книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

30, 32 или 36 в. Диоды имели принудительное воздушное охлаждение.

2. Жидкостное охлаждение диодов. Если мощные вы­ прямители СВЧ будут использоваться в космическом оборудовании, то воздушное охлаждение применить будет нельзя. По этой причине проводились испытания с целью определить влияние погружения диодов в чистое парафи­ новое масло на к. п. д. выпрямления. Это масло выбрано

Выходнаямощностью

Ф и г. 2. Типичные кривые к.п.д. выпрямителя ла 680 диодах на частоте 2,44 Гщ.

потому, что в диапазоне СВЧ его тангенс угла диэлектри­ ческих потерь составляет всего 0,0008, а диэлектриче­ ская проницаемость равна 2,14 [61; кроме того, оно об­ ладает очень низким давлением паров даже при 200 °С.

В испытательную установку были внесены некоторые изменения. Перед рамкой с диодами на расстоянии 3,2 мм от нее была установлена фторопластовая мембрана, а подвижный короткозамыкающий поршень был заменен неподвижной короткозамыкающей пластиной, удаленной от рамки с диодами на 9,5 мм. Во фланце, при помощи которого крепилась эта короткозамыкающая пластина, были сделаны входной и выходной патрубки (вверху и внизу), позволяющие создать равномерный поток масла через диоды.

Испытания выпрямителя на 680 диодах проводились при различных скоростях потока масла; оказалось, однако, что увеличение скорости потока выше 90 см*/мин не повышает к. п. д. При масляном охлаждении к. п. д. выпрямления составил 0,95% от значения к. п. д. при воздушном охлаждении и прочих равных условиях. Та­ ким образом, можно сделать вывод, что масляное охлаж­

лись, чтобы мощность, отраженная к генератору (на ча­ стоте 2,44 Гец), не превышала 1%, были включены вол­ новодная измерительная линия и два направленных от­ ветвителя. Для измерения импеданса выпрямителя вместе с нагрузкой в цепи постоянного тока использовалась стандартная методика. Вследствие потерь поверхностного эффекта в направленных ответвителях и измерительной линии максимальный к. п. д. понизился до 62%.

Уровень передаваемой мощности СВЧ меняли в пре­ делах от 22 до 42 вт. При напряжении постоянного тока 32 в к. с. в. и. изменялся от 9,5 до 8,3, и при максималь­ ном значении к. п. д. он был равен 9,46. Нормализован­ ное значение импеданса при максимальном значении к. п. д. равно 0,150—/0,054. Реактивная составляющая импеданса оставалась по существу постоянной при всех режимах испытаний.

Б. Определение к. п. д. СВЧ-выпрямителя на частоте 60 гц. Представлялось очевидным, .что если бы можно было измерить к. п. д. СВЧ-выпрямителя на частоте 60 гц с фильтром эквивалентной емкости, то можно было бы получить какие-то данные о влиянии неравномерного распределения интенсивности электрического поля в се­ чении волновода и о влиянии токов смещения через диоды на частоте 2,44 Ггц. Емкость фильтра выпрямителя опре­ деляется главным образом емкостью изоляции между стержнями, к которым крепятся диоды и которые обра­ зуют выходные зажимы. Эта емкость имеет величину 20 пф, что дает на частоте 2,44 Ггц реактивное сопротивление 3,25 ом. На частоте 60 гц емкость фильтра должна быть равна 8150 мф.

Для проведения испытаний на частоте 60 гц выводы диодов были отсоединены от рамки, что позволяло подать на выпрямительный мост энергию частоты 60 гц. Емкость фильтра, подключенная при этих испытаниях, была рав­ ной 8000 мф.

Сравнительные данные по к. п. д. на частотах 60 гц и 2,44 Ггц приведены на фиг. 3. Различия в к. п. д. оказа­ лись удивительно небольшими, если учесть, что в потери выпрямителя на частоте 2,44 Ггц входят потерн из-за поверхностного эффекта, из-за токов смещения в диодах

и неравномерного распределения энергии в сечении вол­ новода. Из кривых на фиг. 3 видно, что в области, где к. п. д. выпрямителя на частоте 2,44 Ггц превышает 65%, к. п. д. на частоте 60 гц изменяется от 70 до 68,5%.

1. Определение источников потерь в выпрямителе на 680 диодах при испытаниях на частоте 60 гц. В режиме с постоянным напряжением на выходе 32 в при отбирае­ мом токе 1 а (к. п. д. выпрямления 64%) измерялись

эффективное и пиковое значения входного напряжения переменного тока. Пиковое значение оказалось равным 50 в. Следовательно, пиковое обратное напряжение было равно 82 в, а гшковое прямое напряжение 18 в. Угол проводимости в этом режиме был 100°.

С целью определить экспериментально мгновенные зна­ чения прямого и обратного тока выпрямителя в различ­ ных точках волны синусоидального напряжения прямой ток измеряли в режиме, когда к двум последовательным плечам моста прикладывалось напряжение от 0 до 18 в постоянного тока, а обратный ток — когда прикладыва­ лось напряжение от 32 до 80 в постоянного тока. По дан­ ным этих измерений была построена кривая мгновенных значений потерь мощности за один период в двух плечах выпрямителя; площадь, ограниченная этой кривой потерь, определялась с помощью планиметра. Оказалось, что средние потери мощности во всех четырех плечах выпря­ мителя имеют следующие значения: потери, обусловлен­ ные прямым сопротивлением, 13,1 вт; потери, обуслов­ ленные обратным током, 1,78 вт; суммарные потери вы­ прямителя 14,9 вт. Такая величина потерь соответствует к. п. д. выпрямления 68,3%, измеренное значение к. п. д. при этом уровне мощности равно 64%.

Чтобы сравнить результаты, полученные от выпря­ мителя на 680 диодах, с теми, которые могут дать хоро­ шие кремниевые выпрямители, был специально собран мостовой выпрямитель на четырех небольших, но мощных кремниевых диодах с емкостью фильтра 8000 мф, подклю­ ченной параллельно выходу. При выходном напряжении 32 в и выпрямленном токе 1 а к. п. д. выпрямления этого выпрямителя оказался равным 93,5%, что существенно отличается от значения 64%, полученного от выпрями­ теля на 680 диодах.

Данное сравнение подчеркивает важность разработки для мощных СВЧ-выпрямителей новых диодов, обладаю­ щих меньшим сопротивлением в прямом направлении и более высоким рабочим напряжением. Эти испытания показали также, что емкость фильтра на сверхвысоких частотах не вызывает каких-либо трудностей, и в ее роли вполне может выступать паразитная емкость между выходными зажимами постоянного тока.

III. Измерения к. п. д. выпрямления антенной решетки, состоящей из диполей

идвухполупериодных мостовых выпрямителей

вцентре каждого диполя

Методы введения полупроводниковых диодов в антен­ ную решетку для непосредственного приема и выпрямле­ ния энергии СВЧ без больших параболических или ру­ порных антенн были рассмотрены исследователями фирмы «Рейтеон» в работе [4]. Одна из антенных решеток, испы­ тания которой проводились на частоте 2,44 Ггц, состояла из 28 электрических вибраторов (диполей). В центре каждого вибратора имелся мостовой выпрямитель, соб­ ранный из четырех сверхминиатюрных точечных диодов. Такой выпрямляющий вибратор получил название «дипод» как комбинация слов диполь и диод.

Наилучшие результаты были получены с вертикально поляризованными диподами, расположенными на рас­ стоянии 0,50 длины волны друг от друга по горизонтали и 0,66 длины волны по вертикали при смещении диподов в горизонтальных рядах. Оказалось, что при той же плот­ ности распределения мощности СВЧ на решетке мощ­ ность постоянного тока на выходе можно увеличить в 1,75 раза, если на расстоянии 0,25 длины волны сзади решетки установить плоский металлический экран или сзади каждого дипода установить полуволновый диполь­ ный отражатель.

К. с. в. н. решетки с плоским металлическим экраном был равен приблизительно 1,36, а нормализованный им­ педанс составил 0,78—/0,15.

А. К* п. д. приема и выпрямления антенной решетки из 28 диподов на частоте 2,44 Ггц. Результаты измерения к. п. д. приема и выпрямления решетки из 28 диподов, выходы которых включены последовательно на омиче­ скую нагрузку 3500 ом, приведены в табл. 1. Действи­ тельная площадь решетки равнялась 0,142 и*2. Результаты, приведенные в табл. 1, были получены без охлаждения диодов и поэтому являются несколько заниженными.

Б. Зависимость выходной мощности постоянного тока от угла падения мощности СВЧ для решетки из 28 диподов на частоте 2,44Ггц, Измерения этой зависимости про-

решетки в однородном пучке СВЧ-мощности сопротивле­ ние. нагрузки изменяли так, чтобы выходное выпрямлен­ ное напряжение имело постоянную величину. Решетка продолжала отдавать энергию в нагрузку до тех пор, пока угол падения не стал больше 80° Затем решетка была установлена так, чтобы угол падения равнялся 0, а излучаемую мощность уменьшали до тех пор, пока пу­ тем изменения сопротивления подключенной нагрузки можно было поддерживать неизменное постоянное напря­ жение. В этом случае диподы продолжали отдавать энер­ гию в нагрузку, пока уровень излучаемой мощности не уменьшался до 5% от максимального. Эти результаты по­ казывают, что диподиая решетка, если ее установить на спутнике, сможет в принципе принимать энергию от наземного передатчика даже при^довольно больших углах падения луча или при больших изменениях интенсив­ ности потока СВЧ-энергии.

IV. Решетки из ненастроенных мостовых выпрямителей, в которых используется емкостная связь

со свободным пространством

Описанные выше диподные решетки не позволяют создать достаточно большой плотности размещения точеч­ ных диодов (в диапазоне 2,45—3,0 Ггц) для таких целей, как питание передатчиков, установленных на вертолетах, и т . п. Чтобы исследовать другие пути достижения этих целей, была собрана небольшая решетка (фиг. 4) из не­ настроенных мостовых выпрямителей с емкостной связью с пространством. В каждое плечо мостовых выпрямите­ лей включено последовательно по пять точечных диодов Ш 820. Каждый из выпрямителей изолирован от всех других, и это позволяет соединить выходы выпрямителей последовательно или параллельно.

А. Зависимость к. п. д. приема и выпрямления от рас­ стояния между мостовыми выпрямителями на частоте 2,44 Ггц. Перед тем как была собрана решетка, показан­ ная на фиг. 4, была изготовлена решетка, состоящая из трех мостовых выпрямителей, по три диода Ш830 в каж­ дом плече мостовых выпрямителей. На этой решетке пред­ полагалось определить зависимость выходной мощности

достижению максимальной мощности постоянного тока. Сопротивление' нагрузки центрального выпрямителя из­ меняли так, чтобы определить область максимума мощ­ ности постоянного тока для каждого значения расстоя­ ния между выпрямителями.

Таблица 3

Зависимость к. п. д. приема и выпрямления от расстояния между мостовыми выпрямителями на частоте 2,44 Ггц

Из результатов испытаний, представленных в табл. 3, следует, что выходная мощность центрального выпрями­ теля довольно быстро спадает, когда расстояние между выпрямителями становится меньшим 0,417 длины волны.

Б. Влияние угла падения на выходную мощность при фиксированном напряжении постоянного тока. Решетка из трех выпрямителей (фиг. 4) была смонтирована на по­ воротном стенде так, что центральный выпрямитель рас­ полагался вдоль оси вращения. Расстояние между выпря­ мителями на частоте 2,44 Ггц составляло 0,417 длины волны. Расстояние между диодами в плечах выпрямителей было равно 6,36 мм; покрытые серебром полоски вверху

и внизу выпрямителей, образующие емкостную связь со свободным пространством, имели ширину 12,7 мм и длину 49 мм. На расстоянии 0,5 длины волны от каждого из крайних выпрямителей в плоскости решетки были установлены отражатели из медного провода. Сзади ре­ шетки на расстоянии 0,25 длины волны имелся плоский металлический экран. Выводы всех трех выпрямителей решетки были подключены параллельно к регулируемой резистивной нагрузке. Облучалась решетка однородным потоком, создаваемым параболической зеркальной антен­ ной передатчика на частоте 2,44 Ггц. Угол падения уста­ навливали на нуль и, поддерживая неизменной мощ­ ность СВЧ, меняли резистивную нагрузку в цепи постоян­ ного тока, чтобы найти величину постоянного напряже­ ния, при которой выходная мощность постоянного тока была бы максимальна. При полной мощности облучения 94 вт выходная мощность постоянного тока оказалась максимальной при напряжении 28 в. С целью исследовать режим работы выпрямителя на батарею аккумуляторов сопротивление нагрузки изменяли так, чтобы при изме­ нении угла падения напряжение поддерживалось на уровне 28 в. Из результатов испытаний (табл. 4) можно видеть, что при угле падения 80° в нагрузку поступает 18% максимальной мощности.

Данные, полученные при повороте этой решетки отно­ сительно горизонтальной оси, не приводятся, но резуль­ таты испытаний решетки из 28 диподов (табл. 2) показы­ вают, что в этом случае можно получить еще лучшие ха­ рактеристики. Испытания показали также, что решетка, изображенная на фиг. 4 может также хорошо работать, если выходы выпрямителей соединить последовательно с целью получения более высокого выпрямленного на­ пряжения.

V. Исследование к. п. д. выпрямления диодов различных типов на частотах 2,44, 5,72 и 10,17 Ггц

Из литературы [1—3, 7] известно, что эффективность выпрямления мощных СВЧ-колебаний зависит от таких факторов, как:

1) время восстановления диодов;