книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

5. Есть основания надеяться, что будут разработаны специальные полупроводниковые диоды, которые ока­ жутся способными выпрямлять значительно большие мощ­ ности СВЧ при значениях к. п. д., достигающих или даже превышающих 90%.

6. Сейчас, когда методы эффективного использования полупроводниковых диодов для целей выпрямления мощ­ ных колебаний уже найдены, следует основные усилия направить на разработку диодов, предназначенных спе­

5.О е о г & е Ц. Н. ЗоПд 51а1е М1сго\уауе Ро\уег ЦесиПегз, Нерй ЦАОС-ТЦ-65-224, Коше Ай Оеуе1ор. Сеп!ег, ОпШзз Ай Рогсе

Уогк, МсОга\у-НШ, 1948, рр. 97—98.

8.ТНе Но! Сагпег Бюде, ТНеогу, Без^л, апд АррПсаНоп, Арр1. Ыо1е 907, Не\у1еи-Раскагд Азэос., Ра1о АИо, Са., 1966.

4.3.ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ВАКУУМНОМ ДИОДЕ

Бр а у н

I. Введение

Вакуумный диод можно с успехом применять для вы­ прямления колебаний в длинноволновой части диапазо­ на СВЧ. Этот прибор эффективно работает на частотах до 2700 Мгц, но основная область применений его лежит в диапазоне частот менее 1000 Мгц. Вакуумный диод имеет низкий выходной импеданс и потенциально высо­ кий к. п. д., особенно на этих относительно низких ча­ стотах. Его механическая конструкция сравнительно проста.

Вакуумный диод с малыми межэлектродными расстоя­ ниями уже сыграл некоторую роль в истории развития энергетики СВЧ: он использовался в 1963 г. в первых экспериментах по эффективной передаче энергии СВЧлучом, которые проводились лабораторией Спенсера фир­ мы «Рейтеон». В этих экспериментах передача осуществля­ лась на частоте 2450 Мгц, а энергия 100 в т получаемая на выходе выпрямителя, использовалась для питания электродвигателя. К. п. д. выпрямителя был равен 50%.

II. Конструкция и характеристики диода

Фотография одного из диодов приведена на фиг. 1. Внутреннее устройство этого диода схематически показа­ но на фиг. 2. Чтобы расстояние между катодом и анодом, которое имеет величину меньше 0,13 мм, поддержива­ лось неизменным, в этой конструкции используются обработанные с высоким классом точности керамические фиксаторы. Катод диода подогревный, пропитанный, мат­ ричного типа. Высокочастотный контур диода представ­ ляет собой единственную секцию волнового фильтра ниж­ них частот, согласованную с коаксиальным вводом. Этот фильтр работает на частоте верхней отсечки. Эмигрирую­ щие части катода совпадают с емкостными элементами фильтра. Ток смещения в промежутке между катодом и

часть мощности, расходуемой на нагрев катода. Нагрузку к выпрямителю подключают непосредственно между ка­ тодом и анодом, а внутренняя емкость диода обеспечивает вследствие высокой рабочей частоты требуемое сглажива­ ние пульсаций в цепи выпрямленного тока.

Ф и г 3. Мощносткые характеристики вакуумного выпря­ мительного диода.

Частота на входе 2700 Мгц, нагрузка выпрямителя 25—200 ом.

Мощностные характеристики диода описанного типа приведены на фиг. 3. Как следует из представленных здесь экспериментальных данных, выпрямители работали с к. п. д. 40—50%. Наибольшее достигнутое значение выходной мощности выпрямителя в непрерывном режиме равно 900 впг при к. п. д. 50%, но обычно выпрямители работали в непрерывном режиме при мощностях менее 200 вт.

III. Некоторые особенности работы вакуумного диода

Выше мы рассмотрели в общих чертах принципы ис­ пользования вакуумного диода на примере конкретного физического прибора. Остановимся на некоторых особен­ ностях этого прибора.

Так как расстояние между катодом и анодом, где про­ текает процесс выпрямления, делают очень малым, чтобы уменьшить время пролета электронов, диод обычно имеет в этой части очень большую емкость и соответственно малое реактивное сопротивление. Ток смещения, связан­ ный с этой емкостью, обычно во много раз больше тока проводимости в зазоре, поскольку эмиссионная способ­ ность катода ограничена. Чтобы скорость нарастания напряжения на зазоре соответствовала малому времени пролета, диод должен работать в резонансном режиме. В зависимости от величины внешней нагрузки выпрями­ теля и внутренних потерь типичные значения ф лежат в пределах от 10 до 50.

Следствием резонансного режима работы является то, что ВЧ-напряжение все время имеет синусоидальную форму и напряжение, возникающее на зазоре выпрями­ теля, по существу представляет собой сумму выпрям­ ленного напряжения и синусоидального ВЧ-напряжения. Ток, текущий через зазор, является, конечно, суммой токов смещения и проводимости. Ток проводимости опре­ деляется числом электронов, выходящих с катода, и обыч­ но из-за малого расстояния между катодом и анодом на­ сыщение достигается при анодном напряжении всего не­ сколько вольт. Поэтому естественно считать ток эмиссии катода во время проводящей части периода постоянным.

Если предположить электронную эмиссию постоянной во времени, пренебречь влиянием пространственного за­ ряда, а напряжение на зазоре считать равным сумме вы­ прямленного напряжения и ВЧ-сииусоиды, то можно ис­ следовать ток проводимости, протекающий в проводящую часть периода. Ток и электронный к. п. д. диода были опре­ делены во многих случаях. Как и можно было ожидать, более высокие электронные к. п. д. получаются при более коротких периодах проводимости и меньшем расстоянии между анодом и катодом. Однако иаилучший контурный

к.п. д. получается при длинных периодах проводимости. Учитывая приведенные выше факторы, можно разра­

ботать конструкцию вакуумного выпрямительного дио­ да с малым межэлектродным расстоянием, обладающую оптимальными для заданной частоты и заданного уровня мощности параметрами.

4.4. ВЫПРЯМИТЕЛИ С ПОПЕРЕЧНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ

Д ж о н с о н , Т о л б о т , У о т с о н

I. Описание конструкции

Выпрямитель с поперечным взаимодействием — это СВЧ-устройство, применяемое для преобразования энер­ гии СВЧ в энергию постоянного тока. Обычный цилинд­ рический электронный поток, вылетающий из электрон­ ной пушки, пролетает через пространство с поперечным полем, называемое элементом связи или модулятором Куччна [1]. Отбираемая при этом СВЧ-эиергня преобра­ зуется в циклотронное вращение электронов. Вращаю­ щийся электронный поток затем попадает в область пре­ образования, где магнитное поле уменьшается, и энер­ гия циклотронного вращения преобразуется в кинетиче­ скую энергию осевого движения потока. Последняя пре­ образуется в электрическую потенциальную энергию в тор­ мозящем поле коллектора и рассеивается в виде мощности постоянного тока на нагрузке коллектора — сопротивле­ нии 7?колл. Энергетическая диаграмма и эпюра магнитного поля с «привязкой» к геометрии прибора показаны на фиг. 1. Энергообмен можно также описывать в виде вол­ нового процесса. В модуляторе Куччиа возникает быст­ рая циклотронная волна, обусловленная электронным потоком1*. Изменение магнитного поля преобразует бы­ струю циклотронную волну в синхронную. СВЧ-энергия, переносимая синхронной волной электронного потока, в тормозящем поле коллектора преобразуется в энергию постоянного тока.

Частотный диапазон выпрямителя определяется мо­ дулятором Куччиа. Ограничение по мощности, как это будет показано ниже, также накладывается модулятором

1г Спиральное движение электронов в потоке, переносимом вдоль магнитного поля, порождает как быструю, так и медленную циклотронные волны. Взаимодействие с быстрой циклотронной вол­ ной используется также в электроннолучевых параметрических уси­ лителях.— Прим. ред.

Фи г . 1. Схематическое изображение мощного выпрямителя.

Куччиа. Если для создания поля используются постоян­ ные магниты, то характеристический вес (отношение мощ­ ности к весу) приблизительно равен 2 квт/кг.

И. Мощность, передаваемая потоком

Если в модуляторе Куччиа потоку передается значи­ тельный уровень мощности, то скорость вращения луча может стать релятивистской. Это увеличивает инер­ ционную массу электрона и уменьшает его резонансную циклотронную частоту (соц = |ц|Вг), порождая проблему синхронизма. Однако при этом и ВЧ-мощность, переноси­ мая потоком, возрастает до значений, превышающих ве­ личины, предсказываемые классической (нерелятивист­ ской) теорией для данного тока луча /о и радиуса ор­ биты ге. Если угловая частота потока равна сой, отноше­ ние мощности к току

р_

где с — скорость света и ц = \е\/пг для электронов. Что­ бы выражение (1) оказалось нормализованным по частоте,

проходимое электроном за время одного оборота. Таким образом, для плотно навитой спиральной траектории

— параметр, не зависящий от рабочей частоты. Граничная величина ф определяется величиной ге,

которая вызывает перехват тока в модуляторе Куччна. Представляя 0)*,= 2пс, выражение (I) в частотно-норма­ лизованном виде запишется

(3)

Для маломощных модуляторов Куччиа (фмакс < 0,3, со, ^ со) уравнение (3) в первом приближении удовлетво­ ряет соотношению

которое представляет собой классический результат. Как правило, 1|)макс будет порядка 0,1 и меньше для маломощ­ ных элементов связи Куччиа и порядка я /4 для высоко­ мощных. Зависимость величины Р/1о и релятивистский параметр у для этого диапазона ф показаны на фиг. 2. Из этой фигуры видно, что отношение мощности к току 300 квт/а теоретически возможно при фмакс = я/4, т. е. при практически достижимой величине для модуляторов Куччиа. Если луч не ламинарный, фмакс для луча умень­ шается в определенное число раз, зависящее от радиуса луча. Максимальная мощность для даннного модулятора и размеров луча, таким образом, зависит от максималь­ ного тока луча 1о, который в свою очередь определяется первеансом.

111.Коэффициент полезного действия

Впредшествующем рассмотрении было установлено, что в модуляторе Куччиа, имеющем номинальные разме­

ры, значительная энергия СВЧ-поля преобразуется в энергию, связанную с циклотронным вращением электро­ нов луча. К- п. д. преобразования устройства определяет­ ся при этом тем, насколько вращательная энергия опо-

Фи г. 2. Зависимость отношения мощности

ктоку от

собна преобразовываться в энергию постоянного тока в переходной области, т. е. в области изменения магнитного поля. Для того чтобы определить этот к. п. д., было пред­ ложено три теоретических метода. В первом методе исполь­ зуется решение уравнений движения (в цилиндрических координатах) с помощью ЭЦВМ для электронов, движу­ щихся на участке полупериода косинусоидального изме­ нения В2, как показано на фиг. 3. Конечная величина Вг, обозначенная Вь, была выбрана либо нулевой (случай а), либо — Во (случай б). Предполагалось, что на электрон не действует никакого электрического поля и что поле Вг аксиально-симметрично. Теоретический к. п. д. г|теор был определен как доля высокочастотной энергии враща­ тельного движения, перешедшая в энергию продольного движения:

Графики к. п. д. были получены в зависимости от двух параметров, которые входят в уравнение движения в виде нормализованных величин:

N— число циклотронных длин волн, укладывающееся в про­ дольном направлении в области изменения магнитного

Ф и г . 3. Модель выпрямителя с поперечным взаимодейст­ вием для расчета к.п.д. на ЭЦВМ в пренебрежении действи­ ем пространственного заряда.

К- п. д. для двух значений Вь различен вследствие следующих причин:

1. Случай а. Вь — 0. Конечный к. п. д. (к. п. д. в конце области изменения магнитного поля) увеличивается с увеличением N и с уменьшением Р . Эти результаты по­ казаны на фиг. 4. Было получено максимальное значение к. п. д. около 0,93, однако к. п. д. для всех значений N

иР превышал 0,76.

2.Случай б. Вь = —Во. Конечные значения к. п. д. были как ниже, так и выше, чем в случае а, в зависимости от величин Р и N. В основном, однако, конечный к. п. д. увеличивается с уменьшением N и увеличением Р , в не­ которых случаях приближаясь к единице. Эти результаты

показаны на фиг. 5.

Можно сделать вывод, что для случая реверса магнит­ ного поля желательна короткая величина переходной области, в то же время для нулевого конечного магнит­ ного поля желательна более длинная переходная область.