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(guó)家863計(jì)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(yáng)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(guó)的Peter Glaser博士首先提出了衛(wèi)星太陽(yáng)能電站（SPS）[1]的構(gòu)想。由于SPS位于大氣層外的空間，太陽(yáng)的輻照時(shí)間長(zhǎng)，輻射不受地磁場(chǎng)及大氣層性質(zhì)的影響，能量吸收率高。無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)的兩個(gè)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(duì)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(gè)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(chǎng)，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(chǎng)。由電子槍發(fā)出的筆形電子束以一定初速度沿磁力線(xiàn)注入兩脊之間的間隙后，受到軸向磁場(chǎng)與橫向微波電場(chǎng)的共同作用。當(dāng)電子在磁場(chǎng)中的回旋角頻率ωC等于微波角頻率ω時(shí)，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(shí)機(jī)飛出橫向場(chǎng)區(qū)。然后，繞軸做大回旋運(yùn)動(dòng)的電子注進(jìn)入倒向磁場(chǎng)區(qū)，在此區(qū)電子受到能量守恒與正則角動(dòng)量守恒規(guī)律的支配，橫向迴旋能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(chǎng)的作用，動(dòng)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(duì)高頻互作用系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2 基本理論

基于均勻場(chǎng)近似非相對(duì)論單電子運(yùn)動(dòng)的理論可以闡明這種器件中物理過(guò)程的主要特點(diǎn)。在回旋波整流器互作用系統(tǒng)中，靜磁場(chǎng)和均勻分布的高頻電場(chǎng)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(jì)空間電荷影響與相對(duì)論效應(yīng)，電子回旋角頻率與靜磁場(chǎng)的關(guān)系為：ωc=eB0/m，回旋頻率fc=ωc/2π。當(dāng)ω?zé)o線(xiàn)趨于ωC時(shí)，電子橫向的速度和位移公式為：

其中E0為互作用區(qū)電場(chǎng)幅值，L為互作用區(qū)長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)、腔長(zhǎng)、電子初速與電子速度，以及回旋半徑之間的關(guān)系。同時(shí)也清楚地表明了：當(dāng)ω?zé)o限趨于ωc時(shí)，電子注在互作用區(qū)內(nèi)猶如一根繩子伏在圓錐的母線(xiàn)上繞z軸做與高頻場(chǎng)同步的回旋運(yùn)動(dòng)，且與電子的初始相位無(wú)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(xiàn)形性良好性且不受場(chǎng)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)和仿真，得到如下諧振腔的各個(gè)參數(shù)。

表1 5.8 GHz回旋波整流器高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算所得到的腔的高頻電磁場(chǎng)分布，表明電場(chǎng)主要集中在兩極板之間，分布基本均勻，磁場(chǎng)主要集中在支持桿的周?chē)?/p>

圖4 冷腔磁場(chǎng)和電場(chǎng)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(guò)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(xiàn)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(gè)參數(shù)，描述了高頻結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)的分布；再用Magic進(jìn)行粒子模擬，設(shè)計(jì)出的回旋波整流器的高頻結(jié)構(gòu)在電子與場(chǎng)的同步運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率。

在無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)與衛(wèi)星太陽(yáng)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(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)的應(yīng)用前景[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：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.

[3]Vladimir A.VANKE.Cyclotron wave converter of microwaves into DC[J].Ieice Trans Electron，1998，E81-C（7）：1136-1296.

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

[5]趙曉云，李家胤，孫治國(guó).回旋波整流器高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與粒子模擬研究[J].微波學(xué)報(bào)，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.