www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга знакомит читателя с новой областью электронной техники — СВЧ-энергетикой. Главное внимание уделено не столько применениям СВЧ- (и, отчасти, квантовой) электроники для целей информации и связи, сколько вопросам непосредственного использования и передачи СВЧ-энергии. Поскольку в современных применениях СВЧ-энергии в большинстве случаев используются только фиксированные частоты, такие характеристики, как фазовые и временные искажения, широкополосность и когерентность, существенные для линий передачи информации, играют меньшую роль. СВЧ-энергетика охватывает такие области, как нагрев, обработка, динамика, передача энергии на расстояние, и, естественно, генерирование, усиление и прямое использование мощных СВЧ-колеба-ний, проблемы волноводной или лучевой передачи энергии 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 характеристического веса (т. е. отношения мощности к весу);
2) непрерывный, а не импульсный, режим работы;
3) повышение к. п. д.;
4) надежность;
5) долговечность.

Несмотря на то что эти вопросы отражены в трудах первого симпозиума [см. IEEE Spectrum (Oct. 1964)], здесь уместно еще раз проанализировать их в общих чертах. В книге содержится обзор современных достижений в области разработки приборов, устройств и их применений и в свете новейших представлений оцениваются существующие трудности. В каждом случае высказан ряд рекомендаций в отношении того, что надо сделать для ускорения всестороннего развития СВЧ-энергетики, обеспечив вместе с тем необходимые созидательные и материальные ресурсы.

На современном этапе развития СВЧ-генераторов и усилителей наиболее мощными и эффективными являются магнетроны, амплитроны и клистроны, однако магнетрону принадлежит ведущая роль в тех случаях, когда нагрузка имеет непостоянный импеданс. С тех же позиций следует считать, что наиболее совершенными выпрямителями на сегодняшний день являются вакуумные диоды, полупроводниковые диоды с точечным контактом, барьерные диоды Шоттки и инверторный клистрон (с электростатической фокусировкой). Среди других СВЧ-выпрямителей теоретически перспективными надо считать приборы с поперечным взаимодействием и выпрямители типа бегущей волны.

Для СВЧ-нагрева и других видов обработки материалов (в частности, пищевых продуктов) в большинстве случаев используется магнетрон. Применяются также и клистроны (для сушки, обезвоживания предварительно замороженных продуктов, склеивания, подогрева, размораживания, 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 воздействия на протекание химических процессов, в движителях космических аппаратов и для научных исследований (например, в области управляемой термоядерной реакции);
2) питание ускорителей частиц для научных исследований, медицинских целей и промышленных применений;
3) военную и аэрокосмическую технику для фазированных антенных решеток, фокусирующих СВЧ-энергию, для экспериментальных геликоптерных платформ и т. д.;
4) динамику для экспериментальных двигателей, экспериментальных волноводных транспортирующих устройств и др. Кроме этих применений и тех, которые пока еще находятся в стадии изысканий, рассматриваются вопросы биологического воздействия и опасности, связанные с СВЧ-облучениями.

В настоящее время проблемы преобразования СВЧ-энергии в энергию постоянного тока находятся в основном в стадии экспериментальной разработки, и прежде чем окажется возможным реализовать такие применения СВЧ-энергии, как питание моторов, подвижных объектов и др., необходимо провести значительный объем работ в области СВЧ-выпрямителей.

Волноводная передача СВЧ-энергии 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 линий 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 неменьшим успехом, чем это удается в линиях связи. Этой проблеме до недавнего времени уделялось недостаточно внимания, хотя допустимый уровень передаваемых 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 сверхвысоковольтной линии передачи. Можно утверждать, что для не слишком длинных участков линии передачи окажутся перспективными прямоугольные волноводы с увеличенным поперечным сечением. Если сделать размеры поперечного сечения волновода равными ~2я, то по сравнению со стандартными прямоугольными волноводами можно увеличить передаваемую мощность на порядок.

В результате интенсивного развития в разных странах СВЧ-электроники больших мощностей (особенно в 3- и 10-сантиметровых диапазонах волн) внимание исследователей было обращено на передачу СВЧ-энергии посредством сфокусированных пучков электромагнитных волн («беспроводная» передача). Современные аэрокосмические и военные требования явились стимулом для разработки новых типов приемных антенн в виде выпрямительных диодных решеток с относительно большой поверхностью при чрезвычайно малом весе. Такие антенны, по-видимому, могут использоваться для поддержания аэрокосмических летательных аппаратов и, возможно, даже для орбитальных или синхронных спутников. Использование для этих целей более тяжелых и громоздких прецизионных параболических зеркальных антенн практически исключено. Площадь таких антенн ограничена величиной порядка 100 м2, и для поддержания аэрокосмических и (или) космических аппаратов на требуемых расстояниях (например, в ближнем космосе или на синхронной орбите) этого явно недостаточно.

В книге отражены современные достижения в области разработок и применений различных СВЧ-приборов и систем. Представлены как теоретические, так и экспериментальные исследования. Большая часть экспериментальных работ выполнена в области генерирования и усиления мощных СВЧ-колебаний, а также в разных областях использования СВЧ-энергии. В значительно меньшей степени исследованы вопросы выпрямления и передачи.

Что касается единиц измерения, то для удобства читателей в каждой статье использовались те единицы и обозначения, которые приняты в данной области техники.

Э. Окресс

Назад, на страницу описания