Electron cyclotron converters of microwaves in wireless power transmission systems

Full Text

Введение Идея передачи энергии с помощью электромагнитного излучения была впервые высказана выдающимся электротехником Николой Тесла в начале XX века. Развитие радиолокации и интенсивные работы по освоению дециметровых и сантиметровых диапазонов микроволн заложили основу для широкого использования СВЧ-энергетики и вызвали растущий интерес к беспроводной передаче энергии с помощью направленного микроволнового излучения [1-9]. Микроволновый диапазон (2,4-5,8 ГГц) дает возможность существенно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличается высоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразования энергии электромагнитного излучения. Предложение широкомасштабной микроволновой передачи энергии, вырабатываемой космическими солнечными электростанциями, наземным потребителям принадлежит П. Глезеру [3] и интенсивно прорабатывалось в 70-х годах прошлого столетия. Проблемам солнечных космических электростанций и микроволновой передачи энергии посвящен ряд публикаций в отечественной научной печати [2; 4-7]. В последние годы ряд перспективных проектов микроволновой передачи энергии наземного и космического базирования, рассчитанных на меньшую мощность, разрабатываются в США, Японии и ЕС [8-10]. Среди главных проблем создания такого рода микроволновых систем одной из важнейших является разработка наиболее эффективных преобразователей микроволн в постоянный ток на приемном (ректенном) окончании линии передачи энергии. Все зарубежные варианты микроволновых ректенн основаны на применении полупроводниковых выпрямляющих элементов [9], обладающих целым рядом физических и технологических недостатков. В статье обсуждается исключающее такие недостатки предложение российских исследователей использовать в наземных и космических системах передачи энергии специальные отечественной разработки электронные преобразователи микроволн в постоянный ток. 1. Обратное преобразование микроволн в постоянный ток Наиболее распространенным типом преобразователя микроволн в постоянный электрический ток является ректенна с полупроводниковым диодом Шоттки (рис. 1). Наивысшее значение КПД преобразования ректенны - 91,4 % - было достигнуто в лабораторных условиях при входной мощности микроволн до 10 Вт на единичном экземпляре диода Шоттки для рабочей частоты 2,45 ГГц [7]. Рис. 1. Ректенный элемент с диодом Шоттки: 1 - полуволновой диполь; 2 - отражающая поверхность; 3 - фильтр нижних частот; 4 - диод Шоттки; 5 - выходной фильтр; 6 - нагрузка [Figure 1. Rectenna element with Schottky diode: 1 - half-wave dipole; 2 - reflective surface; 3 - low-pass filter; 4 - Schottky diode; 5 - output filter; 6 - load] На частоте 5,8 ГГц КПД преобразования ректенн с диодами Шоттки достигает 80 % при входной мощности 50 мВт [8]. Плотность мощности падающего излучения может заметно изменяться на апертуре приемного комплекса микроволновой линии передачи (до 10 дБ). Для крупномасштабных проектов солнечной энергетики плотность мощности уменьшается от 230 Вт/м2 в центре приемного комплекса до 23 Вт/м2 на краю ректенны (для проекта NASA). При оптимальных значениях плотности диполей (150-200 диполей/м2) нагрузка на один диод в центре приемной ректенны будет близка к номинальной мощности диодов Шоттки (1-2 Вт), при которой реализуется максимальный КПД преобразования микроволн в постоянный ток. Вместе с тем полупроводниковые ректенны обладают целым рядом существенных недостатков. Они не выдерживают высоких уровней СВЧ-мощности и выгорают, из-за низких значений выходного напряжения требуют создания сложных последовательно-параллельных способов формирования ректенных систем для их включения в магистральные электрические цепи. Кроме того, нелинейные характеристики полупроводниковых диодов приводят к получению не только выпрямленного постоянного напряжения, но и паразитных высокочастотных гармоник, создающих в интеграле мощный фон в окружающей среде, нарушающий работу связных, навигационных и разнообразных диагностических приборов. Альтернативным типом устройства для обратного преобразования микроволн в постоянный ток могут быть различные вакуумные приборы, работающие в обращенном режиме (клистроны, магнетроны и др.). Следует особо выделить циклотронный преобразователь энергии (ЦПЭ) с эффективностью до 83 %, входной мощностью микроволн 10 кВт на частоте 2,45 ГГц и выходным напряжением 15-20 кВ [11-15]. Мощные вакуумные преобразователи с высоким выходным напряжением легче могут быть интегрированы в существующие энергосистемы по сравнению с низковольтными ректеннами, которые придется коммутировать в большое число последовательно-параллельных цепочек. 2. Циклотронные преобразователи энергии Принцип действия циклотронного преобразователя энергии основан на поперечной модуляции электронного потока. Помимо электронной пушки и внешней магнитной системы, циклотронный преобразователь имеет три основных узла: резонатор, область реверсивного изменения продольного магнитного поля (область преобразования) и коллектор (рис. 2). Сформированный пушкой электронный поток пронизывает емкостной промежуток резонатора с поперечным высокочастотным (Ꞷ - частота микроволн на входе) электрическим полем, где приобретает дополнительную поперечную кинетическую энергию в виде вращательного (циклотронного) движения пучка около оси системы. На выходе резонатора поперечная кинетическая энергия электронного потока значительно превышает величину энергии продольного движения потока в W = PꞶ / P0 раз, где PꞶ - входная СВЧ-мощность, P0 - начальная мощность пучка. В области реверсивного изменения магнитного поля энергия вращения электронов преобразуется в энергию их поступательного движения. Далее сильно ускоренный электронный поток испытывает торможение, попадая в поле коллектора, где происходит рекуперация энергии электронов. Таким образом, мощность микроволн Pвх, поступающих в резонатор, преобразуется в мощность постоянного тока в нагрузке. Создание ЦПЭ было успешно реализовано практически. Уже первый образец преобразователя, сконструированный по проекту МГУ и изготовленный на предприятии НПО «Торий» [11], имел 60%-й КПД преобразования при 10 кВт СВЧ-мощности на входе (рис. 3) с перспективой существенного улучшения достигнутых характеристик. электронный пучок electron beam область преобразования conversion scope нагрузка load коллектор collector резонатор resonator electron beam Рис. 2. Схема циклотронного преобразователя энергии и диаграмма распределения магнитного поля на его оси: PꞶ - входная микроволновая мощность; V0 - ускоряющее напряжение электронной пушки; B0, B1 - фокусирующее и реверсивное значение магнитного поля на оси прибора; z2-z1 - протяженность области преобразования; E(z) - проникающее электростатическое поле коллектора; B(z) - магнитное поле в сечении z; Uout - выходное напряжение на нагрузке [Figure 2. Diagram of a cyclotron energy converter and a diagram of the magnetic field distribution on it’s axis: PꞶ - input microwave power; V0 - the accelerating voltage of the electron gun; B0, B1 - focusing and reversible value of the magnetic field on the axis og the device; z2-z1 - length of the transformation area; E(z) - the penetrating electrostatic field of the collector; B(z) - magnetic field in the section z; Uout - output voltage across the load] Рис. 3. Опытный образец циклотронного преобразователя, входная мощность - 10 кВт, КПД - 60 % [11] [Figure 3. A prototype of a cyclotron converter, input power - 10 kW, efficiency - 60% [11]] Интересно сравнить возможную стоимость эквивалентных по мощности полупроводниковой 10-киловаттной ректенны, которая должна содержать не менее тысячи стодолларовых диодов с барьером Шоттки, с ректенной на одном 10-киловаттном элементе ЦПЭ. Конструктивно такой ЦПЭ при серийном производстве будет стоить примерно столько же, сколько обычный магнетрон сантиметрового диапазона, то есть не более одной тысячи долларов США, что обеспечит стократный выигрыш по стоимости по сравнению с полупроводниковой ректенной. К тому же в отличие от полупроводниковых ректенн использование ЦПЭ полностью исключает возможность выхода преобразователя из строя при любой мощности принимаемого сигнала и генерирования мощной фоновой помехи. С учетом отечественного приоритета в разработках ЦПЭ появляется реальная возможность выгодных поставок российских преобразователей для укомплектования зарубежных космических и наземных систем беспроводной передачи энергии по микроволновому каналу. Заключение Успешной альтернативой полупроводниковым ректеннам в системах беспроводной передачи энергии являются циклотронные преобразователи энергии, заметно превосходящие полупроводниковые ректенны по удельной мощности (до 10-20 кВт) и величине выходного напряжения (до 10-20 кВ), а также по устойчивости к электромагнитным и радиационным воздействиям и перегрузкам.

About the authors

Yury A. Pirogov

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: yupi937@gmail.com

Professor of the Photonics and Microwave Physics Department of the Faculty of Physics of the MSU, Dr.Sci.(Phys. & Math.)

1 Leninskiye Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

Gohar M. Kazaryan

Lomonosov Moscow State University

Email: yupi937@gmail.com

Associate Professor of the Photonics and Microwave Physics Department of the Faculty of Physics of the MSU, PhD (Phys. & Math.)

1 Leninskiye Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

Vladimir L. Savvin

Lomonosov Moscow State University

Email: yupi937@gmail.com

Associate Professor of the Photonics and Microwave Physics Department of the Faculty of Physics of the MSU, PhD (Phys. & Math.)

1 Leninskiye Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

References

Supplementary files