ЦИКЛОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЧ-ЭНЕРГИИ Российский патент 1998 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к области преобразования энергии СВЧ-колебаний в энергию постоянного электрического тока. Изобретение может быть использовано в системах для направленной беспроводной передачи больших уровней энергии на труднодоступные наземные и аэрокосмические объекты, в том числе в системах для энергоснабжения наземных потребителей энергией от солнечных электростанций космического базирования. В таких системах передачи энергии чрезвычайно важным является получение высокого коэффициента полезного действия (КПД).

Известны твердотельные преобразователи СВЧ-энергии в энергию постоянного электрического тока, создаваемые на полупроводниковых диодах [1]. Однако необходимость коммутации большого количества твердотельных элементов из-за их низкого удельного выходного напряжения (1 - 5 В) и низкой удельной мощности (4 - 5 Вт) существенно снижает надежность всей системы даже при незначительных перегрузках.

Известны высоковольтные электронно-лучевые преобразователи СВЧ-энергии в энергию электрического тока на базе приборов со скрещенными полями [2], клистронов [3] и другие, использующие принцип регенерации энергии ускоренных СВЧ полем электронов, предварительно сгруппированных в электронные сгустки. Однако увеличение КПД указанных преобразователей (до величины порядка 70%) серьезно затрудняется значительным разбросом скоростей электронов в приборах подобного типа.

Наиболее близким по технической сущности и признакам к предлагаемому изобретению является электронно-лучевой преобразователь СВЧ-энергии в энергию постоянного электрического тока [4], являющийся в данном случае прототипом.

Конструкция прототипа (фиг. 1) содержит электронную пушку, включающую катод (1) и аноды (2) и формирующую электронный поток (3). Далее соосно с электронным потоком последовательно расположены: устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток (4), коллектор (5) с сеткой (6). Резистор (7) представляет собой нагрузку, в которой выделяется полезная мощность постоянного электрического тока.

Магнитная система прототипа формирует требуемое для работы всех узлов преобразователя магнитное поле (фиг. 2). В области устройства для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток магнитная система формирует однородное продольное магнитное поле такого уровня, при котором циклотронная частота вращения электрона равняется частоте подводимых СВЧ-колебаний (циклотронный резонанс). В этом случае происходит эффективная передача подводимой СВЧ- энергии во вращательную энергию электронного потока (возбуждение быстрой циклотронной волны электронного потока). На участке между устройством для ввода энергии СВЧ колебаний в электронный поток и коллектором продольное магнитное поле резко меняет направление на противоположное, проходя при этом через ноль и достигая прежней абсолютной величины (симметричный реверс магнитного поля). При условии, что протяженность области изменения магнитного поля (Z₂- Z₁ на фиг. 2) бесконечно мала, достигается полное преобразование энергии циклотронного вращения электронов в энергию их поступательного движения. Такой электронный поток способен преодолеть потенциальный барьер на входе в коллектор, обусловленный падением напряжения на сопротивлении нагрузки в цепи коллектора. Отметим, что падение напряжения на сопротивлении нагрузки может достигать величины порядка 10 кВ и более в зависимости от уровня подводимой СВЧ-мощности.

Известно, что создание реверса магнитного поля на малой длине является трудно реализуемым на практике. При увеличении протяженности области симметричного реверса магнитного поля КПД преобразования значительно снижается [5] . Кроме того, в конструкции прототипа отсутствуют какие-либо устройства, предназначенные для борьбы с эмиссией вторичных электронов с коллектора и сетки. В реальных конструкциях вторичная эмиссия не позволяет получать приемлемые значения КПД.

Целью настоящего изобретения является создание преобразователя СВЧ-энергии, свободного от указанных недостатков прототипа, т.е. обладающего более высоким КПД, а также автономностью от внешних источников электропитания цепей преобразователя.

Изобретение поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 показана структурная схема прототипа; на фиг. 2 представлено распределение продольного магнитного поля в прототипе (случай симметричного реверса магнитного поля в области преобразования энергии электронов). На фиг. 3 приведена структурная схема предлагаемого циклотронного преобразователя по п.1 формулы; на фиг. 4 показано распределение продольного магнитного поля в предлагаемом циклотронном преобразователе. На фиг. 5 изображена структурная схема циклотронного преобразователя по п. 2 формулы. На фиг. 6 представлена структурная схема автономного циклотронного преобразователя по п.3 формулы.

На фиг. 3 схематически изображен предлагаемый циклотронный преобразователь, содержащий электронную пушку (1), формирующую электронный поток (2), и соосные с электронным потоком последовательно расположенные: устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток (3) в виде энергии циклотронного вращения, цилиндрический электрод (4), в области которого происходит преобразование энергии циклотронного вращения электронов в энергию их поступательного движения, барьерный электрод (5) и коллектор (6). Резистор (7), расположенный в цепи, соединяющей коллектор с катодом, представляет собой нагрузку, в которой выделяется полезная мощность постоянного электрического тока.

На фиг. 4 показано формируемое магнитной системой распределение продольного магнитного поля, необходимое для нормальной работы предлагаемого циклотронного преобразователя. В области устройства для ввода энергии СВЧ- колебаний в электронный поток продольное магнитное поле однородно и имеет уровень, обеспечивающий циклотронный резонанс электронов (так же, как в прототипе). Далее, в области цилиндрического электрода, продольное магнитное поле спадает и становится нулевым в области барьерного электрода.

Принцип работы предлагаемого циклотронного преобразователя заключается в следующем (см. фиг. 3). Электронная пушка (1) формирует электронный поток (2), дрейфующий в продольном магнитном поле. Устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток (3) обеспечивает передачу подводимой СВЧ-энергии во вращательную энергию быстрой циклотронной волны электронного потока. Далее, в области цилиндрического электрода (4) в спадающем магнитном поле вращательная энергия электронов преобразуется в энергию их поступательного движения. В области барьерного электрода (5), где энергия продольного поступательного движения электронов максимальна, электроны преодолевают максимум потенциального барьера, обусловленного электрическим потенциалом барьерного электрода, на который подается напряжение, отрицательное относительно коллектора. Далее электроны оседают на коллекторе (6), при этом их скорость должна быть минимальна, чтобы обеспечить максимальный КПД работы преобразователя. Более низкий потенциал барьерного электрода по сравнению с потенциалом коллектора предотвращает вылет вторичных электронов из коллектора.

Применение цилиндрического электрода с ускоряющим потенциалом в области изменения магнитного поля снижает провисание потенциала коллектора и барьерного электрода в область, где не произошло преобразование вращательной энергии электронов в энергию продольного движения, и таким образом предотвращает отражение и оседание электронов вне коллектора.

В целях уменьшения габаритов циклотронного преобразователя и снижения количества вторичных электронов, вылетающих из коллектора в устройство ввода СВЧ-энергии, коллектор (6) может выполняться в виде тора с кольцевым отверстием (8) для влета электронов (см. фиг. 5, обозначения элементов соответствуют фиг. 3). Электрод (9) с ускоряющим потенциалом, расположенный на оси коллектора, предотвращает провисание тормозящего потенциала в область, где не произошло преобразование вращательной энергии электронов в энергию поступательного движения.

Применение ответвителя входной СВЧ-мощности (10) (фиг. 6, обозначения элементов соответствуют фиг. 3) с последующим ее выпрямлением полупроводниковым выпрямителем (11) даст возможность отказаться от дополнительных высоковольтных источников питания и источника напряжения подогревателя. При этом может применяться устройство повышения напряжения (12), которое в совокупности с резистивным делителем напряжения R2...R4 позволит подать требуемые напряжения на все электроды циклотронного преобразователя. Потенциал на барьерном электроде (5) может формироваться за счет падения напряжения на резисторе R1 при протекании через него тока вторичных электронов, вылетающих с коллектора и оседающих на барьерном электроде. Предлагаемая схема электропитания циклотронного преобразователя позволяет отказаться от внешних источников напряжения и обеспечивает полную автономность работы устройства.

Предлагаемый циклотронный преобразователь СВЧ-энергии позволяет получить более высокий полный КПД преобразования (до 80%) подводимой энергии в энергию постоянного электрического тока, выделяемую в нагрузке потребителя, при высоких уровнях подводимой СВЧ-мощности (до величин порядка 10¹ кВт). При этом возможна полностью автономная работа устройства при значительных колебаниях уровня подводимой СВЧ мощности.

Источники информации
1. СВЧ-энергетика./Под ред. Э.Окресса. т.1, -М.: Мир. 1971. с.378.

2. То же, с. 420.

3. То же, с. 424.

4. Патент США, N 3462636, 1969.

5. Барденков В.А., Ванке В.А., Горшков И.С., Лопухин В.М. О преобразователе СВЧ-энергии с реверсивным магнитным полем. - Радиотехника и электроника, 1976, т.21 N 4, c. 821.

Предложен циклотронный преобразователь СВЧ-энергии в энергию постоянного электрического тока. Циклотронный преобразователь основан на возбуждении быстрой циклотронной волны электронного потока за счет подводимой СВЧ-энергии и последующем преобразовании этой энергии в поступательную энергию движения электронов. Предложенные конструктивные особенности устройства позволяют получить высокий КПД преобразования (до 80%) при уровне подводимой СВЧ-мощности порядка 10 кВт, при этом допустимы значительные колебания уровня подводимой СВЧ-мощности. Использование ответвителя СВЧ-энергии на входе преобразователя и твердотельного выпрямителя этой энергии позволит превратить циклотронный преобразователь в полностью автономное устройство. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Циклотронный преобразователь энергии СВЧ-колебаний в энергию постоянного электрического тока, содержащий электронную пушку и соосно с ней последовательно расположенные устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток, коллектор, а также магнитную систему, создающую в области устройства для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток однородное продольное магнитное поле, обеспечивающее циклотронный резонанс электронов, отличающийся тем, что в его конструкцию дополнительно введены соосные с электронной пушкой цилиндрический электрод с ускоряющим потенциалом и барьерный электрод с потенциалом ниже потенциала коллектора, выполненный в виде кольца, при этом цилиндрический электрод расположен между устройством для ввода СВЧ-колебаний в электронный поток и коллектором, а барьерный электрод - между цилиндрическим электродом и коллектором, при этом дополнительно введена магнитная система, создающая спадающее продольное магнитное поле в области цилиндрического электрода и нулевое магнитное поле в области барьерного электрода. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что коллектор выполнен в форме тора с соосным электронной пушке кольцевым отверстием для электронного потока на поверхности, обращенной в сторону пушки, барьерный электрод выполнен в форме двух соосных друг другу и электронной пушке колец, а на оси коллектора дополнительно введен электрод с ускоряющим потенциалом. 3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток дополнительно снабжено ответвителем СВЧ-энергии и твердотельным выпрямителем этой энергии.