книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfОтдельно рассматривается применение СВЧ-энергии при производстве непищевых материалов. Наиболее важными из этих применений являются обработка лесоматериалов, склеивание пластмасс и дерева, выравнивание уровня влажности и др. Чтобы проиллюстрировать многообра зие применений, в книге описаны такие процессы, как противопаразитиая СВЧ-обработка изделий из древеси ны и глины, раскалывание и отвердение бетона и др.
Важная тема, связанная с опасностью СВЧ-облуче- ний, обсуждается в разделе, посвященном СВЧ-биофи-
зике. Сюда |
включено |
также применение СВЧ-энергии |
в медицине |
и других |
областях науки. |
В разделе, посвященном военным и аэрокосмическим применениям, рассматриваются некоторые вопросы радио локации и передачи СВЧ-энергии, а также смежные во просы, связанные с применяемыми для радиолокаторов СВЧ-приборами, с генерированием шумовой мощности и с фокусировкой СВЧ-энергии. В книгу включен также раздел, посвященный промышленным, медицинским и научным применениям СВЧ-ускорителей электронов. Об суждается также техника ускорения пучка и работы
сним.
Вразделе, посвященном СВЧ-ионизации газов, рас смотрены вопросы плазменной химии, СВЧ-иагрева и
ограничения плазмы в управляемой термоядерной реак ции, а также ускорения плазмы в движителях космиче ских кораблей.
Наконец, в разделе «СВЧ-динамика» рассмотрены типичные примеры применения СВЧ-энергии, преобра зуемой в механическую работу, описаны СВЧ-электро- двигатели (с прямым и последовательным преобразова нием СВЧ-энергии), а также волноводные высокоскорост ные транспортирующие устройства. Каждое из этих при менений находится на ранней стадии экспериментального изучения.
Настоящее введение к книге иллюстрирует огромные сдвиги (см. также [2]), которые произошли в каждом из названных направлений со времени симпозиума, органи зованного Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике в мае 1964 г. (г. Клируотер) [3]. Важ ным последующим событием (сопровождавшимся выходом
в свет работы [4]) была организация симпозиума 15, 6] Эдмонтонским университетом (пров. Альберта, Канада) в марте 1966 г. В результате этого стал издаваться журнал
1п1егпаНопа1 Зоита1 о/ Шсготаъе Ротег. Под руководст вом Международного института по СВЧ-энергетике (Ка нада) организуются периодические симпозиумы. В США журнал института инженеров по электротехнике и радио электронике 1ЕЕЕ ТгапзасИопз оп Мкготяше Ткеогу апй Тескпгдиез также принимает для опубликования статьи, посвященные СВЧ-энергии и ее применениям.
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
|
|
|
1. |
КСА Р^иепсу Виг., Ргечиепсу АИосаН |
№\у |
Уогк, |
КСА, |
|||
2. |
1965. |
О. А., |
М»сго\уауе НеаПп^, \Уе$1рог1, |
Сопп. |
Ау1, |
||
С о р 5 о п |
|||||||
3. |
1962. |
|
|
|
|
|
|
1ЕЕЕ ЗреЫгит, 1, рр. 76—100 (Ос1. 1964). |
Не\у Уогк, Зргт- |
||||||
4. |
Р й 5 с Ь п е г Н., |
НеаПп* \уНЬ Мкппуауез, |
|||||
|
бег, 1966; есть русский перевод: П ю ш н е р |
Г., Нагрев |
энер |
||||
5. |
гией сверхвысоких частот, изд-во «Энергия», М., 1968. |
|
Р1. С |
||||
Мьсготаие Рошг, |
1, № 1, Р1. А; 1, № 2, Р1. В; 1, № 3, |
||||||
6. |
( 1966). |
I И 3. А., |
Ва$к ргшс1р1ез о? ткго\уауе агк! гесеп! |
||||
О о 1с! Ь И |
|||||||
|
4еуе1ортеп1$, Ад'оап. |
Роод Ре$., 15, рр. 277—296 (1967). |
|
Г лава 2
ГЕНЕРИРОВАНИЕ
2.1. ВВЕДЕНИЕ
X е л л
I. Введение
За последнее десятилетие в развитии мощных генера торов электромагнитных волн достигнут значительный прогресс. Техника электровакуумных приборов СВЧ непрерывно совершенствовалась, и начиная со второй мировой войны эти приборы находили все новые и новые применения [1]. Значительные успехи достигнуты и в повышении уровня мощности полупроводниковых генера торов на сверхвысоких частотах. Здесь можно упомянуть не только приборы, основанные на использовании объем ных эффектов (диоды Ганна и диоды с ограниченным на коплением объемного заряда), но также и лавинно-про летные генераторы и высокочастотные транзисторы. В пер спективе большие матрицы, собранные из таких приборов, могут стать конкурентами для мощных электровакуум ных приборов СВЧ, хотя для этого предстоит еще выпол нить много исследований и конструкторских разработок [21. Быстрый прогресс на пути увеличения мощности и
к. п. д. твердотельных и газовых квантовых приборов приводит к реализации целого ряда новых применений и систем, которые во многих случаях способны успешно конкурировать с соответствующими аналогами на элек тровакуумных приборах [3, 41.
Развитие мощных ламп СВЧ, разработанных 10— 20 лет назад, таких, как магнетроны, клистроны и неко торые виды усилителей магнетронного типа, в настоящее время достигло стадии, на которой эти приборы с успехом
выпускаются многими изготовителями. Повсеместно эти надежные и долговечные приборы имеют невысокую стои мость, которая еще несколько лет назад казалась совер шенно нереальной. В более дорогих приборах обычно должен учитываться такой параметр, как ремонтоспо собность (т. е. возможность восстановления за небольшую цену). Усилия разработчиков электровакуумных приборов сейчас направлены на то, чтобы удовлетворить требова ниям малого веса, максимально большого срока службы и высокой надежности, а также на улучшение таких важ ных характеристик, как возможность модуляции и фазо вая линейность.
Наряду с этим все время расширяются старые области применения приборов СВЧ и открываются новые. Воз растает значение таких новых применений, как передаю щие системы с миогоэлементными фазированными решет ками и невоенное использование энергии СВЧ. Потен циальный спрос на лампы СВЧ для этих применений на столько велик, что заставляет инженеров еще до начала конструкторской разработки обратить особое внимание на экономические показатели конструкции, и в том числе на начальную стоимость лампы, долговечность и ремонто способность. В соответствии с новыми идеями построения систем пришлось полностью' пересмотреть созданные в по следнее время приборы, чтобы получить такие новые свойства, как автомодуляция, высокочастотным входным сигналом 15].
Еще одна тенденция, которая все ощутимее прояв ляется в области электровакуумных приборов СВЧ, — это непрекращающееся совершенствование мощных ламп
ссеточным управлением в целях повышения их мощности
ик. п. д. на более высоких частотах [6]. Успехи, достигну тые в технологии производства, и улучшение конструк ции резонаторов заметно повышают конкурентоспособ ность триодов в длинноволновой части диапазона СВЧ. Даже на более высоких частотах (вплоть до 3-сантиметро- вого диапазона) эти триоды способны заменить некоторые маломощные магнетроны и клистроны.
[?; Быстрое расширение космических исследований силь но повлияло на темпы развития электровакуумных прибо ров СВЧ и открыло новые области для применения кван-
тово-электронных источников энергии. Использование приборов СВЧ на спутниках и космических кораблях потребовало более чем на порядок повысить их долго вечность и надежность. Сейчас серьезно исследуется воз можность передачи энергии на космические аппараты с помощью хорошо сфокусированных пучков СВЧ-энергии. Почти идеально сфокусированные пучки электромагнит ной энергии, обеспечиваемые лазерами, служат основой для создания нового типа систем радиолокации и связи и целого ряда новых сложных научных приборов и инст рументов.
В этой главе дан обзор современного состояния и тен денций развития основных классов мощных генераторов сверхвысоких и оптических частот, а именно магнетро нов, усилителей магнетронного типа, клистронов, плаз менно-лучевых усилителей, шумовых генераторов со скре щенными полями, триодов и лазеров. Обзор написан с уче том того, что эти приборы все чаще используются в граж данском оборудовании, и содержит требования, предъяв ляемые к приборам для ряда новых и перспективных систем. В обзор включено также краткое описание полу проводниковых приборов.
II. Магнетроны как источники энергии СВЧ
Хотя магнетрон относится к одному из самых старых приборов СВЧ, тем не менее продолжает оставаться наи более распространенным источником ВЧ-энергии, и об ласти его применения непрерывно расширяются. К ряду достоинств магнетрона, благодаря которым он пользуется такой популярностью, относятся высокий к. п. д., про стота изготовления, компактность, низкое анодное напря жение и отсутствие рентгеновского излучения. В более сложных военных системах, где требуется фазовая коге рентность, вместо магнетрона часто используются мощ ные клистроны и амплитроны, однако в самолетном и дру гом оборудовании, где важно сохранить небольшой вес, все еще предпочитают использовать магнетрон. При этом в современных системах к магнетрону предъявляются все более сложные требования по настройке, стабильности частоты (хорошее качество спектра), надежности, долго вечности и др.
Возрастающее использование энергии СВЧ в невоен ном оборудовании, например для приготовления пищи, сушки продуктов, терапии и ускорения химических про цессов, сулит магнетронам хорошие перспективы. Для работы в таком оборудовании магнетроны должны генери ровать мощности от нескольких сотен ватт до нескольких сотен киловатт. Уже разработаны магнетроны этого типа, генерирующие мощность до нескольких десятков кило ватт. Установки нагрева энергией СВЧ, в которых тре буется получить очень высокую мощность, часто конст руируют таким образом, чтобы энергия в рабочий объем поступала от нескольких независимых генераторов мень шей мощности через отдельные рупорные облучатели. Однако в более типичном случае применения, каким яв ляется СВЧ-плита, достаточно бывает мощности одного магнетрона. Часто такие магнетроны работают без спе циального выпрямителя непосредственно от сети пере менного тока стандартной частоты (50 -г- 60 гц) и подклю чаются через трансформатор. Для работы в низкочастот ной части диапазона, отведенного для установок СВЧнагрева, сконструированы низковольтные магнетроны, которые подключают через полупроводниковый выпря митель-удвоитель непосредственно к сети 110 в. В на стоящее время СВЧ-плиты часто устанавливают в ресто ранах и крупных учреждениях, но массовый сбыт, конеч но, начнется с установкой СВЧ-плит в домашних кухнях. Заниматься восстановлением таких магнетронов не имеет смысла из-за весьма низкой себестоимости их. В этом плане все большее значение приобретает автоматизация производства.
Интересно отметить, что недавние достижения в тех нике мощных высокочастотных триодов [61 делают их серьезным конкурентом для магнетронов, используемых в установках СВЧ-нагрева. Преимущества триодов — ма лая стоимость лампы и низкое анодное напряжение.
В более сложных применениях (например, радиолока ционных) на частотах вплоть до 10 Ггц продолжают до минировать обычные перестраиваемые магнетроны со связками. На более высоких частотах их вытесняют маг нетроны, стабилизированные внешним высокодобротным резонатором, что объясняется высоким качеством спектра
последних. Сравнительно недавно разработаны также методы очень быстрой настройки магнетронов, включая электромагнитную систему настройки и механизм настро.йки с внутренним вращающимся элементом, магнит ный привод которого находится снаружи вакуумной обо лочки. Электромагнитная система настройки действует значительно быстрее, чем более старый гидравлический механизм, а механизм вращательной перестройки позво ляет получить перестройку по всему диапазону магне трона со скоростью до 500 цикл/се#. В других методах быстрой настройки используются ферриты и пьезоэлек трические элементы [7].
III. Усилители магнетронного типа как источники энергии СВЧ
Первым типом магнетронных усилителей, который нашел широкое применение, был амплитрон. Этот при бор представляет собой усилитель магнетронного типа с обратной волной, с замкнутым электронным потоком и распределенной эмиссией1*. Основной целью первых разра боток амплитронов было повышение мощности импульс ных радиолокационных систем. Однако в результате ра бот, проведенных за последнее время, область применения амплитронов заметно расширилась и охватывает как сверх мощные системы передачи энергии, так и системы косми ческой связи и телеметрии, где используются миниатюр ные маломощные усилители. Проведены и ведутся также разработки усилителей магнетронного типа с прямой волной и распределенной эмиссией. Эти приборы, повидимому, будут иметь большое значение для новых типов электронных систем. Использование процесса взаимодей ствия электронов с прямой волной позволяет получить большее усиление в более широкой полосе, чем в случае взаимо действия с обратной волной. Кроме того, в усилителях прямой волны с холодными вторично-эмиссионными ка тодами можно получить автоматический запуск от вход ного СВЧ-сигнал&.
*) У п о тр е б и те л ь н ы |
т а к ж е тер м и н ы «с к а то д о м |
в п р о с т р а н с т в е |
в заи м о д е й с т в и я », «с эм |
н ттн р у ю щ и м о тр и ц а те л ь н ы м |
э л е к т р о д о м » .— |
П р и м . р е д .
Сейчас разрабатываются два типа магнетронных усили телей прямой волны с распределенной эмиссией: цилиндри ческие приборы с замкнутым электронным потоком и плоские приборы с незамкнутым электронным потоком. В приборах первого типа электроны с выходной части лампы направляются через пространство дрейфа обратно к входу и снова участвуют в процессе взаимодействия, вследствие чего повышается к. п. д. прибора. Однако в приборах с замкнутым электронным потоком обычно при ходится использовать дополнительный электрод, на ко торый в конце каждого ВЧ-импульса подается запираю щее напряжение, чтобы погасить колебания. В приборах второго типа отсутствует обратная связь по электронному потоку, и поэтому они полностью управляются входным СВЧ-сигналом; постоянное же напряжение источника питания должно быть высоким. Разработка приборов такого типа может оказаться одним из наиболее значи тельных достижений в области передатчиков СВЧ, по скольку их использование делает ненужным модулятор. Другой особенностью, обусловленной отсутствием обрат ной связи по ВЧ, является гладкая монотонная фазоча стотная характеристика. Эта особенность очень сущест венна для тех применений, в которых частота должна меняться в течение импульса.
К другой разновидности широкополосных магнетрон ных усилителей прямой волны относится прибор с инжек тированным электронным потоком. В этом приборе источ ником электронов является электронная пушка, которая вводит тонкий ленточный пучок в пространство взаимо действия. Такой усилитель аналогичен лампе бегущей волны с той разницей, что в нем вместо взаимодействия, основанного на модуляции по скорости, идет процесс взаимодействия в скрещенных полях, типичный для маг нетронов. Благодаря тому что процесс взаимодействия протекает в скрещенных полях, этот прибор имеет высо кий к. п. д. и может применяться там, где требуются умеренно высокие мощности в непрерывном и импульсном режимах и широкая полоса усиления.
Как и приборы с распределенной эмиссией, магнетрон ные усилители с инжектированным потоком могут иметь цилиндрическую или плоскую форму. Исторически сиачв-
ла был разработан прибор цилиндрической конструкции; именно на такого рода приборе были достигнуты очень высокие импульсные мощности. В частности, импульсные мощности приборов, сконструированных и разработан ных во Франции, составляли 10 Мет и более на частотах дециметрового и 10-сантиметрового диапазонов при уси лении в режиме насыщения 13— 18 дб и ширине полосы 10—20%. В приборе плоской конструкции с секциониро ванной замедляющей системой были получены усиления до 25 дб. Разработаны также приборы со спиральными замедляющими системами, которые позволяют получать в непрерывном режиме мощность на уровне единиц ки ловатт в полосе шириной почти в две октавы.
IV. Клистроны как источники энергии СВЧ
Улучшение таких параметров мощных клистронов» как мощность, к. п. д., надежность и долговечность, поз волили им занять весьма важное место среди других электровакуумных приборов СВЧ. Основной областью применения таких клистронов являются мощные радио локационные станции и системы связи, кроме того, их применяли и в мощном оборудовании для СВЧ-нагрева.
Одна из главных особенностей клистрона — возмож ность получения очень больших мощностей в импульсном и непрерывном режимах. Объясняется это тем, что при хорошей фокусировке практически не происходит пере хвата электронов пучка в зазорах взаимодействия, а отра ботанный пучок выводится из пространства взаимодейст вия на хорошо охлаждаемый коллектор. При этом кол лектор может быть достаточно большим, так как он физически отделен от пространства взаимодействия. По скольку развязка между выходом и входом усилитель ного клистрона очень велика, относительно легко вклю чить параллельно большое число приборов. Вследствие же высокого усиления входная СВЧ-мощность может быть очень малой. Системы, в которых используется парал лельное включение клистронов, способны развить на выходе весьма высокие импульсные и средние мощности.
Благодаря своим мощностным характеристикам кли строн успешно конкурирует с магнетроном в таких уста
новках для СВЧ-иагрева, где нужны очень высокие сред ние мощности. К. п. д. клистрона ниже, чем у магнетрона, но он может отдавать такую высокую среднюю мощность, для получения которой потребовалось бы много магне тронов. Сравнивая более простую конструкцию установки на одном клистроне с миогомагметронной конструкцией, нужно все же учитывать, что для последней характерны более высокие к. и. д. и надежность и меньшая мощность гармоник.
При разработке клистронов для более сложных систем связи и радиолокации основное внимание обращалось на улучшение таких параметров, как широкополосность и линейность фазочастотной характеристики, повышение первеанса и к. п. д. и снижение веса. Значительное уве личение шнрокополосиости мощных импульсных клистро нов было достигнуто недавно в результате создания гибри да клистрона н ЛБВ. В этом гибридном приборе исполь зуется обычный многорезонаторный группирователь, но вместо недостаточно широкополосного выходного резо натора применена широкополосная система распределен ного взаимодействия с бегущей волной. Были изготовлены многомегаваттные приборы этого типа на частоты 5- и 10-сантиметрового диапазонов. К. п. д. их был выше, чем у ЛБВ, а широкополосность больше, чем у обычных широкополосных клистронов. Кроме того, эти приборы имели в заданной полосе усиления более равномерную зависимость выходной мощности от частоты и лучшую линейность фазочастотной характеристики по сравнению с обычными широкополосными клистронами.
Использование систем распределенного взаимодейст вия вместо выходного резонатора привело также к сущест венному увеличению к. п. д. клистрона и допустимой средней мощности. Наиболее показательные результаты были получены на клистроне З-саитиметрового диапазона, который в непрерывном режиме давал выходную мощ ность 500 кет на частоте 7946 Мгц. Тот же клистрон в им
пульсном режиме имел на выходе 2 |
при к. п. д. |
61%. |
|
Высокий первеанс всегда был очень важным парамет ром мощных клистронов, так как от него зависела широ кополосность лампы и возможность использования источ