делить выпрямители на низконмпедансиыё и высокоимпедансные приборы. Вы­ прямители, выполненные на базе генераторных и усили­ тельных электровакуумных приборов, обычно имеют вы­ сокий импеданс, малый ток и высокое напряжение на выходе, тогда как диодные выпрямители — и полупро­ водниковые, и электровакуумные — обычно являются низкоимпедаисными приборами.

На проектирование конкретного СВЧ-выпрямителя всегда оказывали значительное влияние особенности его применения. Можно ожидать, что в дальнейшем это влия­ ние еще более усилится. Как показала практика, при­ ходится разрабатывать как очень маломощные, так и сверхмощные выпрямители. Для аэрокосмического обо­ рудования, например, типичным является малогабарит­ ный выпрямитель с номинальной мощностью около 1 а/л, который в больших количествах используется в комби­ нациях «ненаправленная приемная антенна— -выпрями­ тель».

Напротив, если когда-либо сверхвысокие частоты смо­ гут конкурировать с обычными системами передачи энер­ гии специализированного или универсального назначе­ ния, то потребуются выпрямители с очень большой номи­ нальной мощностью.

К. п. д. выпрямителей имеет, конечно, такое же зна­ чение, как и к. п. д. генераторов. В настоящее время

к. п. д. полупроводниковых диодов достиг уровня 90% на частоте 3000 Мец. Вакуумный диод и выпрямители, выполненные на базе мощных генераторов СВЧ, пока не позволяют получать такие значения к. и. д., но, повидимому, эти приборы способны потенциально работать при таких же больших к. п. д. и иметь сравнительно вы­ сокие номинальные значения мощности.

При описании СВЧ-выпрямителей важно также упо­ мянуть об относительно большом числе различных уско­ рителей частиц, в которых энергия СВЧ преобразуется в кинетическую энергию частиц. Предложены конструк­ ции выпрямителей, представляющих собой ускоритель частиц, дополненный устройством преобразования кине­ тической энергии частиц в энергию постоянного тока.

В данной главе описано много различных подходов к созданию СВЧ-выпрямителей, и уже по этому материа­ лу можно судить о больших усилиях, прилагаемых к раз­ витию этой области СВЧ-техники. Достигнутые резуль­ таты еще более впечатляют, если учесть, что на эти ра­ боты не выделялись сколько-нибудь значительные спе­ циальные ассигнования. В заключение можно сказать, что сейчас уже создана техника выпрямителей, достаточ­ но развитая для того, чтобы удовлетворить многие тре­ бования, выдвигаемые на стадии начального проектиро­ вания систем, и уже созданы методы, с помощью которых, вероятно, удастся удовлетворить требования развиваю­ щейся энергетики СВЧ в будущем.

4.2 МОЩНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Дж о р д ж

I.Введение

Сразработкой эффективных генераторов, позволяю­ щих в непрерывном режиме получать мощности в сотни киловатт, появилась потребность в создании легкого и мощного СВЧ-вылрямителя, который не потреблял бы энергии в «дежурном» режиме. Для эффективного детек­ тирования сигналов СВЧ в свое время был разработан

точечно-контактный (точечный) полупроводниковый диод; но в обширной литературе, посвященной таким диодам, до 1962 г. не содержится информации об эффективности этих диодов как мощных выпрямителей СВЧ.

Для эффективного выпрямления энергии СВЧ нужно, чтобы выпрямитель давал максимум энергии на постоян­ ном токе при минимальном содержании гармоник. Этим требованиям удовлетворяет мостовой выпрямитель (одно­ фазный двухполупер йодный выпрямитель). Выпрями­ тель этого типа особенно удобен для использования на сверхвысоких частотах в тех случаях, когда для получе­ ния на выходе заданного напряжения постоянного тока требуется включить последовательно несколько диодов. В обе половины периода СВЧ этот выпрямитель пред­ ставляет собой одинаковую нагрузку для тракта СВЧ, что приводит к минимальному обратному пиковому на­ пряжению на диодах. Если диоды имеют малые разме­ ры, то выпрямитель легко можно расположить так, что путь тока выпрямителя в пространстве будет почти оди­ наковым для обоих полупериодов, а паразитная емкость между выходными клеммами выпрямителя образует фильтр с очень низким импедансом, включенный параллельно выходу выпрямителя. Поэтому в большинстве испыта­ ний, описанных в разд. 4.2, диоды включены по мостовой схеме двухполупериодного выпрямления.

Приведенные в разд. 4.2 характеристики точечных диодов, плоскостных диодов и диодов с барьером Шоттки ри использовании их для выпрямления энергии СВЧ

базируются на результатах исследовательских работ [1— 5Ь Целью первой работы было создание эксперименталь­ ного выпрямителя с выходной мощностью на постоянном токе в пределах от 10 до 100 вт\ вторая работа представ­ ляла собой субконтракт [3—51, выполнявшийся для фирмы «Рейтеон», по которому нужно было произвести оценку и отбор диодов для использования их в качестве мощных СВЧ-выпрямителей.

Полученные результаты относятся к диодам, разра­ ботанным для применений в качестве СВЧ-детекторов, смесителей или переключателей, которые можно исполь­ зовать в СВЧ-энергетике, пока не начнется выпуск дио­ дов, специально предназначенных для мощных выпрями­ телей диапазона СВЧ.

II. Двухполупериодный мостовой выпрямитель, смонтированный в волноводе с внутренними

размерами 108 X 121 м м

Уже первые испытания выпускаемых промышлен­ ностью сверхминиатюрных точечных диодов типа Ш830, собранных в виде мостового выпрямителя в волноводе 10-сантнметрового (2,4—3,1 Ггц) диапазона, показали, что к. п. д. выпрямления превышает 60%. К. п. д. вы­ прямления определялся как отношение

Этот сверхминиатюрный диод имеет следующие раз­ меры: максимальная длина 7,6 мм, диаметр 2,6 мм, диа­ метр проволочных выводов 0,5 мм.

Чтобы удовлетворить требованию по выходной мощ­ ности (10—100 вт постоянного тока при напряжении 24—32 в), был сконструирован специальный волновод, имевший внутренние размеры 108 х 121 мм. Диоды мон­ тировались в сечении волновода на латунной рамке тол­ щиной 6,3 мм с серебряным покрытием/Выводы диодов крепились в пазах, имевшихся" в'*'стержнях крепления. Концы этих стержней, размер которых в сечении состав-

Чтобы можно было воспользоваться измерительным оборудованием 10-саитиметрового диапазона, была сде­ лана переходная секция от стандартного волновода 10-саи­ тиметрового диапазона к волноводу 108 х 121 мм. Рамку с диодами зажимали между фланцем переходной секции и фланцем короткой секции волновода 108 X 121 мм, в которой имелся короткозамыкающий поршень для согласования. Расчетное характеристическое сопротив­ ление большого волновода равно 481 ом1).

Было очевидно, что выпрямитель, содержащий большое число близко расположенных диодов, вместе с нагрузкой по постоянному току и емкостным фильтром будет иметь на частоте 2,44 Ггц импеданс, значительно меньший 481 ом. Чтобы уменьшить потери на поверхностный эффект,

распределения диодов. Так как распределение интенсив­ ности поля СВЧ по сечению волновода неравномерно, было проведено много испытаний с целью определить влияние числа и распределения диодов на к. п. д. вы­ прямления и величину выходной мощности, приходящейся на один диод [1, 21. Оказалось, что при увеличении числа диодов до 640 заметное улучшение к. п. д. молено получить, если установить согласующий поршень на расстоянии около 0,08 длины волны от рамки с диодами.

Испытания показали [1, 2], что увеличение числа дио­ дов свыше 680 в данной конструкции почти не дает выиг­ рыша. Наилучший вариант расположения 680^диодов приведен на фиг. 1, а типичные результаты испытаний данного выпрямителя на частоте 2,44 Ггц представлены на фиг. 2. К. п. д. составил 67% при выходной мощности постоянного тока 14 вт и напряжении 30 а и приблизи­ тельно 60% при выходной мощности 24 вт и напряжениях)*

*) В данном случае характеристическое сопротивление волно­