книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfСВЧ-ЭНЕРГЕТИКА
Под редакцией
Э. ОКРЕССА
ТО М 1
ГЕНЕРИРОВАНИЕ
ПЕРЕДАЧА
ВЫПРЯМЛЕНИЕ
Перевод с английского
В. Г. |
АЛЫБИНА |
Э. Я. ПАСТРОНА |
Под |
редакцией |
|
Э. Д. Ш Л И Ф Е Р А
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1971
М1СР0\УАУЕ РСЛУЕК ЕЫ01ЫЕЕЮЫ0
Е<||1е^ Ьу ЕКЫЕ5Т С. ОКЕЕ55
5РБ ЬаЪога^опез 1псогрога1ес1 А ЗиЬз!с11агу о! Уапап Аззоаа^ез Шюп, Ые\у ^гзеу
у о н ш е 1
ОЕЫЕКАТКЖ
ТРАЫ5М155ЮЫ
ВЕСТ1Р1СЛТ1СЖ
А С А Ю Е М 1 С Р К Е З З К Е Л У У О К К А К Б Ь О О Т С Ж
1963
Рассмотрены'генераторные и усилительные приборы сверхвы соких частот, оценены перспективы применения электровакуумных, квантовоэлектронных и полупроводниковых приборов. С позиций применения и передачи значительных мощностей СВЧ-колебаний изложены вопросы совершенствования волноводов и проблемы не посредственной передачи энергии через свободное пространство. Описаны и сопоставлены мощные выпрямители сверхвысоких час тот различных классов.
Редакция литературы по новой технике
Инд. 3-3-12
СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА
том I
|
|
Редактор Я. Серегина |
|
|
|
|
|||
|
Художественный редактор |
Б. Варлаишн |
|
|
|
||||
|
Технический |
редактор Ф. |
Третьякова |
|
|
|
|||
|
|
Корректор И: Додолева |
|
|
|
|
|||
|
|
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» |
|
|
|
|
|||
______________________ Москва, |
1-й Рижский пер., 2_______________________ |
||||||||
Сдано в набор 29/Х 1970 г. |
Подписано к печати 16/Ш 1971 |
г. |
|||||||
Бумага кн. |
журн. |
84ХЮв,/82:в=7,25 бум. |
л. |
24,36 |
Уел. *печ. |
л, |
|||
Уч. иэд. л. 22,75._____________ Иэд. № 4/3295.______________Цепа. 1 |
р, 77 |
к. |
|||||||
Московская |
типография |
№ 11 |
Глаюолнграфпрома |
Комитета |
по |
печати |
|
||
ррн |
Совете Министров |
СССР. Моокпа, |
вв. |
Угрешская. |
12, |
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ
Темпы современной технической революции во многом определяются успехами в отыскании и применении новых видов энергии. Немаловажным фактором является и про никновение традиционных видов энергии в новые области применения. Энергию сверхвысоких частот следует от нести к «молодым» видам; ее применение длительное время ограничивалось задачами радиолокации, телеметрии и т. п. Несмотря на эту «ограниченность», достигнуты колоссаль ные успехи в создании источников СВЧ-энергии и разви тии СВЧ-техники, значительно расширился круг спе циалистов в области теории, конструирования и эксплуа тации СВЧ-приборов и устройств. Однако господствую щее влияние военных применений привело в известной мере к однобокому развитию СВЧ-техники и лишь в по следние несколько лет наблюдается все возрастающее проникновение СВЧ-энергетики в самые различные, порой неожиданные области применения. Это, конечно, повы шает интерес к разработке новых СВЧ-приборов и устройств, а также приданию им новых качеств.
Сегодня можно уже говорить именно о СВЧ-энергетике. Ее роль будет быстро возрастать и здесь существенное значение будет иметь, с одной стороны, понимание спе циалистами в области СВЧ-радиоэлектроникн возмож
ностей применения СВЧ-энергии в различных иерадиотехнических отраслях и, с другой стороны, уяснение специалистами иерадиотехиических отраслей возможно стей СВЧ-приборов и устройств. К сожалению, литера туры, которая целенаправленно развивала бы такое комплексное встречное понимание, очень мало.
В этом смысле появление книги «СВЧ-энергетика» под ред. Э. Окресса является важным шагом вперед, и, надо полагать, не последним. В составлении этого издания приняли участие видные специалисты, отразив шие в соответствующих разделах современные достиже ния в области генерирования, усиления, передачи и вы прямления СВЧ-колебапий больших мощностей, а также в различных областях применения СВЧ-энергии. При этом прогнозируются перспективы дальнейшего развития.
В русском издании представилось целесообразным разбить материал на три тома. Первый том посвящен во просам генерирования, передачи и выпрямления. Сопо ставляются различные классы СВЧ-генераторов, усили телей, выпрямителей и передающих систем. Рассмотре ние строго подчинено общей идее книги — энергетиче ским применениям СВЧ-колебаиий, поэтому достигнутые уровни параметров, перспективы развития и экономиче ские оценки представляются именно в свете настоящих и будущих применений. Участие коллектива авторов привело к тому, что не все разделы книги написаны на одном уровне сложности. Кроме того, оказалось невоз можным обеспечить полное единство обозначений (хотя при переводе и редактировании это частично удалось сделать), поэтому в конце каждого раздела приводится перечень использованных обозначений. Заметен и неко торый субъективизм авторов в оценке достижений и пер спектив «своего» класса приборов и устройств. Это, одна ко, отражает реальную конкуренцию в различных направ
лениях СВЧ-энергетики и не препятствует пониманию материала.
Чтобы сделать книгу доступной широкому кругу чи тателей — неспециалистов в области СВЧ-техники, ав торы, как правило, не проводят строгого количественного анализа физических процессов, лежащих в основе дейст вия тех или иных приборов и устройств, особенно тогда, когда эти вопросы подробно освещены в оригинальной литературе. С учетом же запросов специалистов и читате лей, желающих детально изучить конкретную проблему, авторы дают в каждом разделе ссылки на соответствую щие опубликованные работы. В книге учтены интересы и тех читателей, которые хотели бы лишь в общих чертах ознакомиться с постановкой проблем и основными резуль татами. Для этого в конце каждой главы помещено заклю чение редактора издания Э. Окресса, представляющее своеобразную рецензию, раскрывающую содержание и, в определенной мере, увязывающую выводы авторов от дельных разделов.
Содержание тома 1 русского издания полностью сов падает с содержанием тома 1 оригинала; тома 2 и 3 пере вода посвящены многообразным применениям СВЧ-энер- гии в пищевой промышленности, при производстве раз личных материалов, в медицине, химии, в научных иссле дованиях и т. д.
Разбивка материала тома 2 американского издания на два тома продиктована соображениями удобства чтения книги специалистами различных отраслей. Последова тельность же изложения сохранена такой же, как и в оригинале. Хотя по объему том 1 — самый большой, дробление его нарушило бы цельность замысла, могло бы затруднить понимание того, насколько полно решена на сегодня комплексная задача СВЧ-энергетики: генери рование — передача — прием.
Из материалов, изложенных в томе 1, непредубеж денный читатель ясно увидит, что ии один из классов СВЧ-приборов, как из уже существующих, так и из толь ко развивающихся, сколь бы привлекательными они ни казались в настоящее время, не обладает столь подавляю щими преимуществами, которые позволили бы полностью отвергнуть конкурирующие направления.
Перевод выполнен В. Г. Алыбиным [гл. 1, 3 и 4 (разд. 4.4—4.8)] и Э. Я. Пастроном [гл. 2 и 4 (разд. 4.1— 4.3)].
Э. Ш л и ф е р
П Р Е Д И С Л О В И Е
Эта книга знакомит читателя с новой областью элек тронной техники — СВЧ-энергетикой. Главное внимание уделено не столько применениям СВЧ- (и, отчасти, кван товой) электроники для целей информации и связи, сколь ко вопросам непосредственного использования и передачи СВЧ-энергии. Поскольку в современных применениях СВЧ-энергии в большинстве случаев используются только фиксированные частоты, такие характеристики, как фа
зовые и временные искажения, широкополосность и ко герентность, существенные для линий передачи информа ции, играют меньшую роль. СВЧ-энергетика охватывает такие области, как нагрев, обработка, динамика, переда ча энергии на расстояние, и, естественно, генерирование, усиление и прямое использование мощных СВЧ-колеба- ний, проблемы волноводной или лучевой передачи энер гии 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 характе
ристического веса |
(т. е. отношения мощности к весу); |
2) непрерывный, а |
не импульсный, режим работы; 3) по |
вышение к. п. д.; 4) надежность; 5) долговечность. Несмотря на то что эти вопросы отражены в трудах
первого симпозиума [см. 1ЕЕЕ ЗреЫгит (Ос!. 1964)1, здесь уместно еще раз проанализировать их в общих чер тах. В книге содержится обзор современных достижений в области разработки приборов, устройств и их примене ний и в свете новейших представлений оцениваются су ществующие трудности. В каждом случае высказан ряд рекомендаций в отношении того, что надо сделать для
ускорения всестороннего развития СВЧ-энергетнки, обе спечив вместе с тем необходимые созидательные и мате риальные ресурсы.
На современном этапе развития СВЧ-генераторов и усилителей наиболее мощными и эффективными являются магнетроны, амплитроны и клистроны, однако магнетро ну принадлежит ведущая роль в тех случаях, когда на грузка имеет непостоянный импеданс. С тех же позиций следует считать, что наиболее совершенными выпрями телями на сегодняшний день являются вакуумные диоды, полупроводниковые диоды с точечным контактом, барьер ные диоды Шотгки и инверторный клистрон (с электро статической фокусировкой). Среди других СВЧ-выпря- мителей теоретически перспективными надо считать при боры с поперечным взаимодействием и выпрямители типа бегущей волны.
Для СВЧ-нагрева и других видов обработки материа лов (в частности, пищевых продуктов) в большинстве случаев используется магнетрон. Применяются также и клистроны (для сушки, обезвоживания предварительно замороженных продуктов, склеивания, подогрева, раз мораживания, 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 воздей ствия на протекание химических процессов, в движителях космических аппаратов и для научных исследований (например, в области управляемой термоядерной реак ции); 2) питание ускорителей частиц для научных иссле дований, медицинских целей и промышленных примене ний; 3) военную и аэрокосмическую технику для фазиро ванных антенных решеток, фокусирующих СВЧ-энергию, для экспериментальных геликоптерных платформ и т. д.; 4) динамику для экспериментальных двигателей, экспе риментальных волноводных транспортирующих устройств и др. Кроме этих применений и тех, которые пока еще на^ ходятся в стадии изысканий, рассматриваются вопросы биологического воздействия и опасности, связанные с СВЧ-обл учениями.
В настоящее время проблемы преобразования СВЧэнергии в энергию постоянного тока находятся в основном
в стадии экспериментальной разработки, и прежде чем окажется возможным реализовать такие применения СВЧэнергии, как питание моторов, подвижных объектов и др., необходимо провести значительный объем работ в области СВЧ-выпрямителей.
Волноводная передача СВЧ-эиергии 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 ли ний 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 неменьшнм успехом, чем это удается в линиях связи. Этой проблеме до недавнего времени уделялось недоста точно внимания, хотя допустимый уровень передавае мых 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 сверх высоковольтной линии передачи. Можно утверждать, что для не слишком длинных участков линии передачи окажутся перспективными прямоугольные волноводы с увеличенным поперечным сечением. Если сделать разме ры поперечного сечения волновода равными то по сравнению со стандартными прямоугольными волново дами можно увеличить .передаваемую мощность на поря док.
В результате интенсивного развития в разных стра нах СВЧ-электроники больших мощностей (особенно в 3- и 10-сантиметровых диапазонах волн) внимание иссле дователей было обращено на передачу СВЧ-энергии по средством сфокусированных пучков электромагнитных воли («беспроводная» передача). Современные аэрокос мические и военные требования явились стимулом для разработки новых типов приемных антенн в виде выпря-