5.8 GHz回旋波整流器高頻互作用區(qū)的研究

鄧 強(qiáng)，李天明

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院 國家863計劃強(qiáng)輻射實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610054）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗日益增加，但地球上的能源資源始終有限，尋找新的和可再生利用的能源是擺在能源工作者面前的重要難題。太陽能是取之不盡，用之不竭的，而且還環(huán)保，當(dāng)然是新能源的不二之選。1968年美國的Peter Glaser博士首先提出了衛(wèi)星太陽能電站（SPS）[1]的構(gòu)想。由于SPS位于大氣層外的空間，太陽的輻照時間長，輻射不受地磁場及大氣層性質(zhì)的影響，能量吸收率高。無線輸電技術(shù)[2]就在此發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它可以將同步衛(wèi)星上的電能轉(zhuǎn)換成微波能量，以微波的形式傳輸?shù)降孛妫僭诘孛孀詈筠D(zhuǎn)換成電能。無線輸電技術(shù)的兩個核心器件：1）將電能轉(zhuǎn)換成微波的微波源；2）將微波轉(zhuǎn)換成電能的回旋波整流器。其中，大功率的回旋波整流器是研究的難點(diǎn)。由于大氣層對微波的吸收和散射，必須將微波的頻率控制在大氣窗口的頻率上。一般將微波頻率控制在2.45 GHz和5.8 GHz，因?yàn)檫@兩個頻率點(diǎn)的大氣穿透性都很好。文中是研究的是5.8 GHz的回旋波整流器。

1 回旋波整流器

回旋波整流器[3]是一種以自由電子為工作媒質(zhì)的特殊真空電子器件[4]。它是由電子槍、Cuccia諧振腔、轉(zhuǎn)換區(qū)、收集極組成的一種特殊的真空管。管內(nèi)保持高真空，管外有如圖1所示中間倒向的軸向磁場，微波功率注入諧振腔后，在腔的兩脊之間產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的橫向微波電場。由電子槍發(fā)出的筆形電子束以一定初速度沿磁力線注入兩脊之間的間隙后，受到軸向磁場與橫向微波電場的共同作用。當(dāng)電子在磁場中的回旋角頻率ωC等于微波角頻率ω時，電子受到回旋共振加速，橫向能量不斷增加，回旋半徑不斷增大，直至在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)飛出橫向場區(qū)。然后，繞軸做大回旋運(yùn)動的電子注進(jìn)入倒向磁場區(qū)，在此區(qū)電子受到能量守恒與正則角動量守恒規(guī)律的支配，橫向迴旋能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向運(yùn)動的動能，以相當(dāng)高的軸向速度射入收集極區(qū)。在收集極區(qū)電子受到軸向減速場的作用，動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣┙o負(fù)載的電能，從而提供高壓、大功率的直流輸出。

圖1 回旋波整流器的工作原理圖Fig.1 Scheme of the cyclotron wave converter

高頻互作用系統(tǒng)是器件的基礎(chǔ)和核心，所以本文對高頻互作用系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2 基本理論

基于均勻場近似非相對論單電子運(yùn)動的理論可以闡明這種器件中物理過程的主要特點(diǎn)。在回旋波整流器互作用系統(tǒng)中，靜磁場和均勻分布的高頻電場相互垂直，如圖2所示。

圖2 回旋波整流器互作用結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of cyclotron wave rectifier interaction

電子從電容左邊的端口進(jìn)入到互作用區(qū)，不計空間電荷影響與相對論效應(yīng)，電子回旋角頻率與靜磁場的關(guān)系為：ωc=eB0/m，回旋頻率fc=ωc/2π。當(dāng)ω?zé)o線趨于ωC時，電子橫向的速度和位移公式為：

其中E0為互作用區(qū)電場幅值，L為互作用區(qū)長度，x，y的幅值即為出口處最大回旋半徑，從而（1），（2），（3），（4）式確定了場強(qiáng)、腔長、電子初速與電子速度，以及回旋半徑之間的關(guān)系。同時也清楚地表明了：當(dāng)ω?zé)o限趨于ωc時，電子注在互作用區(qū)內(nèi)猶如一根繩子伏在圓錐的母線上繞z軸做與高頻場同步的回旋運(yùn)動，且與電子的初始相位無關(guān)。這樣，使得注波互作用充分，互作用效率很容易達(dá)到95%～97%，線形性良好性且不受場強(qiáng)幅度的影響[5－6]。

3 仿 真

要使注波互作用充分，首先應(yīng)通過諧振腔的諧振頻率確定諧振腔的尺寸。諧振腔的參數(shù)和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 3 Cuccia諧振腔結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Cuccia cavity

由于選取的工作頻率是f=5.8 GHz，經(jīng)過設(shè)計和仿真，得到如下諧振腔的各個參數(shù)。

表1 5.8 GHz回旋波整流器高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Parameters of cyclotron wave rectifier cavity at 5.8 GHz

圖4是利用CST微波工作站計算所得到的腔的高頻電磁場分布，表明電場主要集中在兩極板之間，分布基本均勻，磁場主要集中在支持桿的周圍。

圖4 冷腔磁場和電場分布Fig.4 Magnetic field and electric field distribution

為了進(jìn)一步證明注波互作用的效率，通過MAGIC仿真結(jié)果如圖5所示。仿真是在5.8 GHz，輸入微波功率10 kW，電子槍輸出的電子注電流為0.5 Amps，加速電壓為4.291 kV的條件下進(jìn)行的。

圖5 高頻結(jié)構(gòu)橫向圖和剖面圖Fig.5 Cross section and profile of the cavity

圖6 Magic仿真結(jié)果圖Fig.6 Result of the Magic simulation

如圖6所示，電子的入射功率為2.14 kW，微波的注入同軸線的功率為9.93 kW，電子的出射功率為11.98 kW。最后可以算出能量轉(zhuǎn)換的效率為98.7%。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用CST確定了諧振腔的各個參數(shù)，描述了高頻結(jié)構(gòu)中的場的分布；再用Magic進(jìn)行粒子模擬，設(shè)計出的回旋波整流器的高頻結(jié)構(gòu)在電子與場的同步運(yùn)動時具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率。

在無線輸電技術(shù)中扮演關(guān)鍵器件角色的回旋波整流器是一種非常值得研究的器件。

[1]王秩雄，王挺，喬斌.無線輸電技術(shù)與衛(wèi)星太陽能電站的發(fā)展前景[J].空間電子技術(shù)，2006（2）:6-12.WANG Zhi-xiong，WANG Ting，QIAO Bing.Development prospect of wireless transmission technology and satellite solar power station[J].Space Electronic Technology，2006（2）：6-12.

[2]王秩雄，胡勁蕾，梁俊，等.無線輸電技術(shù)的應(yīng)用前景[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，4（1）:82-85.WANGZhi-xiong，HU Jing-lei，LIANGJun，et al.Application prospect of wireless transmission technology[J].Journal of air Force Engineering University：Natural Science Edition，2003，4（1）：82-85.

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[4]劉盛綱.微波電子學(xué)導(dǎo)論[M].北京:國防工業(yè)出版社，1983.

[5]趙曉云，李家胤，孫治國.回旋波整流器高頻系統(tǒng)設(shè)計與粒子模擬研究[J].微波學(xué)報，2008（4）：71-76.ZHAO Xiao-yun，LI Jia-yin，SUN Zhi-guo. Study of cyclotron-wave rectifier resonator and PIC simulation[J].Journal of Microwaves，2008（4）：71-76.

[6]趙曉云.基于回旋諧振機(jī)制的特殊電真空器件研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.