Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Беспроводная передача энергии, современные задачи и перспективы
1.1 Современные проекты наземных и космических беспроводных (микроволновых и лазерных) линий передачи 10
1.2 Основные физические задачи, возникающие при разработке космических и наземных микроволновых систем передачи энергии ... 19
1.3 Проблемы преобразования энергии микроволн в энергию электрического тока 23
ГЛАВА 2. Радиофизические и экологические аспекты микроволновых линий передачи энергии
2.1 Проблемы эффективности и экологической безопасности микроволновой передачи энергии 48
2.2 Моделирование поля излучения микроволновой линии передачи с радиальной и линейной поляризацией поля на поверхности передающей антенны 49
2.3 Эффективность передачи энергии и уровень фонового излучения в области приема 55
2.4 Синтез диаграмм направленности с максимальным коэффициентом использования поверхности (КИП) приемной антенны 64
2.5 Экологическая безопасность наземной микроволновой энергии 67
2.6 Вопросы повышения мощности наземной линии передачи 71
Выводы 72
ГЛАВА 3. Моделирование процессов преобразования микроволн в полупроводниковых ректенных элементах с барьером Шоттки .
3.1 Моделирование физических процессов преобразования микроволн в однопериодных ректенных элементах с барьером Шоттки 74
3.2 Физические процессы в модифицированном ректенном элементе с барьером Шоттки 82
3.3 Особенности переизлучения ректенн с дисковыми микрополосковыми антеннами 87
Выводы 102
ГЛАВА 4 Моделирование процессов преобразования энергии микроволн в циклотронных преобразователях .
4.1 Трехмерная модель электронного потока 104
4.2 Динамика электронного потока в реверсивном магнитном поле.. 112
4.3 Механизмы повышения эффективности и уровня преобразуемой мощности 121
Выводы 133
Заключение 134
Список литературы 136
Приложение 149
Список сокращений 152
- Основные физические задачи, возникающие при разработке космических и наземных микроволновых систем передачи энергии
- Синтез диаграмм направленности с максимальным коэффициентом использования поверхности (КИП) приемной антенны
- Физические процессы в модифицированном ректенном элементе с барьером Шоттки
- Механизмы повышения эффективности и уровня преобразуемой мощности
Введение к работе
Актуальность исследования. В результате интенсивного развития СВЧ электроники больших мощностей (особенно в 3- и 10-сантиметровых диапазонах волн) интерес исследователей привлекла задача передачи СВЧ энергии посредством сфокусированных пучков электромагнитных волн ("беспроводная" передача). Такие системы могут открывать перспективы для задач, ранее считавшимися трудноосуществимыми или нерентабельными при стандартных подходах. Системы передачи энергии электромагнитным лучом (СПЭЭЛ) могут найти применение для передачи энергии между объектами в труднодоступных в геолого-климатическом отношении районах Земли (через глубокие каньоны, над водными массивами, болотами, горами), для снабжения энергией летательных аппаратов в атмосфере Земли, для транспортировки энергии с поверхности Земли на космические объекты также и от центральных космических станций производящих энергию на Землю и т.д. Среди достоинств СПЭЭЛ можно выделить возможность изменения направления передачи энергии путем переориентации передающей антенны, малые энергетические потери в достаточно широкой полосе частот при передаче энергии в атмосфере и в околоземном космическом пространстве.
Целью работы является:
изучение возможности подавления фонового излучения боковых лепестков за пределами приемной антенны СПЭЭЛ за счет оптимизации дискретного амплитудного распределения электрического поля на передающей антенне;
синтез равномерного распределения плотности мощности на плоскости приемной антенны с максимальным коэффициентом использования поверхности (КИП) ректенны, изучение вопросов повышения мощности и эффективности системы;
анализ конструкции излучающего элемента и электрической схемы ректенного элемента с диодом Шоттки, оптимизация их параметров с целью
5 улучшения эффективности преобразования микроволн и снижения уровня переизлучения;
4. исследование процессов в реверсивной области циклотронного преобразователя с целью выявления механизмов возбуждения разброса продольных скоростей электронов и возможности повышения КПД преобразования и уровня преобразуемой мощности. Научная новизна работы
Проанализированы варианты беспроводной линии передачи энергии с дискретным амплитудным распределением напряженности поля на передающей антенне и найдено оптимальное двухступенчатое распределение поля излучения, позволяющее реализовать высокие значение КПД передачи энергии и безопасный уровень фонового излучения за пределами приемной антенны.
Предложен метод синтеза равномерного распределения напряженности поля на приемной антенне, обеспечивающего максимальное значение коэффициента использования поверхности антенны и высокую эффективность приема.
Определены характеристики и параметры процессов преобразования энергии микроволн в энергию постоянного тока в ректенных элементах; выявлены основные причины потерь при преобразовании и способы их уменьшения за счет оптимизации параметров диода; предложены методы снижения уровня переизлучения высших гармоник основной частоты.
Выявлен механизм возбуждения разброса продольных скоростей в
электронном пучке под действием сил пространственного заряда и радиального
магнитного поля в реверсивной области циклотронного преобразователя;
определены условия повышения КПД преобразования и уровня преобразуемой
мощности микроволн.
Научная и практическая значимость работы
Получены простые соотношения для расчета характеристик поля
излучения в плоскости приемной антенны для случая дискретного
амплитудного распределения и оптимальной двухступенчатой аппроксимации гауссовского распределения поля на передающей антенне. Решена задача снижения уровня боковых лепестков за пределами приемной антенны и на примере наземной СПЭЭЛ показана возможность соответствия уровня фонового излучения стандартам РФ на длительное и безопасное СВЧ облучение (10 мкВт/см) и на электромагнитную совместимость (0.27 мкВт/см ).
Предложен алгоритм синтеза амплитудно-фазового распределения поля на передающей антенне СПЭЭЛ для обеспечения равномерного распределения поля столообразной формы на приемной антенне, состоящей из однотипных, равноудаленных приемно-преобразующих элементов.
Определены зависимости КПД преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока в выпрямительном элементе ректенны с диодом Шоттки от уровня входной мощности и сопротивления нагрузки по постоянному току. Решены задачи на получение максимального КПД и подавление высших гармоник основной частоты путем оптимизации параметров диода и фильтров, настроенных на кратные частоты. Предложена микрополосковая дисковая антенна, снижающая уровень переизлучения на кратных резонансных частотах, получены аналитические решения для распределения электрической и магнитной составляющих поля.
Выявлен механизм возбуждения разброса продольных скоростей в электронном пучке циклотронного преобразователя энергии под действием сил пространственного заряда и радиального магнитного поля. Определены режимы достижения максимальной эффективности преобразования и повышения преобразуемой мощности прибора.
Результаты диссертационной работы применимы для разработки наземных и космических систем беспроводной передачи энергии, включая СКЭС и обмен энергией между летательными аппаратами.
7 Защищаемые положения
1. Предложенное двухступенчатое распределение поля на передающей
антенне СПЭЭЛ позволяет обеспечить высокоэффективную передачу энергии микроволновым пучком (до 86%), что незначительно (на 1,6% по КПД) уступает системе с оптимальным гауссовым распределением. При этом уровень фонового излучения (-21,2 дБ для первого бокового лепестка) оказывается в два раза меньше, чем для системы с равномерным распределением поля.
Предложен метод синтеза столообразного распределения поля на приемной антенне (с КИП=0,98 и эффективностью приема энергии до 70%), основанный на задании значений амплитуды и фазы поля излучающих элементов передающей антенны в виде рядов Шлемильха.
Мощность высших гармоник рабочей частоты, возникающих на диоде Шоттки и переизлучаемых ректенным элементом с полуволновым диполем, может быть снижена до экологически безопасного уровня (-30 дБ и более) путем введения фильтров с кратными резонансными частотами. Предложена структура дисковых микрополосковых антенн, предназначенных для использования в ректенном элементе вместо полуволнового диполя, снижающая уровень переизлучения на кратных резонансных частотах.
При повороте электронного пучка с большим начальным радиусом (/=0.5-0.8) вокруг своей оси под действием сил пространственного заряда на угол, кратный 2я, и сохранении формы поперечного сечения потока в реверсивной области циклотронного преобразователя относительный разброс продольных скоростей может быть существенно снижен (до 10%»), что позволит повысить эффективность преобразования (до 80-85%) и уровень входной мощности (до 150 кВт).
В первой главе представлен краткий обзор современного состояния проблем, связанных с реализацией СПЭЭЛ. Выделены исторические этапы
8
развития проектов СПЭЭЛ и перспективные задачи внедрения данных систем.
Рассмотрены различные требования к системам беспроводной передачи
энергии, касающиеся как передающего и приемного блоков, так и канала
передачи. Рассмотрены приемно-преобразующие системы с
полупроводниковыми ректенными элементами и с циклотронными преобразователями СВЧ энергии и проводится их сравнительный анализ. Сформулированы основные задачи диссертации и обосновываются необходимость их решения.
Во второй главе изучаются проблемы эффективности и экологической безопасности микроволновой передачи энергии и возможность снижения фонового излучения боковых лепестков за пределами приемной антенны в результате оптимизации дискретного амплитудного распределения на апертуре передающей антенны СПЭЭЛ. Рассматривается возможность синтеза диаграмм направленности с максимальным коэффициентом использования поверхности (КИП) приемной антенны и повышения мощности наземной линии передачи энергии.
В третьей главе проведен анализ физических процессов в ректенном элементе. Предложена модифицированная схема ректенного элемента с оптимизированными параметрами для улучшения КПД и снижения уровня переизлучения на высших гармониках основной частоты. Рассмотрена возможность замены приемного диполя дисковой антенной. Исследованы характеристики дисковых микрополосковых антенн, рассчитаны основные параметры дисковой антенны. Предложена новая конструкция дисковой антенны, позволяющая существенно снизить уровень высших мод на кратных частотах.
Четвертая глава посвящена исследованию процессов преобразования и динамики электронного потока в реверсивной области ЦПЭ. Проведено моделирование динамики электронного потока с учетом влияния проводящих границ и кулоновских полей. Рассматриваются условия повышения КПД
9 преобразования и уровня преобразуемой мощности СВЧ энергии в энергию постоянного тока.
Апробация работы и публикации
Результаты диссертации докладывались на VII, VIII, IX и XI Всероссийских школах-семинарах (Красновидово, 2000, 2001, 2002, Звенигород, 2004), 27 Гагаринских чтениях (Москва, 2001), межвузовской конференции по современным проблемам электроники и радиофизики СВЧ (Саратов, 2001), научных сессиях МИФИ (Москва, 2002-2007), 4-й Международной конференции IVEC (Seoul, Korea, 2003) и опубликованы в трудах этих конференций, а также в статьях в реферируемых журналах.
Саввин В.Л., Пеклевский А.В., Казарян Г.М., Ролдугина Т.К., О динамике электронных пучков с большим начальным радиусом в реверсивных магнитных полях. // Известия РАН, Серия физическая, 2001г., т.65, №12, с.1695-1699.
Ван Хуадзюн, Казарян Г.М., Пеклевский А.В., Саввин В.Л., Влияние пространственного заряда на динамику электронных пучков в реверсивной области циклотронного преобразователя энергии // Известия РАН, Серия физическая, 2003г., т.67, № 12, с. 1684-1687.
Казарян Г.М., Саввин В.Л., Динамика винтового электронного пучка в поле циркулярно поляризованной волны // Вестник МГУ, Серия 3, Физика, Астрономия, 2003г., №5, с. 61-70.
Казарян Г.М., Рудаков А.В., Саввин В.Л., Радиофизические и экологические аспекты наземной микроволновой линии передачи энергии// Вестник МГУ, Серия 3 Физика, Астрономия 2005г № 5, с.23-26.
Елагин О.И., Казарян Г.М., Саввин В.Л., Об эффективности и экологической безопасности наземной микроволновой линии передачи энергии // Известия РАН, Серия физическая, 2006г., т. 70, № 3, с. 448-452.
Основные физические задачи, возникающие при разработке космических и наземных микроволновых систем передачи энергии
Идея передачи энергии с помощью электромагнитного излучения была впервые высказана выдающимся электротехником Николой Тесла в начале XX века [1,2]. Перспективы СВЧ-энергетики подчеркивал академик П.Л.Капица «...я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась исключительно вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и пр.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но ее будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики» [3]. Возможность микроволновой передачи энергии на большие расстояния изучалась под руководством профессора СИ. Тетельбаума в Киевском политехническом институте [4]. Огромные успехи космонавтики, в частности полет человека в космос, перевели эти идеи из ранга научно-фантастических в рамки конкретных инженерных разработок [5,6].
В 1964 году американским ученым В. Брауном был продемонстрирован управляемый радиолучом вертолет, приводимый в движение в движение СВЧ волнами на частоте 2.45 ГГц [5-7]. В 1968 американским инженером П. Глезером была развита идея создания солнечных космических электростанций (СКЭС). Предложенная энергосистема должна была состоять из 60 СКЭС расположенных на геостационарной орбите Земли (на высоте 35800 км). Каждая из СКЭС представляет собой платформу размером 5x10км, покрытую солнечными батареями. Вырабатываемая энергия питает генераторы микроволн на передающей антенне СКЭС, формирующей узкий направленный луч микроволн, транслирующий энергию на наземные приемные антенны. Принятая энергия микроволн преобразуется в ток промышленной частоты и поступает в потребительскую сеть. Мощность, передаваемая микроволновым лучом СКЭС, досигает 5x106 кВт. Общая масса системы достигает 3x106т, однако расчетная удельная масса платформ невелика (1 кг/м). Ориентировочное время окупаемости СКЭС с учетом доставки элементов конструкции с Земли - двадцать лет [9-11]. Однако современная стоимость доставки грузов оказывается существенно выше заявленной (100$/кг), и с экономической точки зрения такой проект на данный момент не рентабелен. Тем не менее, проект СКЭС вызвал значительный интерес, стимулированный мировым энергетическим кризисом 70-х годов.
Проекты солнечных космических электростанций разрабатывались независимо американскими и советскими специалистами. Отличие в подходах заключалось в различных способах построения электростанции. Отечественные специалисты предлагали сооружать станции из земных материалов и осуществлять межорбитальную транспортировку с помощью собственной энергоустановки и блоков электрореактивных двигателей. Американские инженеры рассматривали способ сооружения солнечной электростанции из неземных (лунных) материалов, транспортировка которых на заданную орбиту осуществлялась бы с помощью солнечного паруса. В 1977-1980 гг. министерством энергетики США (ДОЕ) совместно Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) были проведены научно-технические исследования перспективности реализации проекта СКЭС. Результаты были раскритикованы с точки зрения экологической безопасности системы. Дальнейшая проработка данной проблематики дала возможность снять эти сомнения. В 1985 году по заказу Института космических исследований США оценивалась возможность создания СКЭС практически целиком из лунных материалов. Интерес научной общественности к проблеме СКЭС был настольно высок, что с 1980 года издательство Pergamon Press стало выпускать ежеквартальный научно-технический журнал "Space Solar Power Review" (с 1986 г. - "Space Power"). Предложенные проекты СКЭС можно классифицировать по способу преобразования солнечной энергии в электрическую (фотоэлектрической, турботепловой), по конструкции, по принципу передачи энергии с геосинхронной орбиты на поверхность Земли (СВЧ- пучок, лазерный пучок и их комбинации) [11-19].
Вопрос выбора орбиты СКЭС тоже не был однозначным. Рассматривались низкие орбиты, в том числе и гелиосинхронная (полярная) с передачей энергии через спутник-отражатель на геосинхронной орбите. Обсуждался и вариант без отражателя, но с наличием накопителя энергии, который должен был обеспечивать периодическую кратковременную передачу энергии на Землю. Рассматривался проект и с позиционированием солнечных коллекторов на поверхности Луны [20-22]. В настоящее время в процессе разработки находится проект SPS-2000. Цель данного проекта - проверка основных идей и принципов, положенных в основу полномасштабных СКЭС, демонстрация жизнеспособности такой энергосистемы и, одновременно, накопление технологического опыта. Предварительные итоги уже подведены, конструкция SPS-2000 представляет собой треугольную раму с двумя плоскостями, содержащими солнечные батареи.
Синтез диаграмм направленности с максимальным коэффициентом использования поверхности (КИП) приемной антенны
В качестве приемной антенны в данной работе рассмотрены полуволновый диполь и дисковая микрополосковая антенна.
Технология создания ректенн должна двигаться в сторону планарного изготовления блоков с оптимальными размерами для монтажа и минимальными потерями энергии. Микрополосковые антенны (МПА) широко распространены в качестве излучателей дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. МПА представляют собой многослойные структуры, состоящие из тонких слоев металла, нанесенных на лист диэлектрика (подложки) [63-66]. Широкому применению таких систем способствовали простота конструкции, высокая технологичность, малая масса, повторяемость размеров, низкая стоимость изготовления и другие характеристики. Микрополосковые антенные структуры открывают широкие возможности для создания комплексов «активных» антенн, позволяющих решать задачи о синхронном сложении мощностей полупроводниковых генераторов.
В Японии была предложена и разработана конструкция элементов ректенн, используемых в стратосферной ретрансляционной системе на частоте 2,45 ГГц. Элемент ректенны состоит из круглого микрополоскового компонента и нелинейных цепей детектирования, размещаемых на одной стороне подложки без применения сквозных отверстий. На предварительных испытаниях были получены экспериментальные данные, подтверждающие практическую применимость предложенной методики приема СВЧ сигналов [67]. В другой работе японских ученых из исследовательской лаборатории связных систем университета в Кобе представлены результаты эксперимента, который проводился по передаче энергии на большой высоте во время экспериментального полета, проведенного в 1995 г. На борту летающего аппарата, который приводился в движение электромагнитной энергией, передаваемой СВЧ лучом, размещена ректенна. Она была выполнена в виде тонкой и легкой планарной конструкции с использованием микрополосковых элементов и нелинейных цепей детектирования СВЧ колебаний. Ректенна состояла из 1200 элементов и весила всего 22,8 кг. Ректенна передавала мощность постоянного тока в 3 кВт летательному аппарату, полет которого с использованием этой энергии мог продолжаться до трех минут [68].
Существуют множество экспериментальных работ, подтверждающих перспективность микрополосковых антенн. Далее в главе 3 будет рассматриваться приемная антенна в виде дисковой МПА. Такая система может решить несколько задач. Первая задача - это создание антенн с круговой поляризацией, применимых при создании ректенн в системах «спутник-спутник», так как в космическом пространстве задача поддержания оптимальной взаимной ориентации приемной и передающих антенн трудно выполнима.
Поле круговой поляризации получается как результат суперпозиции двух линейно-поляризованных полей, находящихся в пространственной и временной квадратуре. Микрополосковые антенны могут излучать поле круговой поляризации при возбуждении в них двух вырожденных ортогональных типов колебаний с относительным сдвигом фазы 90. Возбуждение двух ортогональных вырожденных типов колебаний производится в одной точке, выбранной так, чтобы амплитуды возбуждаемых полей были одинаковы, а вырождение снимается внесением незначительной асимметрии в конструкцию антенны. При круговой поляризации излучаемой волны используют четыре точки возбуждения с определенными фазами.
В работе А. Кумара в ректенне, принимающей волны с круговой поляризацией, используется в качестве системы, принимающей входной сигнал, отражатели, работающие в диапазоне сверхвысоких частот, а также с частотами, соответствующими миллиметровым волнам (рис. 1.7). Приводится расчет параметров системы для моды ТМ2Х, частоты {пт=437МГц (физический диаметр антенны 2а=20,3см., а высота микрополоскового элемента п=0,3см.), а также для моды ТМ5], г"пт=2,ЗГТц, Наряду с дисковыми излучателями можно применить и кольцевые излучатели, имеющие ряд преимуществ: - высвободившаяся центральная зона излучателя может быть использована для размещения второго, более высокочастотного излучателя, антенна может быть использована, в этом случае, как двухчастотная, - полоса частот кольцевой антенны, как будет показано ниже, может оказаться в некоторых случаях шире, чем у дисковой антенны с теми же размерами, - резонансная частота основного типа колебаний ниже соответствующей величины дисковой антенны тех же размеров. Объяснением последнего факта может служить то, что средний путь тока в кольцевой антенне больше, чем в дисковой антенне. Если толщина диэлектрической подложки мала (h 0.2 см; h/R 0.1), то в резонаторе возможно существование колебаний типа квази-Е, у которых практически отсутствует зависимость полей от координаты z. [86-89]. Чем шире кольцо, тем более высокие типы колебаний могут возбудиться и поддерживаться в подобной структуре. При ширине кольца, большей Х/2, в резонаторе могут возникнуть высшие типы колебаний Emno, п 1. При со/г - 1 кольцевой резонатор переходит в резонатор с круглым поперечным сечением. Точность получаемых результатов зависит от точности определения є3ф. Так как один из вопросов задачи электромагнитной совместимости и экологической безопасности ректенн предполагает наличие качественных фильтров низких частот для предотвращения переизлучения на гармониках высшего порядка, то наиболее перспективны дисковые МПА. Расширение диапазона рабочих частот проводится путем включения в систему импедансных элементов нагрузочного контура с емкостью и индуктивностью, позволяющие настраивать антенну на нужную частоту. В работе Чакраварти, ненагруженный дисковый резонатор имеет самую низкую резонансную частоту 1,76 ГГц, что соответствует генерации моды Ш„. При использовании в качестве нагрузки комбинации таких элементов, как индуктивность, емкость, можно получить моду ТМ0Х для диапазона самых низких резонансных частот от 70 до 120МГц. В этом случае комплексный импеданс будет тем меньше, чем меньше толщина подложки [74-77].
Физические процессы в модифицированном ректенном элементе с барьером Шоттки
Анализ энергоемкости электронного пучка в резонаторе Каччиа в нерелятивистском случае показал, что резонаторы с поперечным полем могут использоваться при уровнях мощности СВЧ, превышающих мощность электронного потока в несколько раз. Учет влияния искривления поля на торцах конденсаторных пластин показывает, что при циклотронном резонансе величина возбуждаемого разброса продольных скоростей электронов незначительна, и на выходе из резонатора электронный поток можно считать моноскоростным [86].
Максимальная энергоемкость резонатора Каччиа с полуволновым распределением высокочастотного поля в области взаимодействия оценивалась в наиболее общем релятивистском случае [116]. Применение релятивистских электронных пучков вносит специфику в работу резонатора Каччиа, однако существуют условия, при которых вся подводимая СВЧ мощность трансформируется в энергию БЦВ пучка. Несмотря на увеличение абсолютного значения СВЧ мощности при увеличении потенциала инжекции электронного потока, относительная энергоемкость пучка падает с ростом релятивизма. Энергетически предпочтительны режимы, когда отношение поперечной энергии пучка к энергии его продольного движения W 1 с максимальным уровнем мощности 20-50 кВт и с потенциалом инжекции Uo 10 кВт.
Вращающийся электронный поток попадает далее в область преобразования (реверсивную область). Здесь величина продольного магнитного поля изменяется от значения В0 до значения В і (см. рис. 1.106), что сопровождается появлением радиального магнитного поля. Действие последнего на поперечные скорости электронов приводит к тому, что их векторы разворачиваются в продольном направлении, в результате чего электронный пучок ускоряется. В терминах поперечных волн в реверсивной области происходит преобразование быстрой циклотронной волны в быструю синхронную волну. Интенсивность такого преобразования определяется величиной радиального магнитного поля. Для численных экспериментов более удобной для рассмотрений является величина Со = В] / В0. Сильно ускоренный в реверсивной области электронный поток замедляется в тормозящем поле коллектора, и его кинетическая мощность преобразуется в мощность постоянного тока, равную мощности входного сигнала (при 100% КПД) [80-86].
Циклотронный преобразователь впервые был исследован в работе Уотсона и Джонсона [36] без учета кулоновских сил и конечного радиуса электронного пучка. Были рассмотрены два случая - магнитное поле в области преобразования спадало до нуля или было симметрично реверсивным. На основе полученных результатов был сделан вывод, что для спадающего до нуля магнитного поля желательна более длинная область изменения магнитного поля, а в случае симметричного реверса магнитного поля более эффективное преобразование достигается в относительно короткой области. Экспериментально было исследовано четыре маломощных макета преобразователя с различными коллекторами. Для уменьшения вторичной эмиссии применялось платино-никелевое покрытие поверхности коллектора. Учитывались все потери, кроме мощности, расходуемой на нагрев катода. Наилучший экспериментальный КПД составил 59% при уровне СВЧ мощности 1,5 Вт [90].
Анализ, проведенный в работе [91] на основе модели нитевидного пучка для симметричного реверсивного магнитного поля, показал, что внутри области реверса КПД достигает больших значений, чем на выходе из нее. Сделан вывод о том, что оптимальная форма реверса должна быть несимметричной. Анализ проводился со спадающим по косинусоидальному закону магнитным полем. Аппроксимирующая функция для B(z) дается выражением:
В результате проведенных вычислений были найдены оптимальные значения коэффициента С0, при которых максимум КПД достигается на конце области реверса. Показано, что оптимизацией профиля магнитного поля удается увеличить результирующий КПД реверса до 90%. Оптимальные значения параметра реверса Со при этом различны и увеличиваются с увеличением длины области и уменьшением параметра относительной мощности W. Проведено также моделирование для электронного потока конечного сечения с учетом усредненного поля пространственного заряда. Для сравнительно тонких электронных пучков (г0 0,1гс) с плотностью пространственного заряда сор /а рс 0,1-0,2 оптимизированные значения КПД незначительно отличались от значений, рассчитанных на основе одноэлектронной модели. Результат эксперимента подтвердил возможность оптимизации КПД за счет асимметрии реверса магнитного поля. Максимальный экспериментальный КПД составил 45% при уровне входной СВЧ мощности 9 Вт.
В рассмотренных работах анализ процессов в реверсивной области циклотронного преобразователя энергии ограничен случаем применения тонких электронных пучков (г0 0,1 гс). Учет усредненных кулоновских полей не дает правильного описания действия сил пространственного заряда в пучке конечного сечения при его прохождении через область реверса.
Детальный анализ физических процессов в реверсивной области циклотронного преобразователя СВЧ энергии проведен в работе [114]. В ходе численного моделирования было проанализировано влияние радиуса электронного потока на процесс преобразования вращательной энергии пучка в продольную при различной конфигурации профиля магнитного поля в реверсивной области. Профиль магнитного поля B(z) задавался аппроксимирующей функцией вида:
Механизмы повышения эффективности и уровня преобразуемой мощности
Как видно из представленных результатов, наиболее рациональным и наиболее простым для технической реализации является двухступенчатое распределение, то есть распределение, при котором центральная часть антенны имеет большую амплитуду поля, чем кольцевая наружная часть (рис.2.6, 2.7). Проведенные расчеты дали возможность найти оптимальные соотношения ширины ступеней и амплитуд поля на них. При двухступенчатом распределении центральный и первый боковой лепесток в плоскости приемной антенны практически совпадают с аналогичными лепестками для оптимального 10-ступенчатого Гауссового распределения. При этом КПД передачи энергии микроволн достигает порядка 86%, что лишь на 1,5% меньше, чем при оптимальном Гауссовом распределении. Уровень первого бокового лепестка составил -21,2 дБ по отношению к центральному.
Экологические параметры такой системы являются вполне приемлемыми для создания линии вблизи населенного пункта. Как видно из табл. 1 и рис.2.7, фоновое излучение за пределами зоны центрального лепестка для проанализированного варианта микроволновой линии передачи может быть доведено до уровня, соответствующего требованиям стандарта РФ на работу в течение полного рабочего дня. С точки зрения западных стандартов, микроволновая линия передачи энергии такого масштаба является абсолютно безопасной даже в области центрального лепестка.
Использование двухступенчатого амплитудного распределения может существенно облегчить задачу практического конструирования микроволновой линии передачи энергии. Возможно применение унифицированных излучателей со стандартными генераторами СВЧ (например, с магнетронами, применяемыми в микроволновых печах, с мощностью 1 кВт).
Схема такой антенны, составленной из унифицированных излучателей, представлена на рис.2.3. Плотность мощности на излучателях, заполняющих периферийную часть передающей антенны, в 1,6 раза меньше, чем в центральной ее части. Отдельные излучатели могут быть смещены на некоторое расстояние друг относительно друга при обеспечении соответствующей фазировки генераторов. Таким образом, может быть облегчена задача монтажа антенн на крутом склоне, так как в этом случае и приемную, и передающую антенну можно представить в виде некоторого количество антенн (двухступенчатая антенна может состоять из 19 модулей), плоскости которых параллельны друг другу и нормальны к направлению излучения. При этом Необходимо поддерживать необходимый сдвиг по фазе между отдельными передающими модулями.
Исследование антенных систем, поляризованных по радиусу, показало, что распределение плотности мощности поля на плоскости приемной антенны имеет ярко выраженный минимум в центре (рис. 2.8 и 2.9 ). При совмещении двух антенн с разной поляризацией (линейной и радиальной) возможно реализовывать несимметричное распределение поля на ректенне. На рис. 2.10 показана такая реализация, красным обозначена зона максимума, а синим зона минимума поля. С технической точки зрения такой вид распределения наиболее удобен, так как дает возможность расположения населенного пункта или служебных помещений в минимуме поля.
В результате проведения вычислений была продемонстрирована потенциальная возможность корректировки распределения плотности мощности на приемной антенне. Для получения картины распределения с заранее заданными характеристиками следует искать оптимальные конфигурации линейных и радиальных излучателей на передающей антенне.
Одним из направлений использования беспроводной линии в космосе может служить передача энергии между летательными аппаратами. Антенна с радиальной поляризацией поля может найти применение в таких системах, так как данный тип антенн не требует строго фиксированного положения в пространстве. Теоретически оценим возможность и параметры системы передачи энергии между космическими объектами. Частоту излучения примем равной 35ГГц для возможности точной фокусировки пучка на небольшую поверхность антенны. Размеры антенн будем рассматривать в диапазоне от 0.5м до 3.5м, а расстояния между ними от 100 до 1000м. Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что антенны с размерами RJ=1.5M, R.2=2.5M могут быть оптимальными. При этом КПД передачи энергии остается на относительно высоком уровне (более 80%).
Итак, найдено простейшее двухступенчатое распределение поля излучения на передающей антенне, позволяющее реализовать КПД передачи энергии более 86% и безопасный уровень фонового излучения бокового лепестка - менее 0,2 Вт 1м1. Такое распределение существенно упрощает техническую реализацию передающей антенны, конструкцию которой можно представить в виде системы однотипных излучающих блоков. Проведен сравнительный анализ нескольких вариантов систем с различным амплитудным распределением на передающей антенне для нахождения оптимального распределения, при котором линия имеет высокий КПД и достаточно низкое фоновое излучение. Во всех исследованных вариантах мощность излучения составляла =14 кВт при фиксированном расстоянии между антеннами D=700M и радиусе передающей антенны RI=2,4M.
