книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

Отдельно 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-

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.

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

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

Высокий первеанс всегда был очень важным парамет­ ром мощных клистронов, так как от него зависела широ­ кополосность лампы и возможность использования источ­