книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

мительных диодных решеток с относительно большой по­ верхностью при чрезвычайно малом весе. Такие антенны, по-видимому, могут использоваться для поддержания аэрокосмических летательных аппаратов и, возможно, даже для орбитальных или синхронных спутников. Ис­ пользование для этих целей более тяжелых и громоздких прецизионных параболических зеркальных антенн прак­ тически исключено. Площадь таких антенн ограничена величиной порядка 100 и*2, и для поддержания аэрокосми­ ческих и (или) космических аппаратов на требуемых расстояниях (например, в ближнем космосе или на син­ хронной орбите) этого явно недостаточно.

В книге отражены современные достижения в области разработок и применений различных СВЧ-приборов и систем. Представлены как теоретические, так и экспери­ ментальные исследования. Большая часть эксперимен­ тальных работ выполнена в области генерирования и усиления мощных СВЧ-колебаний, а также в разных областях использования СВЧ-энергии. В значительно меньшей степени исследованы вопросы выпрямления и передачи.

Что касается единиц измерения, то для удобства читателей в каждой статье использовались те единицы и обозначения, которые приняты в данной области техники.

Э. О к р е с с

мене существующих процессов нагрева на относительно низких частотах сверхвысокочастотным нагревом.

Энергетические СВЧ-снстемы в настоящее время тесно связаны с первичными источниками электрической энер­ гии (переменного тока стандартной частоты или постоян­ ного тока), которые в свою очередь используют либо энергию воды, либо энергию горения различных видов топлива, либо ядерную энергию. Первичная электро­ энергия преобразуется в энергию СВЧ, которая затем используется либо непосредственно в зоне излучения СВЧ-генератора, либо передается по соответствующей волноводной системе к более или менее удаленному по­ требителю. СВЧ-эиергия может использоваться как не­ посредственно, так и после преобразования ее в энергию постоянного тока. Непосредственно СВЧ-эиергия исполь­ зуется в радиолокации, в ускорителях частиц (электро­ нов) и плазмы, в процессах ионизации газов, для огра­ ничения и разогрева плазмы (для управляемой термоядер­ ной реакции). К «непрямому» использованию СВЧ-эиергни относятся процессы диэлектрического нагрева, химиче­ ские превращения '(плазменная химия) и т. п. Преобра­ зованная в электрическую энергию (главным образом постоянного тока) СВЧ-эиергия приводит в действие элек­ тродвигатели и т. п. и используется для различных целей (в частности, для аэрокосмических летательных аппара­ тов и для волноводных транспортирующих устройств). Другие применения будут развиваться по мере того, как преимущества, связанные с использованием СВЧэнергии, будут находить все большее понимание, и по мере улучшения характеристик генераторов, выпрями­ телей и волноводов, увеличения надежности и стабиль­ ности и особенно снижения стоимости всех компонентов.

Хотя передача СВЧ-энергии на значительные расстоя­ ния непосредственно через свободное пространство (или в воздушной среде) в коммерческих целях в настоящее время почти нереальна, теоретически такая возможность была продемонстрирована. Например, сверхвысокая СВЧ-мощность, порядка гигаватт, может быть передана на значительные расстояния при относительно низких потерях (т. е. при потерях, сравнимых с потерями обыч­ ных передающих линий переменного или постоянного

горячим воздухом или инфракрасным излучением СВЧнагрев обладает существенным преимуществом: СВЧэнергия проникает сквозь толщу материала на значи­ тельную глубину (если не насквозь). Хотя глубина про­ никновения является обратной функцией частоты, удель­ ная поглощаемая мощность находится в прямой зависи­ мости от частоты и напряженности электрического поля. Увеличение напряженности электрического поля ограни­ чивается пробивной прочностью материала. Это ограни­ чение по существу оставляет единственную возможность для увеличения удельной энергии, поглощаемой в материа­ ле, — выбор оптимальной рабочей частоты. Следователь­ но, необходимо находить компромисс между требуемой СВЧ-мощи остью для данного материала и требуемой глу­ биной проникновения. Наилучшие результаты были до­ стигнуты при одновременном использовании СВЧ-энер- гии и какого-либо обычного источника нагрева, например пара или горячего воздуха. В этом случае эффективный поверхностный нагрев достигается за счет пара или горя­ чего воздуха, а глубинный нагрев — за счет СВЧ-энер- гии.

Системы передачи СВЧ-энергии нагреваемому мате­ риалу требуют тщательного рассмотрения, чтобы избе­ жать неправильного обращения и повреждений. Много­ видовые полые резонаторы (в СВЧ-печах), излучатели и волноводные экранированные или поверхностные пере­

риалом.

СВЧ-установки для производственных, торговых, ме­ дицинских и научных применений работают в определен­ ных выделенных диапазонах частот, установленных между­ народными соглашениями. Эти соглашения были достиг­ нуты на Международной конференции по радио и теле­ видению в Женеве в 1959 г. Некоторые поправки преду­ смотрены в актах Чрезвычайной административной кон­ ференции по установлению частотных диапазонов для космической связи (Женева, 1963 г.). Однако не все стра­ ны полностью приспособились ко всем пунктам указан­ ных соглашений; исключения указаны в табл. 1. Инте-

ресная брошюра, охватывающая все выделенные частоты от 10 кгц до ьЮ Ггц, опубликована фирмой КСА [11.

Реализация множества перечисленных применений СВЧ-энергии зависит от наличия всех компонентов: ге­ нераторов, передающих систем и выпрямителей. В этом свете логично в первую очередь рассмотреть СВЧ-гене- раторы.

Параметры и эксплуатационные характеристики СВЧгеиераторов в последнее время значительно улучшены, несмотря на возрастание трудностей, с которыми прихо­ дится сталкиваться в условиях, когда относительно «легкие проблемы» уже решены на ранних стадиях разработок. Что касается мощных электровакуумных СВЧ-генерато- ров, то лишь сравнительно недавно были достигнуты одно­ временно высокие значения к. п. д. и уровня выходной мощности, высокие надежность и долговечность и низкая стоимость. Требования к дальнейшему увеличению к. п. д., надежности и долговечности, выдвигаемые промышлен­ ностью и военной техникой, обусловливают непрерывный прогресс в области разработок СВЧ-генераторов. Осо­ бый акцепт делается на улучшении таких параметров, как характеристический вес (отношение мощности к еди-

иице веса), фазовая линейность, автомодуляция (запуск входным СВЧ-сигиалом), а также ремонтоспособность прибора и др. Космические и аэрокосмические примене­ ния выдвигают особо жесткие требования к характери­ стическому весу. Это послужило толчком к стремитель­ ному развитию полупроводниковых СВЧ-генераторов. В результате достигнут высокий уровень выходной мощ­ ности этих приборов. Однако, несмотря на это, полупро­ водниковые СВЧ-геиераторы не могут составить серьез­ ную конкуренцию мощным высокоэффективным генера­ торным электровакуумным приборам (ЭВП) СВЧ. Тем не менее отмеченные улучшения характеристик твердотель­ ных приборов открывают для них новые применения, и в соответствующем диапазоне мощностей эти приборы способны успешно конкурировать с ЭВП СВЧ. В то же время космические и аэрокосмические применения оказа­ ли значительное влияние и на улучшение характеристик ЭВП СВЧ (в частности, на надежность, долговечность и характеристический вес).

Среди различных типов СВЧ-ламп важный класс представляют приборы со скрещенными полями. Их мож­ но разделить на генераторы и усилители. Среди генера­ торов следует выделить магнетрон, которому принадле­ жит главная роль в военных и промышленных примене­ ниях СВЧ-энергии. Это ведущее положение магнетрона объясняется простотой его конструкции, высоким к. п. д., стабильностью (в условиях рассогласованной нагрузки), прочностью и низкой стоимостью. Среди усилителей со скрещенными полями важное место занимает амплитрон— прибор, использующий взаимодействие замкнутого элек­ тронного потока с обратной волной. Он характеризуется высокими значениями к. п. д. и выходной мощности, ко­ торая, однако, не превышает уровень, достигнутый в клистронах. Кроме магнетрона и амплитрона, рассматри­ ваются и другие приборы со скрещенными полями (уси­ лители и шумовые генераторы). Из приборов с модуляцией по скорости (преобразующих кинетическую энергию в противоположность приборам М-типа, преобразующих потенциальную энергию электронов) рассматриваются только клистроны, а из приборов с модуляцией электрон­ ного потока по плотности — мощные триоды.

За последнее время, кроме ЭВП СВЧ, появилось множество типов полупроводниковых СВЧ-приборов и мощных квантовых электронных приборов (последние излучают в инфракрасном и оптическом диапазонах ча­ стот). Несмотря ил то что уже реализованы достаточно высокие уровни мощности твердотельных полупроводни­ ковых приборов (в решетках), потребуется проведение еще весьма, трудоемких работ, прежде чем эти приборы смогут конкурировать с мощными ЭВП СВЧ. Напротив, достижения в развитии квантовых электронных приборов столь значительны, что серьезная конкуренция с их стороны уже очевидна, поэтому эти приборы рассматри­ ваются в настоящей книге. Наконец, рассмотрены плаз­ менные усилители, в которых обычно используемая за­ медляющая система заменена столбом плазмы; тем самым исключаются проблемы точности изготовления, токооседапия п отвода тепла. Обсуждены современное состояние и направления развития этих приборов, в частности эле­ ментов связи, в создании которых имеются большие труд­ ности.

Далее серьезное внимание уделено вопросам передачи энергии СВЧ к местным и удаленным потребителям. В качестве важных средств передачи СВЧ-эиергии рас­ сматриваются электромагнитные пучки, распространяю­ щиеся непосредственно через свободное пространство, и лучевые (квазиоптические) волноводы (т. е. периодиче­ ские структуры для распространения повторяющихся пучков электромагнитных волн). Рассматриваются от­ крытые и экранированные волноводы с поверхностной волной, прямоугольные и круглые волноводы увеличен­ ного поперечного сечения. Обсуждается состояние и перспективы развития этих и некоторых других средств передачи больших СВЧ-мощиостей. Важные требования предъявляются и к соединительным устройствам (напри­ мер, к фидерам, соединяющим генератор с антенной). Эти вопросы также обсуждаются в книге. Существенная роль принадлежит волноводам увеличенного сечения; рассматриваются такие компоненты, как переходы, изги­ бы п направленные ответвители. Передача СВЧ-энергии на большие расстояния обусловливает ряд специфиче­ ских требований к передающим системам. Эти требования

относятся к уровню потерь, рассеянию тепла, стабиль­ ности типа волны, а также к влияниям внешней среды, и в частности помех. Для сведения к минимуму трудно­ стей, связанных с этими проблемами, представляется целесообразным использовать в линиях дальней передачи СВЧ-энергии диапазон 10 Ггц. Сложные волноводные си­ стемы, такие, как линии передачи на круглых волноводах увеличенного поперечного сечения, работающих на волне ТЕ01 с малыми потерями, способны передавать весьма высокие уровни мощности при высоком к. п. д. Эти ха­ рактеристики (мощность, к. п. д.) по крайней мере не хуже, чем у обычных высоковольтных линий передачи на переменном токе (50—60 гц)%однако такие волновод­ ные системы пока еще не оказывают серьезной конкурен­ ции обычным линиям передачи, за исключением отдель­ ных специальных применений. Это обусловлено тем, что пока не реализованы достаточно высокие значения к. п. д. и уровня мощности СВЧ-генераторов и особенно выпрями­ телей (если не считать аэрокосмических применений), В то время как в СВЧ-геиераторах достигнуты огромные успехи в области улучшения рабочих характеристик (одновременное повышение к. п. д. и выходной мощности), в СВЧ-выпрямителях такого улучшения не наблюдается (по крайней мере за тот же период). Это связано с тем, что не существовало актуальных потребностей в мощных СВЧ-выпрямителях с высоким к. п. д., тогда как развитие

генераторов стимулировалось растущими потребностями радиолокации и промышленности (для СВЧ-нагрева). Тем не менее исследования по передаче СВЧ-энергии представляются весьма перспективными. Такие исследо­ вания, особенно в отношении СВЧ-выпрямителей, будут стимулироваться не только в силу академического инте­ реса, а, что более важно, прогрессом в развитии СВЧгенераторов.

Всякий раз, когда требуется получить после преобра­ зования СВЧ-эиергии обычный постоянный или перемен­ ный ток, необходимо обеспечить прямое преобразование энергии СВЧ, поскольку последовательное преобразова­ ние (скачала в тепловую энергию, а затем в электриче­ скую) связано с уменьшением к. п. д. Несмотря на то что вопросам СВЧ-выпрямления уделялось довольно скром­

ное внимание, тем не менее в этой области достигнуты определенные сдвиги (для умеренных уровней мощности: порядка 25 -н 1000 ет в непрерывном режиме). Этому способствовали первые результаты, полученные в Лафайетском университете (Пердю) и в фирме «Рейтеон». В будущем можно ожидать более высокие результаты. Первое место среди разработок СВЧ-выпрямителей зани­ мает выпрямительная решетка, объединяющая множество полупроводниковых барьерных диодов Шоттки. Такой СВЧ-выпрямитель обладает низким импедансом, имеет к. п. д. /^80 % и характеристический вес 6 квт/кг. Электро­ вакуумные диоды обладают потенциальной способностью работать с такими же к. п. д., но со значительно большими уровнями выходной мощности по сравнению с твердотель­ ными приборами. В этом свете обсуждается диодный вакуумный выпрямитель, характеризующийся низким им­ педансом. Диодные СВЧ-выпрямители, работающие в скрещенных полях, несмотря на их теоретическую пер­ спективность, пока не оправдали возлагавшихся надежд.

Кроме этих СВЧ-выпрямителей, имеются различные перспективные высокоомные приборы линейного типа с инжектированным потоком. Среди них инверторный клистрон, выпрямитель с поперечным взаимодействием, выпрямители бегущей волны О- и М-типов. Все эти при­ боры рассмотрены в данной книге. Не включены в рас­ смотрение инверторный СВЧ-ускоритель, мультипакториый выпрямитель и т. п., поскольку эти приборы не оп­ ределяют достигнутый уровень в настоящее время и не могут быть признаны перспективными.

Перечисленные области применения СВЧ-энергии опи­ саны в соответствующих разделах книги, причем в ряде случаев сформулированы некоторые практические ре­ комендации. При обсуждении диэлектрического нагрева описаны СВЧ-печи, а также конструкции используемых для этих целей резонаторов (нагревательных камер) и волноводных устройств. Далее рассмотрены вопросы СВЧ-сушки и обезвоживания предварительно заморожен­ ных продуктов. Затем описаны процессы размораживания пищепродуктов, подогрева приготовленной пиши, жарки и выпечки, а также несколько различных применений, таких, как кондиционирование муки, стерилизация и др.