книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

ботающий на волне 7*Е0,; в — круглый волновод с волной ТЕ0Х; е — однопроводпая линия с поверхностной волной.

Высокочастотные квазиоптнческне волноводы, использующие восста­ новление фронта волны: ж — «ирисовый» волновод; з — линзовый вол­ новод с трансформацией фазового фронта волны.

всвободном пространстве, даже когда она формируется

вопределенном направлении, имеет тенденцию распро­ страняться во все стороны, вследствие чего плотность мощности на фронте волны постепенно уменьшается. Очевидно, что любой приемник СВЧ-энергии должен

Известно, что техника использования трактов с мас­ ляным заполнением или с компрессией газа должна ча­ стично решать проблему «пустот». Однако даже в этом случае допустимая величина напряженности электриче­ ского поля не превышает 50 кв/см, что мало отличается от таковой для воздуха (^30 кв/см) при нормальном дав­ лении и нормальной температуре. Кроме того, большинст­ во высокочастотных диэлектриков непригодны для ра­

Простой подсчет показывает, что для плоской волны, распространяющейся в воздушной среде, плотность пере­ даваемой мощности обычно ограничивается величиной порядка 1000 квт/см2. Эта величина уменьшается на не­ сколько процентов при переходе к коротковолновой части диапазона.

Действительно, учитывая, что волновое сопротивление свободного пространства

Хотя в принципе такие плотности мощности могут быть достигнуты при использовании передающих линий на частотах 50—60 гц и несколько более высоких, прак­ тически в сильно нагруженных кабелях или в волновод­ ных СВЧ-линиях передачи удается реализовать только уровень около 500—600 квт/см2. Более того, чтобы ис­ пользовать диэлектрическое заполнение наиболее эффек­

тивно, необходимо иметь строго однородное поле во всем поперечном сечении. Этому требованию более или менее удовлетворяет только полосковая линия.

Другой весьма важный аспект передачи энергии ка­ сается достижения минимальных потерь в проводниках. При частотах 50—60 гц для получения большого к. п. д. важно работать при высоком напряжении, что позволяет при заданном уровне мощности уменьшить токи в про­ водниках, а следовательно, и потери, которые возрастают пропорционально квадрату тока. Наличие трансформато­ ра напряжений открывает большие преимущества при передаче энергии переменного тока с частотой 50—60 гц, однако в ряде случаев находит применение передача на постоянном токе с использованием инверторов и выпря­ мителей. Например, постоянный ток целесообразнее, когда требуются длинные кабели и когда слишком велики емкост­ ные токи утечки в случае переменного тока. Первичный источник электрической мощности в виде роторной ма­ шины является наиболее неэффективной частью тради­ ционной системы переменного тока, однако система пе­ редачи, включающая чисто электрические устройства, — переключатели, трансформаторы, коммутаторы и пере­ дающие линии, может иметь полный к. п. д., доходящий до 95%, и с такой системой трудно конкурировать дру­ гим средствам. Несмотря на это, использование мощной передающей высоковольтной системы, работающей на частоте 50—60 гц, наталкивается на ряд известных проб­ лем, и выбор между такой системой и передачей на СВЧ заслуживает серьезного рассмотрения.

При использовании сверхвысоких частот мы сталки­ ваемся с новыми эксплуатационными размерами, при которых длина волны становится соизмеримой с размера­ ми поперечного сечения передающей линии. В этом слу­ чае используются полые металлические волноводы, эф­ фективность которых зависит от структуры электромаг­ нитного поля в поперечном сечении волновода (фиг. 2, г и д) [1]. Становится также приемлемой и однопроводиая передающая линия (фиг. 2, е), имеющая внешнее электро­ магнитное поле, достаточно близко «прилегающее» к направляющей системе [3]. Более того, оказывается воз­ можным распространение СВЧ-эиергии непосредственно

через свободное пространство. При этом возможна фоку­ сировка «луча» 141 как за счет эффекта дифракции (при использовании ирисовых диафрагм (фиг. 2, ж), распо­ ложенных вдоль пути распространения волны), так и более предпочтительным путем — применением диэлек­ трических фазовых трансформаторов, использующих пре­ ломление и расположенных в соответствующих местах (фиг. 2,з).

Высокочастотная_передача больших мощностей тре­ бует рассмотрения новых проблем, отличающихся от низ­ кочастотных, и их мы будем обсуждать позднее. Для оптимального использования волноводной техники диапа­ зон СВЧ является единственно приемлемым, и в настоя­ щее время можно утверждать, что частота около 10 Ггц наиболее благоприятна для передачи мощности на большие расстояния [51.

Можно было бы представить такую систему. В каче­ стве источника СВЧ-энергии используется несколько па­ раллельно работающих клистронов с мощностью 1000 кет и к. п. д. 60%, затем осуществляется передача суммарной мощности. При этом величина потерь может быть не выше, чем в высоковольтной системе, работаю­ щей на частоте 50—60 гц> Далее можно использовать не­ сколько вакуумных СВЧ-диодов, характеризующихся мощностью 10 кет с к. п. д. 50%, и таким образом осу­ ществлять питание потребителей мощностью на постоян­ ном токе [61.

Из рассмотренного случая ясно, что устройства на базе существующих приборов СВЧ в настоящее время не могут серьезно конкурировать с передающими высоко­ вольтными системами на 50—60 гц. Тем не менее в послед­ ние годы достигнуты значительные успехи в диапазоне СВЧ как в генерировании, так и в выпрямлении высоких мощностей, и в недалеком будущем можно ожидать высо­ ких к. п. д. для этих устройств. Поэтому уже в настоящее время выдвигаются повышенные требования к трактам, работающим на высоком уровне СВЧ-мощности и слу­ жащим для передачи ее от генератора к потребителям (например, к фидерам для антенн). Детальное изучение проблемы передачи на СВЧ со всех точек зрения своевре­ менно, и нет сомнения в том, что волноводы найдут весьма

широкое применение. Одна из возможностей достиже­ ния высокого уровня мощности при передаче в диапазоне 10 Ггц на большие расстояния заключается в использо­ вании стальной трубы диаметром около 1 м с медным по­ крытием с внутренней стороны и последующим наложе­ нием тонкого слоя диэлектрика для поддержания волны типа ТЕ01 без заметного увеличения потерь [7]. Такая труба, помещенная в грунт и имеющая потенциал земли, будет способна передавать мощность до 2000 Мет, при­ чем потери будут такими же, как при передаче на часто­ тах 50—60 гц с помощью подземной высоковольтной ли­ нии. Очевидно, имеет смысл практическое-исследование передающей системы такого типа.

О б о з н а ч е н и я

р— плотность мощности;

— волновое сопротивление;

рср — средняя плотность мощности; Н* — комплексно-сопряженная величина амплиту­

г I — время;

|Я|, |#| — амплитуды напряженностей электрического немагнитного полей;

О — электрическая индукция, смещение.

2.№ а с! (П с о г Н., ТЬе Рппс1р1ез о! Е1ес?пс Ротуег Тгапзппз31оп, 1лк1, СНартап апЛ На11, 1935.

5.В а г 1о \у Н. М., ТЬе ге1аЫуе рошег саггуш^ сарасИу о! Ы^Ь- !геяиепсу \уауееш(1ез, Ргос. 1ЕЕЕ, 99, Р1. III, р. 21 (Лап. 1952).

6.О к г е 5 5 Е. С. е! а1., М1сго\уауе рспуег еп§теепп&, IЕЕЕ Зрес- 1гит, 1 , рр. 76— 101 (Ос1. 1964) (Ъазес! оп ШЕЕ 5утр. М1'сго\уауе

распространяться в круглом волноводе при ^ превы­ шающем 1,22 X. Это вырождение, в частности, порождает

проблему пропускания волны ТЕ$ через волноводный изгиб 131. Следует отметить также, что многие типы воли

в квадратном и круглом волноводах, включая ГЯЙ и

Тё?и имеют поляризационное вырождение [1]. Незначи­ тельные неоднородности, следовательно, могут вызвать переход от линейной поляризации к эллиптической при передаче волн указанных типов на большие расстояния [41.

Конструкция волноводной системы упрощается, если размеры поперечного сечения настолько малы, что по волноводу может распространяться только волна низшего типа (правда, при этом не исключается поляризационное вырождение). В этом случае потери энергии могут быть вызваны только затуханием или отражением. С другой стороны, когда по волноводу распространяются волны более чем одного типа, потери энергии могут наблюдать­ ся вследствие перехода части энергии от одного распро­ страняющегося типа волны к другому. По этой причине большинство стандартных волноводов имеет отношение а/Ь ^ 2, а размер а в рабочем диапазоне частот пример­ но между 0,65 и 0,9 %.

Однако стремление передавать по волноводу волну только низшего типа связано с ограничением максималь­ ной и средней допустимых мощностей в волноводе.

Кроме того, затухание в прямоугольном стандартном волноводе вследствие джоулевых потерь зачастую зна­ чительно превышает величины, приемлемые из экономи­ ческих соображений. Например, затухание в прямоуголь­ ном стандартном волноводе (К052/I/), работающем на частоте 10 Гец, имеет порядок 0,13 дб/м, а значение мак­ симальной допустимой мощности ограничено пробивной прочностью и составляет примерно 0,3 Мет без компрес­ сирования волновода. Предел средней мощности состав­

ным поперечным сечением, можно на порядки увеличить допустимую мощность СВЧ-систем. Одно из предложен­

ных применений связано с передачей сверхвысокой СВЧмощности (гигаватты) набольшие расстояния 17]. Исполь­

зование для этой цели волны типа ТЕ$ в круглых волно­ водах, имеющих диаметр ^ 1 0 X, может дать выигрыш в до­ пустимой передаваемой мощности на несколько порядков по сравнению со стандартными волноводами. Для отно­

сительно коротких трактов использование волны ТЕЙ в"прямоугольных, волноводах, имеющих размеры попе­ речного сечения (а и Ь), примерно равные 2Х, позволяет более чем на порядок увеличить передаваемую мощ­ ность.

Однако для реализации этих возможностей следует стремиться уменьшать вероятность перехода энергии от рабочего типа волны к нежелательному [преобразование типов.— Прим. перев.], Помимо потерь энергии волны рабочего типа, переход ее к другому типу может привести к уменьшению допустимой мощности, передаваемой по волноводу, вследствие возникновения резонанса на вол­ нах нежелательных типов при наличии в тракте отражаю­ щих неоднородностей [8, 9]. В следующих разделах будет рассматриваться влияние конечной проводимоспГстенок, преобразование типов волн, а также влияние резонансов нежелательных типов на затухание в волноводах и на максимальные импульсную и среднюю допустимые мощ­ ности. Будут также обсуждаться вопросы конструирова­ ния элементов тракта, имеющих низкие потери, связан­ ные с преобразованием типов волн.

II. Трубчатые металлические волноводы для передачи большой мощности

А. Затухание волн в волноводе, вызванное конечной проводимостью стенок. На фиг. 1 показаны расчетные значения^ нормализованного^затухания, обусловленного потерями в^стенках, в зависимости "от нормализованных размеров волновода 11]. Величина А ^(в дб), отложенная по оси ординат, представляет”Ътношение затухания аХ, имеющего'место в волноводе длииойХМ» к нормализованному” поверхностному сопротивлению /?5/г] стенок волно­ вода. Для того чтобы вычислить затухание, приходящееся на длину волновода, равную длине волны в свободном