5.8GHz回旋波整流器整管設(shè)計①

黃潤燁，李天明

(電子科技大學(xué)強(qiáng)輻射實驗室，成都 610000；電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610054)

0 引言

無線輸電技術(shù)意義重大,在軍事、通信、工業(yè)、電力、航天等領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景[1]。美國Glaser博士早在1968年就提出空間太陽能發(fā)電的構(gòu)想，在臨近空間飛行器供能，孤島值守裝備供能等方面電能的遠(yuǎn)距離無線傳遞將極大的拓展武器裝備作戰(zhàn)區(qū)域，豐富現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)模式。除此之外它還可以在無人機(jī)群空中供能、低軌道軍用偵察衛(wèi)星、星際探測器、便攜通信、電動汽車充電、水下探測、智能家居、體內(nèi)設(shè)備充電、微波能束武器等眾多領(lǐng)域使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

將微波能轉(zhuǎn)換為電能的微波整流器是無線輸電系統(tǒng)的兩大核心器件之一，微波整流器件主要有整流二極管和回旋波整流器。二極管整流輸出功率較小、電壓較低，主要用于入射波功率密度不太大的場合。在功率大、電壓高、入射波功率密度大的場合，如飛行體上的接收站和地對地接收站，回旋波整流器是最佳選擇。

上世紀(jì)70年代初期，莫斯科大學(xué)以沙文和溫凱等人為首的科研團(tuán)隊與Tory微波公司展開合作，開始對大功率高效率的回旋波整流器進(jìn)行研究并研制出了一系列的實驗室樣品[2]。隨后，俄羅斯最大的微波公司ISTOK公司也通過與莫斯科大學(xué)的不斷合作，成功研制出了多種中等功率范圍的回旋波整流器產(chǎn)品。國內(nèi)的專家學(xué)者對此也關(guān)注良多，空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院王秩雄教授等人對國外整流器的發(fā)展一直跟蹤研究，他們系統(tǒng)分析了回旋波整流器各部分工作原理，設(shè)計出國內(nèi)首個回旋波整流器樣品，并進(jìn)行了相關(guān)測試，但是具體設(shè)計過程并沒有報道。電子科技大學(xué)的趙曉云博士曾對回旋波整流器進(jìn)行過較為系統(tǒng)的分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了2.85GHz的回旋波整流器，該整流器的總體效率為83%。

文章提出了一種大功率高效率的5.8GHz回旋波整流器的整管設(shè)計。運用CST設(shè)計出加速電壓5KV，發(fā)射電流0.37A，注腰半徑0.62mm,射程8.2mm的皮爾斯電子槍；完成了電子槍與回旋波整流器的匹配工作；設(shè)計了同軸濾波耦合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了阻抗匹配以及60MHz的帶寬擴(kuò)展；對永磁體材料進(jìn)行了選擇，通過建模仿真，采取各種磁體組合方式和極化方式，得到所需要的磁場；將磁場導(dǎo)入整管計算，得到輸入微波5.8GHz,輸出電壓26KV，輸出功率7KW，整管整流效率達(dá)到60%的回旋波整流器。

1 回旋波整流器整體設(shè)計考慮

根據(jù)工作原理，微波輸能系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分是微波管等微波發(fā)生器將直流電能轉(zhuǎn)換為能在自由空間傳播的微波；第二部分是微波的定向發(fā)射、傳輸和接收；第三部分是微波直流轉(zhuǎn)換器將接收的微波功率轉(zhuǎn)換為直流電能供給負(fù)載。

為實現(xiàn)大功率微波傳輸，構(gòu)建了如圖1所示的微波無線輸能系統(tǒng)，微波發(fā)生器和微波整流器分別采用速調(diào)管和回旋波整流器。首先電源由380V、50Hz的市電接入，輸出25kV、42.2kW的連續(xù)波供給將直流電轉(zhuǎn)換為微波能的速調(diào)管，然后速調(diào)管輸出25.3kW的微波功率，經(jīng)由口徑16m的發(fā)射天線將20kW的微波能輻射出去。自此完成了直流電轉(zhuǎn)換為微波能并將微波能發(fā)射出去的工作。在發(fā)射天線1000米以外的另一邊，口徑6m的接收天線將微波能空間傳輸過程中損耗剩12.5kW的微波接收，輸出5.8GHz、10kW微波功率饋入將微波能轉(zhuǎn)換為電能的回旋波整流器，最終回旋波整流器輸出6.5kW、26kV、250mA電能供給負(fù)載。

微波輸能系統(tǒng)中對回旋波整流器的設(shè)計要求是輸入功率10kW、頻率5.8GHz，輸出電壓26kV、電流250mA、功率6.5kW、微波轉(zhuǎn)換效率65%。由以上設(shè)計要求可得到回旋波整流器諧振腔的一個初步設(shè)計，進(jìn)而推出電子槍的設(shè)計及匹配，以及為后面的研究工作開展奠定基礎(chǔ)。

圖1 微波輸能系統(tǒng)圖Fig.1 Microwave energy transmission system diagram

2 高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計

在回旋波整流器的工作過程中，電子槍能不能產(chǎn)生良好的電子注并正確的過渡到高頻互作用區(qū)內(nèi)，是回旋波整流器能不能進(jìn)行注-波互作用的前提條件，所以電子槍需要根據(jù)高頻互作用區(qū)的工作條件來設(shè)計。

圖2 Cuccia諧振腔結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of cuccia resonator

圖3 Cuccia諧振腔等效電路示意圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of cuccia resonator

回旋波整流器的高頻結(jié)構(gòu)采用Cuccia耦合器,Cuccia腔結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]，其基本結(jié)構(gòu)是一個圓柱腔，但在其內(nèi)部有一對平行放置的金屬極板，極板通過金屬支撐脊與腔體壁緊固在一起，該諧振腔結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在TE111模式的圓柱諧振腔中并聯(lián)了一個LC串聯(lián)諧振回路，圖3為該諧振腔的等效電路。

為了簡化之后的計算，故這里忽略了一些不重要的因子，對圖3所示的等效電路進(jìn)行處理。簡化之后的結(jié)果如圖4所示，Lc，Cc是TE111模式的等效電感和等效電容[4]。C∑表示的是極板之間的電容大小，它主要是由極板間距以及極板的表面積決定的。

圖4 Cuccia諧振腔簡化等效電路示意圖Fig.4 Simplified equivalent circuit diagram of cuccia resonator

表1 高頻結(jié)構(gòu)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of resonator

Ln表示的是支撐脊的電感，它主要是由支撐脊的尺寸確定的，同時腔體的半徑大小對它也有一定的影響。根據(jù)諧振電路的導(dǎo)納∑B=0的關(guān)系，即可求出圖6所示諧振系統(tǒng)的諧振頻率為：

(1)

通過上式，得到各參數(shù)和頻率之間的關(guān)系，參見文獻(xiàn)[5]高頻結(jié)構(gòu)計算過程，結(jié)合輸入頻率5.8GHz和PIC仿真得到如表1所示高頻結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。

3 磁體的設(shè)計

磁場關(guān)系到回旋波整流器電子槍、高頻結(jié)構(gòu)及收集極能否有效工作。磁場分布可劃分為電子槍區(qū)、互作用區(qū)、倒向磁場區(qū)、收集級區(qū)。工作在5.8GHz的高頻結(jié)構(gòu)，工作磁場B0=0.21T，考慮到相對論效應(yīng)，工作磁場有一個很小的梯度，倒向磁場區(qū)采用余弦分布的遞減磁場，磁場倒向峰值是工作磁場的0.1倍[5]，收集級區(qū)的磁場由負(fù)值逐漸增加到零。

利用CST電磁仿真軟件，在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行磁路的設(shè)計，應(yīng)滿足以下的基本要求：磁場要有良好的軸向均勻性，均勻長度要達(dá)到，諧振腔區(qū)的磁場強(qiáng)度應(yīng)在0.21T左右；在能量轉(zhuǎn)換區(qū)，磁場要逐漸減小，根據(jù)磁場設(shè)計的需要可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整轉(zhuǎn)換區(qū)的長度；在收集極區(qū)，磁場的數(shù)值要逐漸的增加，在收集極的終端，此處數(shù)值應(yīng)該逐漸增加到零；磁路盡可能的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于包裝和充磁和退磁。

圖5 磁體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Magnet structure diagram

圖6 計算區(qū)域中軸向磁場分布Fig.6 Axial magnetic field distribution

從永磁材料的性能、穩(wěn)定性、以及課題中所要求等多方面綜合考慮，決定選用性能優(yōu)異的釤鈷永磁材料。它的主要優(yōu)點有矯頑力高，具有很強(qiáng)的抗退磁能力，具有很高的磁能積，退磁曲線基本上是一條直線，回復(fù)直線與退磁曲線基本重合，且溫度穩(wěn)定性好。采用幾種不同形狀，不同極化的磁體設(shè)計方案，分別仿真驗證，找出可行的設(shè)計方案，然后逐步進(jìn)行優(yōu)化。首先柱形磁體軸向極化，其磁場強(qiáng)度太小，需要很大的體積的磁體才能達(dá)到均勻區(qū)0.21T的磁場強(qiáng)度，包括其他形狀的軸向極化磁體，發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度很難達(dá)到，故采用徑向極化的充磁方式，通過結(jié)合仿真分析，倒向磁場區(qū)的磁場始終反向過大，達(dá)不到反向磁場峰值在高頻區(qū)磁場0.1倍之內(nèi)的要求，通過磁靴磁屏也無法解決反向磁場過大的問題，最終，采用了軸向極化和徑向極化相結(jié)合的方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正優(yōu)化，如圖5所示，軸向磁場分布如圖6所示，從圖中可以看出，只是在收集極區(qū)尾端，磁場變化的曲線與預(yù)期略有不符，在諧振腔區(qū)和能量轉(zhuǎn)換區(qū)，都滿足了要求。

4 電子槍及過渡區(qū)設(shè)計

4.1 電子槍設(shè)計

采用圖7所示的軸對稱皮爾斯型電子槍，由電流和選定陰極所具有的發(fā)射電流密度可得到陰極工作半徑，根據(jù)以上參量，為減小設(shè)計難度，參照現(xiàn)有電子槍參數(shù)，由縮尺原理得到初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，為了獲得要求的電性能指標(biāo)，在CST中主要對聚焦極與陽極的位置進(jìn)行了優(yōu)化。計算表明，當(dāng)陰極固定，聚焦極在r方向上下移動和陽極在z方向左右移動時對槍參量影響較大，聚焦極左右移動和陽極上下移動的影響相對較小。具體變化如下表2所示。最后對優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算得到電子槍的靜電軌跡如圖8所示，可以看到電子注射程遠(yuǎn)，層流性好，無電子軌跡交叉現(xiàn)象。電子槍具體電參數(shù)如表3所示。

表2 電子槍結(jié)構(gòu)變化對電子束的影響Table 2 The influence of electron gun strthcture change on electron beam

圖7 皮爾斯型電子槍Fig.7 Pierce gun

圖8 模擬靜態(tài)電子注軌跡圖Fig.8 Simulated static electron beam

表3 電子槍參數(shù)Table 3 Electron gun parameters

4.2 過渡區(qū)設(shè)計

過渡區(qū)設(shè)計就是使由電子槍出來的電子注，經(jīng)過過渡區(qū)到達(dá)高頻結(jié)構(gòu)入口時，滿足所要求的入射條件。過渡區(qū)具有一定分布的非均勻磁場，這個非均勻磁場的幅度等于均勻磁場幅值，大量計算表明，注腰位置應(yīng)選在實際過渡區(qū)磁場變化為均勻磁場幅值0.7的位置處[7]。過渡區(qū)磁場如圖9所示。

圖9 電子槍軸向磁場分布Fig.9 Distribution of axial mag netic field in gun area

通過對電子槍和回旋波整流器之間的連接長度的調(diào)整，來確定注腰點在過渡區(qū)磁場中的位置，如圖所示10所示。結(jié)合反射波的大小，電子束的運行軌跡，確定了過渡區(qū)L的長度為6.5mm，即此時的注腰點處于過渡曲線幅值0.75的位置，電子注波互作用會更充分。接入電子槍的回旋波整流器入射波與反射波對比如圖11所示，可以看到，微波反射掉的功率在合理范圍內(nèi)，微波傳輸效率高達(dá)95%，由此證明磁場設(shè)計以及長度L是合理的。

圖10 優(yōu)化過渡區(qū)長度Fig.10 Optimize the length transition area

圖11 整管入射波與反射波對比Fig.11 Incident wave and reflected wave of the whole tube

5 能量耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計

微波從輸入端口注入回旋波整流器，在高頻結(jié)構(gòu)中的平板之間產(chǎn)生高頻電場，在兩脊周圍產(chǎn)生高頻磁場[8]，為了使微波反射盡可能的小，對耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，在能量耦合結(jié)構(gòu)中增加一濾波結(jié)構(gòu)，如圖12、13所示。將濾波結(jié)構(gòu)和高頻結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行仿真，觀察S11、S21參數(shù)，在5.8GHz頻率處S11約為-0.0035dB，即同軸線和諧振腔實現(xiàn)了阻抗匹配。輸入信號同軸線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

圖12 同軸濾波結(jié)構(gòu)Fig.12 Coaxialfilter structure

圖13 濾波結(jié)構(gòu)連接高頻結(jié)構(gòu)Fig.13 Filter structure connected with high frequency

圖14 濾波結(jié)構(gòu)S11Fig.14 Filter structure S11

圖15 濾波結(jié)構(gòu)S21Fig.15 Filter structure S12

表4 輸入信號同軸線結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Coaxial structural parameters

圖16 微波能量輸入、反射曲線Fig.16 Microwave energy input and reflection curve

在CST中進(jìn)行熱腔仿真，圖16為微波能量的輸入情況，圖中顯示，在同軸線端口注入5.8GHz，10kW的微波功率，對應(yīng)的微波歸一化幅值142，穩(wěn)定工作時，入射端口的微波反射歸一化幅值為28，對應(yīng)的反射微波功率為392W，凈輸入微波功率為9.6kW，輸入效率為96%。同時對高頻結(jié)構(gòu)帶寬進(jìn)行了仿真，在信號輸入端加上同軸線濾波器后，降低Q值，在微波傳輸效率大于95%的情況下，諧振腔帶寬明顯增加，如圖17所示展寬前和展寬后的對比，目前設(shè)計的在微波傳輸效率≥95%的情況下，可實現(xiàn)在5.82GHz±30MHz帶寬范圍內(nèi)，即輸入頻率范圍為5.79GHz-5.85GHz。

圖17 帶寬拓展前后比較Fig.17 Comparison betore and after bandwidth expansion

6 整管仿真

在完成高頻結(jié)構(gòu)、磁場設(shè)計、電子槍、能量耦合結(jié)構(gòu)后，需要整管仿真回頭驗證上述環(huán)節(jié)設(shè)計的正確性，圖18是整管剖面結(jié)構(gòu)示意圖。在CST粒子仿真中可以看到微波的入射和反射曲線，經(jīng)計算，可知微波傳輸效率達(dá)到93.5%，另外，收集級第一級和第二級的電流如下圖20、21所示，經(jīng)后處理得到平均電流分別為0.114A和0.154A，對應(yīng)收集級電壓26kV，輸出功率將達(dá)7kW，結(jié)合微波注入功率10kW，加上電子槍的輸入功率1.85kW，得到整管的微波-直流轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60%。符合微波輸能整體系統(tǒng)要求。

圖18 整管剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.18 Structural diagram of whole pipe section

圖19 微波入射及反射曲線Fig.19 Microwave incidence and reflection curve

圖20 第一級收集級電流Fig.20 First collection stage current

圖21 第二級收集級電流Fig.21 Second collection stage current

7 結(jié)束語

回旋波整流器的研制是整個微波無線輸電系統(tǒng)的重要一環(huán)，它的優(yōu)異特性保證了微波能量能夠高效的轉(zhuǎn)換為直流電能，在資源日益緊張的未來，回旋波整流器一定會體現(xiàn)出其自身巨大的價值。本文設(shè)計的回旋波整流器的工作頻率為5.8GHz，是一只完整的整流器，整個設(shè)計涵蓋了電子槍，微波能量耦合結(jié)構(gòu)，電子槍匹配環(huán)節(jié)，磁體設(shè)計及實現(xiàn)，整管PIC仿真。最終設(shè)計的5.8GHz整管回旋波整流器總的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60%。為以后的整管研制工作奠定了基礎(chǔ)。