книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА

Под редакцией

Э. ОКРЕССА

ТО М 1

ГЕНЕРИРОВАНИЕ

ПЕРЕДАЧА

ВЫПРЯМЛЕНИЕ

Перевод с английского

Э. Д. Ш Л И Ф Е Р А

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1971

Рассмотрены'генераторные и усилительные приборы сверхвы­ соких частот, оценены перспективы применения электровакуумных, квантовоэлектронных и полупроводниковых приборов. С позиций применения и передачи значительных мощностей СВЧ-колебаний изложены вопросы совершенствования волноводов и проблемы не­ посредственной передачи энергии через свободное пространство. Описаны и сопоставлены мощные выпрямители сверхвысоких час­ тот различных классов.

Редакция литературы по новой технике

Инд. 3-3-12

СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА

том I

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ

Темпы современной технической революции во многом определяются успехами в отыскании и применении новых видов энергии. Немаловажным фактором является и про­ никновение традиционных видов энергии в новые области применения. Энергию сверхвысоких частот следует от­ нести к «молодым» видам; ее применение длительное время ограничивалось задачами радиолокации, телеметрии и т. п. Несмотря на эту «ограниченность», достигнуты колоссаль­ ные успехи в создании источников СВЧ-энергии и разви­ тии СВЧ-техники, значительно расширился круг спе­ циалистов в области теории, конструирования и эксплуа­ тации СВЧ-приборов и устройств. Однако господствую­ щее влияние военных применений привело в известной мере к однобокому развитию СВЧ-техники и лишь в по­ следние несколько лет наблюдается все возрастающее проникновение СВЧ-энергетики в самые различные, порой неожиданные области применения. Это, конечно, повы­ шает интерес к разработке новых СВЧ-приборов и устройств, а также приданию им новых качеств.

Сегодня можно уже говорить именно о СВЧ-энергетике. Ее роль будет быстро возрастать и здесь существенное значение будет иметь, с одной стороны, понимание спе­ циалистами в области СВЧ-радиоэлектроникн возмож­

ностей применения СВЧ-энергии в различных иерадиотехнических отраслях и, с другой стороны, уяснение специалистами иерадиотехиических отраслей возможно­ стей СВЧ-приборов и устройств. К сожалению, литера­ туры, которая целенаправленно развивала бы такое комплексное встречное понимание, очень мало.

В этом смысле появление книги «СВЧ-энергетика» под ред. Э. Окресса является важным шагом вперед, и, надо полагать, не последним. В составлении этого издания приняли участие видные специалисты, отразив­ шие в соответствующих разделах современные достиже­ ния в области генерирования, усиления, передачи и вы­ прямления СВЧ-колебапий больших мощностей, а также в различных областях применения СВЧ-энергии. При этом прогнозируются перспективы дальнейшего развития.

В русском издании представилось целесообразным разбить материал на три тома. Первый том посвящен во­ просам генерирования, передачи и выпрямления. Сопо­ ставляются различные классы СВЧ-генераторов, усили­ телей, выпрямителей и передающих систем. Рассмотре­ ние строго подчинено общей идее книги — энергетиче­ ским применениям СВЧ-колебаиий, поэтому достигнутые уровни параметров, перспективы развития и экономиче­ ские оценки представляются именно в свете настоящих и будущих применений. Участие коллектива авторов привело к тому, что не все разделы книги написаны на одном уровне сложности. Кроме того, оказалось невоз­ можным обеспечить полное единство обозначений (хотя при переводе и редактировании это частично удалось сделать), поэтому в конце каждого раздела приводится перечень использованных обозначений. Заметен и неко­ торый субъективизм авторов в оценке достижений и пер­ спектив «своего» класса приборов и устройств. Это, одна­ ко, отражает реальную конкуренцию в различных направ­

лениях СВЧ-энергетики и не препятствует пониманию материала.

Чтобы сделать книгу доступной широкому кругу чи­ тателей — неспециалистов в области СВЧ-техники, ав­ торы, как правило, не проводят строгого количественного анализа физических процессов, лежащих в основе дейст­ вия тех или иных приборов и устройств, особенно тогда, когда эти вопросы подробно освещены в оригинальной литературе. С учетом же запросов специалистов и читате­ лей, желающих детально изучить конкретную проблему, авторы дают в каждом разделе ссылки на соответствую­ щие опубликованные работы. В книге учтены интересы и тех читателей, которые хотели бы лишь в общих чертах ознакомиться с постановкой проблем и основными резуль­ татами. Для этого в конце каждой главы помещено заклю­ чение редактора издания Э. Окресса, представляющее своеобразную рецензию, раскрывающую содержание и, в определенной мере, увязывающую выводы авторов от­ дельных разделов.

Содержание тома 1 русского издания полностью сов­ падает с содержанием тома 1 оригинала; тома 2 и 3 пере­ вода посвящены многообразным применениям СВЧ-энер- гии в пищевой промышленности, при производстве раз­ личных материалов, в медицине, химии, в научных иссле­ дованиях и т. д.

Разбивка материала тома 2 американского издания на два тома продиктована соображениями удобства чтения книги специалистами различных отраслей. Последова­ тельность же изложения сохранена такой же, как и в оригинале. Хотя по объему том 1 — самый большой, дробление его нарушило бы цельность замысла, могло бы затруднить понимание того, насколько полно решена на сегодня комплексная задача СВЧ-энергетики: генери­ рование — передача — прием.

Из материалов, изложенных в томе 1, непредубеж­ денный читатель ясно увидит, что ии один из классов СВЧ-приборов, как из уже существующих, так и из толь­ ко развивающихся, сколь бы привлекательными они ни казались в настоящее время, не обладает столь подавляю­ щими преимуществами, которые позволили бы полностью отвергнуть конкурирующие направления.

Перевод выполнен В. Г. Алыбиным [гл. 1, 3 и 4 (разд. 4.4—4.8)] и Э. Я. Пастроном [гл. 2 и 4 (разд. 4.1— 4.3)].

Э. Ш л и ф е р

П Р Е Д И С Л О В И Е

Эта книга знакомит читателя с новой областью элек­ тронной техники — СВЧ-энергетикой. Главное внимание уделено не столько применениям СВЧ- (и, отчасти, кван­ товой) электроники для целей информации и связи, сколь­ ко вопросам непосредственного использования и передачи СВЧ-энергии. Поскольку в современных применениях СВЧ-энергии в большинстве случаев используются только фиксированные частоты, такие характеристики, как фа­

зовые и временные искажения, широкополосность и ко­ герентность, существенные для линий передачи информа­ ции, играют меньшую роль. СВЧ-энергетика охватывает такие области, как нагрев, обработка, динамика, переда­ ча энергии на расстояние, и, естественно, генерирование, усиление и прямое использование мощных СВЧ-колеба- ний, проблемы волноводной или лучевой передачи энер­ гии на большие расстояния и ее выпрямление. При этом упор делается на следующие моменты: 1) выбор именно СВЧ-диапазона с учетом возможностей миниатюризации аппаратуры, снижения расходов и повышения характе­

вышение к. п. д.; 4) надежность; 5) долговечность. Несмотря на то что эти вопросы отражены в трудах

первого симпозиума [см. 1ЕЕЕ ЗреЫгит (Ос!. 1964)1, здесь уместно еще раз проанализировать их в общих чер­ тах. В книге содержится обзор современных достижений в области разработки приборов, устройств и их примене­ ний и в свете новейших представлений оцениваются су­ ществующие трудности. В каждом случае высказан ряд рекомендаций в отношении того, что надо сделать для

ускорения всестороннего развития СВЧ-энергетнки, обе­ спечив вместе с тем необходимые созидательные и мате­ риальные ресурсы.

На современном этапе развития СВЧ-генераторов и усилителей наиболее мощными и эффективными являются магнетроны, амплитроны и клистроны, однако магнетро­ ну принадлежит ведущая роль в тех случаях, когда на­ грузка имеет непостоянный импеданс. С тех же позиций следует считать, что наиболее совершенными выпрями­ телями на сегодняшний день являются вакуумные диоды, полупроводниковые диоды с точечным контактом, барьер­ ные диоды Шотгки и инверторный клистрон (с электро­ статической фокусировкой). Среди других СВЧ-выпря- мителей теоретически перспективными надо считать при­ боры с поперечным взаимодействием и выпрямители типа бегущей волны.

Для СВЧ-нагрева и других видов обработки материа­ лов (в частности, пищевых продуктов) в большинстве случаев используется магнетрон. Применяются также и клистроны (для сушки, обезвоживания предварительно замороженных продуктов, склеивания, подогрева, раз­ мораживания, регулирования уровня влажности и т. п.).

Из других областей применения СВЧ-энергии надо назвать следующие: 1) ионизацию газов (пока в основном на уровне экспериментальных исследований) для воздей­ ствия на протекание химических процессов, в движителях космических аппаратов и для научных исследований (например, в области управляемой термоядерной реак­ ции); 2) питание ускорителей частиц для научных иссле­ дований, медицинских целей и промышленных примене­ ний; 3) военную и аэрокосмическую технику для фазиро­ ванных антенных решеток, фокусирующих СВЧ-энергию, для экспериментальных геликоптерных платформ и т. д.; 4) динамику для экспериментальных двигателей, экспе­ риментальных волноводных транспортирующих устройств и др. Кроме этих применений и тех, которые пока еще на^ ходятся в стадии изысканий, рассматриваются вопросы биологического воздействия и опасности, связанные с СВЧ-обл учениями.

В настоящее время проблемы преобразования СВЧэнергии в энергию постоянного тока находятся в основном

в стадии экспериментальной разработки, и прежде чем окажется возможным реализовать такие применения СВЧэнергии, как питание моторов, подвижных объектов и др., необходимо провести значительный объем работ в области СВЧ-выпрямителей.

Волноводная передача СВЧ-эиергии имеет важные преимущества перед традиционными системами передачи (в частности, независимость от условий погоды и др.), однако и ей присущи недостатки, наиболее серьезным из которых является большое затухание. Для передачи энергии непрерывных СВЧ-колебаний на значительные расстояния необходимо, чтобы потери были примерно в 1000 раз меньше, чем это допустимо для обычных ли­ ний связи. Столь низкие затухания, как 0,001 дб/км, могут быть получены при использовании для передачи энергии круглых волноводов увеличенного поперечного сечения (диаметром порядка 10 X) с волной ТЕ01. При этом можно добиться подавления паразитных типов волн с неменьшнм успехом, чем это удается в линиях связи. Этой проблеме до недавнего времени уделялось недоста­ точно внимания, хотя допустимый уровень передавае­ мых по волноводу мощностей этому не препятствует.

Так, например, допустимый уровень передаваемой по волноводной системе мощности может даже превышать уровень (4 Гвт), который будет достигнут в обычной сверх­ высоковольтной линии передачи. Можно утверждать, что для не слишком длинных участков линии передачи окажутся перспективными прямоугольные волноводы с увеличенным поперечным сечением. Если сделать разме­ ры поперечного сечения волновода равными то по сравнению со стандартными прямоугольными волново­ дами можно увеличить .передаваемую мощность на поря­ док.

В результате интенсивного развития в разных стра­ нах СВЧ-электроники больших мощностей (особенно в 3- и 10-сантиметровых диапазонах волн) внимание иссле­ дователей было обращено на передачу СВЧ-энергии по­ средством сфокусированных пучков электромагнитных воли («беспроводная» передача). Современные аэрокос­ мические и военные требования явились стимулом для разработки новых типов приемных антенн в виде выпря-