Генераторы СВЧ-излучения

Любой электронный СВЧ-прибор представляет собой преобразователь подводимой к нему энергии в энергию электромагнитных колебаний определенной частоты с помощью управляемого электронного потока. В большинстве используемых в СВЧэнергетике приборов в электромагнитные колебания преобразуется энергия постоянного электрического тока, хотя в настоящее время уже разрабатываются и весьма перспективные для СКЭС устройства, в которых осуществляется прямое преобразование лучистой, в том числе солнечной энергии в СВЧ-колебания.

Все электронные СВЧприборы, которые могут быть применены на СКЭС, подразделяют на генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и усилители. Для обеспечения работы генератора к нему достаточно подвести энергию от источника электропитания, в то время как для работы усилителя необходим еще первичный источник высокочастотных колебаний (задающий генератор).

Для электронных СВЧприборов систем передачи энергии СКЭС наиболее важными показателями являются выходная мощность, полный КПД, напряжение питания, рабочая температура, коэффициент усиления, уровень вблизи рабочей частоты.

Этот показатель выражается в децибелах и позволяет отдельно учесть затраты мощности на генерацию входного сигнала, необходимого для работы усилителя.

Величину шумов принято оценивать отношением полной выходной мощности излучения к мощности, излучаемой в полосе рабочих частот Av. Уровень шумов такж« выражается в децибелах и характеризует потери полезной мощности прибора, связанные с ее рассеянием за пределами рабочей частоты.

Остальные показатели в специальных пояснениях не нуждаются.

К электронным СВЧ-приборам систем передачи энергии СКЭС предъявляют следующие основные требования:

С точки зрения возможности обеспечения высокой стабильности рабочей частоты и синфазности большого числа одновременно работающих приборов СВЧусилители имеют определенное преимущество перед автогенераторами, заключающееся в том, что они могут возбуждаться от одного общего первичного источника колебаний.

В системах передачи энергии СКЭС могут применяться СВЧприборы двух основных классов — электровакуумные и полупроводниковые.

Работа электровакуумных приборов основана на взаимодействии электронных потоков с электрическим полем в вакууме. Поэтому у приборов этого класса, предназначаемых для применения в космосе и, в частности, на СКЭС, конструкция проще, а масса меньше, чем у приборов, работающих в земных условиях, ибо отпадает йеобходимость использования герметичных оболочек и корпусов для вакуумирования их электронной части.

Из числа электровакуумных приборов в качестве наиболее перспективных для СКЭС рассматриваются магнетроны, амплитроны и клистроны [50, 54, 70, 72].

Амплитрон и магнетрон относятся к СВЧприборам так называемого Мтипа, в которых происходит преобразование потенциальной энергии электронов, движущихся в скрещенных электрическом и магнитном полях, в энергию электромагнитных колебаний. Реализуемый в них принцип преобразования энергии позволяет получить высокие значения КПД приборов данного типа (до 85— 90 %) и как следствие — минимальные потери энергии ввиде тепла, которое нужно отводить от прибора. Последнее облегчает решение проблемы термостатирования приборов в условиях космоса, чему также способствует и достаточно высокий уровень допустимых рабочих температур (300—500 °С), обусловленный отсутствием необходимости герметизации вводов и выводов приборов.

Магнетроны и амплитроны, проектируемые для применения на СКЭС, имеют сравнительно простую конструкцию (рис. 3.1). Они состоят из цилиндрического катода и коаксиально расположенного анода, совмещенного с колебательной многорезонаторной системой прибора. Соосно с электродами располагается постоянный магнит, создающий осевое магнитное Поле, перпендикулярное электрическому полю, силовые линии которого направлены по радиусу от анода к катоду («скрещенные поля»). Отвод тепла от анода и катода осуществляется радиаторами из пиролитического графита, обладающего малой плотностью, высокой теплопроводностью и излу чательной способностью (степенью черноты) около 0.92.

Применение в качестве материала для магнитов са марийкобальтового сплава, имеющего значительно меньший удельный вес, чем обычно применяемые магнитные материалы, и радиаторов из пиролитического графита обеспечивает низкую удельную массу приборов, составляющую 0.15—0.30 кг/кВт.

Важной особенностью амплитронов и магнетронов является возможность использования так называемых холодных катодов, работающих по принципу вторичной электронной эмиссии. Такие катоды с платиновым покрытием обеспечивают очень длительный срок службы приборов данного типа, что имеет большое значение с точки зрения требований к долговечности элементов систем преобразования энергии СКЭС.

Магнетроны и амплитроны, используемые в СВЧ энергетике, могут иметь в непрерывном режиме выходную мощность излучения в десятки киловатт. Однако для приборов, которые предполагают применить на СКЭС, оптимальным считается уровень мощности порядка 5—10 кВт. Ускоряющее (анодное) напряжение таких приборов около 20 кВ.

Основные отличия этих двух приборов Мтипа определяются тем, что магнетрон представляет собой генератор, а амплитрон — усилитель СВЧ-колебаний. В ряде ранних проектов СКЭС для преобразования постоянного тока в СВЧколебания предполагалось использовать амплитрон, чтобы упростить решение проблемы синхронизации большого количества одновременно работающих приборов. Однако сравнительно низкий коэффициент усиления (менее 20 дБ), склонность к самовозбуждению, высокий уровень шумов и необходимость в источнике входных колебаний у амплитронов определили усилившийся в последнее время интерес к магнетронам как более перспективным приборам Мтипа для генерации СВЧ излучения на СКЭС [70, 79, 106]. Относительно узкая полоса рабочих частот магнетронов не является препятствием для их применения в системах передачи энергии, а синхронизация большого числа таких приборов не связана с серьезными техническими трудностями. Существенно также, что магнетроны являются приборами, наиболее широко применяемыми в СВЧэнергетике. Технология их массового производства хорошо отлажена, а стоимость сравнительно невысока.

Другим перспективным для применения на СКЭС электровакуумным СВЧприбором является клистрон. Клистрон относится к СВЧприборам так называемого Отипа, в которых происходит преобразование кинетической энергии электронов, движущихся в пространстве между катодом и коллектором, в энергию СВЧполя в результате торможения электронов полем, создаваемым в зазорах колебательной системы. Магнитное поле используется в клистронах только для фокусировки электронного потока и на процесс преобразования энергии принципиального влияния не оказывает.

В системах передачи энергии СКЭС могут применяться клистроны двух типов — пролетные и отражательные. Для преобразования постоянного тока в СВЧ-излучение на СКЭС предполагается использовать многорезонаторные усилительные пролетные клистроны.

На рис. 3.2 схематически изображен двухрезонатор ный пролетный клистрон, основными элементами которого являются термоэмиссионный катод, ускоряющий электрод, входной резонатор, трубка дрейфа, выходной резонатор и коллектор. Ускоренный между катодом и ускоряющим электродом поток электронов модулируется по скорости усиливаемым СВЧ сигналом, который подается входному резонатору. В пространстве дрейфа модуляция электронов по скорости переходит в модуляцию по плотности. Электроны группируются в сгустки, которые Передают свою энергию полю выходного резонатора, возбуждая в нем СВЧколебания. «Отработавшие» электроны попадают на коллектор, где оставшаяся часть их кинетической энергии переходит в тепловую. Для фокусировки электронного потока используется соленоид.

Для повышения КПД и коэффициента усиления пролетных клистронов используют многорезонаторные приборы этого типа.

Потери энергии в пролетных клистронах больше, чем в магнетронах, и КПД соответственно ниже (75—80 %), однако у них легче обеспечить высокую выходную мощность, которая может достигать сотен киловатт и более в непрерывном режиме. Обусловлено это тем, что клистроны имеют увеличенные по сравнению с приборами Мтипа размеры области формирования электронного потока и вынесенный за пределы области взаимодействия коллектор, который можно эффективно охлаждать, например с помощью тепловых труб. Увеличивая число резонаторов, можно поднять коэффициент усиления клистрона до 50— 70 дБ и выше, что также является важным достоинством приборов этого типа. Уровень шума у них ниже, чем у амплитронов и магнетронов, а узкая полоса рабочих частот не снижает эффективности применения на СКЭС.

Недостатками многорезонаторных пролетных клистронов по сравнению с приборами Мтипа являются в 1.5—2 раза более высокое ускоряющее напряжение (40 кВ), большая удельная масса (0.6—0.8 кг/кВт) и наличие подогреваемого катода, работающего при температуре 800—1000 °С. Последнее обстоятельство затрудняет обеспечение требуемого для элементов СКЭС ресурса работы приборов данного типа. Стоимость клистронов выше стоимости магнетронов, но высокий уровень мощности и связанные с этим преимущества частично компенсируют этот недостаток.

Следует заметить, что вопрос о выборе уровня мощности СВЧприборов для СКЭС является весьма проблематичным. Существует, в частности, мнение [5], что с учетом известной закономерности, отражающей снижение удельной массы энергетических агрегатов с ростом их мощности, целесообразно поднять выходную мощность электровакуумных приборов СВЧ для СКЭС до 2—4 МВт, а в будущем — до 0.1—0.2 ГВт, используя в последнем

Случае усилителей релятивистских электронных пучках. Предполагается, что это позволит в несколько раз снизить удельную массу СКЭС в целом.

В то же время в качестве одного из перспективных вариантов электровакуумных СВЧприборов для СКЭС рассматриваются маломощные устройства, в которых осуществляется прямое преобразование солнечной энергии в энергию СВЧизлучения. Такие устройства получили название фотоклистронов или фототронов [82, 83].

Фототрон представляет собой разновидность отражательного клистрона — прибора, в котором, так же как и в пролетном клистроне, происходит преобразование кинетической энергии электронного потока в энергию СВЧколебаний за счет превращения модуляции потока по скорости в модуляцию по плотности. Однако в отражательном клистроне в отличие от пролетного используется только один полый резонатор, через который электронный поток проходит дважды — в прямом и обратном направлениях. Возвращение электронов в зазор между сетками резонатора осуществляется с помощью отражателя, имеющего постоянный отрицательный потенциал по отношению к катоду. Основное отличие фототрона от обычного отражательного клистрона состоит в том, что эмиссия электронов с катода осуществляется не за счет нагрева, а под воздействием фотонов солнечного излучения, т. е. термоэмиссионный катод заменен фотоэмиттером.

Экспериментальная модель фототрона (рис. 3.3) выполнена в виде цилиндрической вакуумированной стеклянной колбы, на переднюю, освещаемую солнечным излучением стенку которой нанесен материал фотокатода— CsSb. Внутри колбы расположены плоские сетки резонатора и отражающий электрод (отражатель). Колба размещается в центре цилиндрического полого резонатора. Понятно, что в космических условиях вакуумировать элементы фототрона не нужно и конструкция его может быть проще и надежнее.

В экспериментах при частоте излучения 200 МГц полный КПД фототрона составил около 0.3 %. Выходная мощность прибора при этом была равна приблизительно 1 мВт. Ожидается, что при использовании в качестве материала фотоэмиттера GaAs, уменьшении размеров прибора и реализации других мероприятий КПД фототрона может быть увеличен примерно на порядок и составит 3 %. Очевидно, однако, что и в этом случае КПД прибора будет удовлетворять требованиям к элементам системы преобразования и передачи энергии СКЭС. Поэтому фототрон, как и другие маломощные электровакуумные СВЧ приборы, вряд ли сможет конкурировать с полупроводниковыми генераторами СВЧколебаний, обсуждению возможности применения которых на СКЭС в последнее время уделяется большое внимание [75, 98, 105].

В полупроводниковых СВЧприборах преобразование энергии постоянного тока в энергию СВЧколебаний происходит в твердом теле, масса и размеры которого, как правило, очень малы, а физические свойства весьма чувствительны к температуре и токовым параметрам. Это ограничивает мощность полупроводниковых приборов величинами порядка единиц ватт, их допустимая рабочая температура не превышает 200 °С, а напряжение постоянного тока — десятки вольт. Кроме того, приборы этого класса более чувствительны к воздействию эксплуатационных факторов, чем электровакуумные приборы. Тем не менее полупроводниковые приборы получают все более широкое развитие и применение в технике СВЧ и рассматриваются как серьезная альтернатива высокомощным электровакуумным приборам для использования в системах передачи энергии СКЭС. Обусловлено это такими их важными достоинствами, как высокие надежность и долговечность, компактность, сравнительно низкая стоимость при массовом производстве, удобство сборки и, что особенно существенно, хорошая совместимость с полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии.

Из числа полупроводниковых СВЧприборов наиболее эффективными преобразователями энергии постоянного тока в энергию СВЧколебаний являются биполярные и полевые транзисторы, которые имеют более высокие значения КПД и мощности и значительно меньший коэффициент шума, чем полупроводниковые СВЧдиоды. Лучшими показателями с точки зрения требований к СВЧ приборам СКЭС обладают полевые транзисторы из арсе нида галлия, так как у них выше коэффициент усиления и полный эффективный КПД, чем у биполярных транзисторов из кремния. Кроме того, они имеют более высокий уровень допустимых рабочих температур.

Полевой транзистор, принципиальная схема которого изображена на рис. 3.4, представляет собой пластинку полупроводника (GaAs) п или ртипа, у которой на больших гранях имеются соответственно слои р или п типа. Эти слои соединены и образуют единый электрод затвор. Изменение напряжения на затворе приводит к изменению тока в цепи между двумя другими гранями, на которых размещены электроды, называемые истоком и стоком [38]. Это свойство полевого транзистора и используется для генерации и усиления СВЧколебаний.

В настоящее время лучшие полевые транзисторы из арсенида галлия с затвором на основе барьера Шоттки имеют КПД порядка 60—75 % при уровне выходной мощности 1—3 Вт. При частоте 2.45 ГГц их коэффициент усиления составляет 5—10 дБ, а коэффициент шума—около 1 дБ.Предполагается, что СВЧтранзисторы, разрабатываемые для СКЭС, в результате усовершенствования будут иметь выходную мощность 5—10 Вт и КПД более 80 %, однако при этом у них повысится уровень шума.

Значительный интерес в этой связи представляет возможность создания полупроводниковых приборов, в которых осуществляется прямое преобразование солнечного излучения в СВЧколебания. Эквивалентная схема таких устройств состоит из избирательной нагрузки и фото активной нелинейной цепи, управляемой контуром положительной обратной связи [6]. Их разработка соответствует общей тенденции развития твердотельных приборов СВЧ в направлении создания комплексированных устройств и заслуживает самого серьезного внимания.

Обобщенная сводка основных параметров СВЧ-приборов, которые могут быть использованы на СКЭС, представлена в табл. 3.1. Из таблицы видно, что для всех приборов характерны достаточно высокие значения КПД, но остальные показатели различаются весьма существенно, а потому сделать вывод в пользу применения того или иного прибора можно, только рассматривая его в составе системы преобразования и передачи энергии в целом.

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.