книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdf
|
|
Ж |
3 |
|
Ф и г. 2. |
Волноводы различной формы. |
|||
Волноводы па |
параллельных |
проводниках с рабочей |
вол ноЛ ТЕМ: |
|
а — полосковая линия; |
б — двухпроводная линия; в — коаксиальная |
|||
Металлические |
|
|
линия. |
волновод, ра |
СВЧ-полноводы: ? — прямоугольный |
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
иметь ограниченные размеры. Следовательно, необходи мо либо применять устройства, размещенные периодиче ски вдоль пути распространения и способные восстанав ливать форму фронта волны за счет концентрации энер гии, либо применять непрерывные направляющие системы. Рассмотрим различные возможности и их относительные преимущества и недостатки.
Общей для всех систем является проблема, заключаю щаяся в том, что нужно гарантировать распространение требуемой плотности мощности, с одной стороны, без пробоя диэлектрической среды, через которую энергия передается, и, с другой стороны, без перегрева волноведу щей структуры вследствие потерь в ней. Для постоянного и переменного тока низкой частоты (50—60 гц) диэлектри ческие потери в основном пренебрежимо малы, однако на высоких частотах им приходится уделять главное внимание. Поэтому на практике стараются обеспечить передачу максимально возможной мощности именно в воздушной среде. Оказывается также, что использование твердых диэлектриков, несмотря на то, что их пробивная прочность может быть в сотни раз больше, чем у воздуха, не решает проблемы работоспособности при очень высо ких плотностях мощности. Причиной является то, что пустоты и газовые включения в материале практически неустранимы, и электрическое напряжение, величина которого на таком промежутке больше, чем в твердом теле, в основном приводит к развитию пробоя [2].
Рассмотрим простой случай, когда воздух и твердый диэлектрик расположены последовательно между двумя параллельными проводниками, находящимися под раз ными потенциалами (фиг. 3). Электрическое смещение О
одинаково для обеих сред, так что |
|
Д = е0Б0 = е1Е1, |
(10) |
где индексы 0 и 1 означают соответственно воздух и диэлектрик. Записав е0Т|| в виде
получим
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
боты при температурах, |
превышающих 85 °С. |
|
\ Ч\ чч\\\Ч ч\ |
Ф иг. |
3. Электрическое поле |
двух |
последовательно распо |
|
|
ложенных диэлектриков. |
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
|
г „ = 4 = 377 ОМ, |
|
запишем |
|
|
|
рп = ± - \ Е \ \ Н \ = ± § г , |
(13) |
и, |
принимая Е = 3-10° в/м = 30 кв/см, получим |
рсп = |
= |
1190-107 вт/м*. |
|
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
е — диэлектрическая |
проницаемость |
среды; |
|
[I — магнитная |
проницаемость среды; |
||
№ — энергия на |
единицу объема; |
|
|
Е — напряженность |
электрического |
поля; |
|
Н — напряженность |
магнитного поля; |
||
V— скорость; |
|
|
|
р— плотность мощности;
— волновое сопротивление;
рср — средняя плотность мощности; Н* — комплексно-сопряженная величина амплиту
ды |
напряженности магнитного поля; |
|
Ф — разность |
фаз; |
|
) = У |
- 1; |
частота; |
<а — угловая |
г I — время;
|Я|, |#| — амплитуды напряженностей электрического немагнитного полей;
О — электрическая индукция, смещение.
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
1. Л Го г (1 а п Е. С., |
Е1ес!готабпеНс \Уауез ап<1 КасНаНпб 5уз1етЗ| |
Епб1е\уоосЗ СНКз, |
N. Л., РгепПсе-На11, 1950. |
2.№ а с! (П с о г Н., ТЬе Рппс1р1ез о! Е1ес?пс Ротуег Тгапзппз31оп, 1лк1, СНартап апЛ На11, 1935.
3. |
В а г 1 о \у Н. М., В г о \у п Л., КасПо ЗигГасе №ауез, ЬопЛоп |
4. |
апЛ К1е\у Уогк, ОхГогё Шиу. Ргезз (С1агеп<1оп), 1962. |
О о и Ъ а и О., 5 с Ъ \у е г 1 п & Р., Оп 1Ье биЫес1 ргора^аЫоп |
|
|
о? е1ес1готабпе11с \уауе Ьеатз, /РЕ Тгапз. АМеппаз Ргора^аНоп, |
|
АР-9, р. 248 (Мау 1961). |
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
7. |
Ро\уег Арр1., Ш С1еаг\уа1ег, Р1оп(1а, Мау 1964). |
|
В а г 1 о \у |
II. М., ХУауебшЛез 1ог ро\уег капзпиззюп апЛ <Нз1п- |
|
8. |
ЪиИоп, 1ЕЕ Е1ес1гоп. Р о тг, 10, р. 391 (Г4оу. 1964). |
|
В а г 1 о \у |
Н. М., ЗсгеепеЛ зигГасе \уауез апЛ зоте розз1Ые ар- |
|
|
рИсаНопз, |
Ргос. 1ЕЕЕ, 112, р. 477 (МагсИ 1965). |
3.2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТРУБЧАТЫЕ ВОЛНОВОДЫ УВЕЛИЧЕННЫХ РАЗМЕРОВ
I.Введение
Вданном разделе рассматриваются вопросы, связан ные с эффективной передачей большой СВЧ-мощностн по волноводам, которые представляют собой цилиндр или полую трубу с поперечным сечением специальной формы, имеют высокую проводимость стенок и заполнены ди электриком с низкими потерями (обычно газом). Нас будут интересовать волноводы с увеличенными размерами по перечного сечения, т. е. с размерами, которые велики по сравнению с длиной волны Я в свободном пространстве. По проводящей трубе можно канализировать мощность на соответствующем типе волны только в том случае, если рабочая длина волны меньше критической волны, определяемой формой и размерами поперечного сечения трубы [1, 21. Наиболее распространенными формами по перечного сечения являются прямоугольная и круглая.
Впрямоугольном волноводе размер широкой стенки а должен быть по крайней мере не менее 0,5 Я для распро странения волны низшего типа ТЕЯ1*. Для этого типа волны ее критическая длина не зависит от высоты волно вода Ь. В круглом волноводе диаметр О должен быть не меньше 0,586 X для распространения волны низшего типа ТЕО. По волноводу будут распространяться и волны
высших типов, если его размеры велики по сравнению с длиной волны Я.
Например, волны ТЕ$ и ТМ*п, которые называются вырожденными (так как имеют одинаковую критическую длину волны), могут распространяться по волноводу квад
ратного сечения, если а = |
Ь > 0,707 Я, а волна ТМ§ |
может распространяться в |
круглом волноводе, если его |
диаметр О равен или больше 0,765 Я. Волна типа ТЕ$ (с круговой поляризацией) и волна типа ТМи могут
*) В этом разделе индексы □ и О обозн прямоугольный и круглый волноводы.
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
ляет |
|
кет |
для |
температуры |
стенок волновода |
150 °С |
|
при |
естественном |
охлаждении |
без применения |
ребер |
|||
[1, |
5, |
61. |
волноводы и элементы тракта с увеличен |
||||
|
Применяя |
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