徐子楓，李天明，劉 坤

（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院國家863計劃強(qiáng)輻射實(shí)驗(yàn)室，成都610054）

2.85 GHz回旋波整流器高頻系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化

徐子楓，李天明，劉 坤

（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院國家863計劃強(qiáng)輻射實(shí)驗(yàn)室，成都610054）

對2.85 GHz回旋波整流器的高頻互作用區(qū)進(jìn)行了研究與設(shè)計；運(yùn)用CST分析了高頻結(jié)構(gòu)中耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的變化對高頻系統(tǒng)S參數(shù)的影響，在此基礎(chǔ)上對腔體結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化；并用CST PIC對其進(jìn)行了粒子模擬，優(yōu)化解決了電子注的加入對諧振腔特性的影響。最后設(shè)計出了工作在2.85 GHz,具有較高能量轉(zhuǎn)化效率的回旋波整流器高頻互作用區(qū)。

無線輸電；回旋波整流器；高頻系統(tǒng)

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高和探索物質(zhì)世界的逐漸深入,無線電力傳輸技術(shù)發(fā)展迅猛，在軍事、通信、工業(yè)等各大領(lǐng)域都擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于微波或激光的波長比較短，故其定向性好，彌散小，因此，可利用微波或激光來實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，在礦山、荒原、海島等特殊和惡劣環(huán)境都具有很高的實(shí)用價值。此外，微波無線輸電作為建造衛(wèi)星太陽能電站的關(guān)鍵性技術(shù)環(huán)節(jié)，源源不斷地將太陽能轉(zhuǎn)化成電能傳輸?shù)降厍蚬┤祟愂褂?，可極大緩解當(dāng)前能源緊張的現(xiàn)狀。這對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題有著重要意義［1-2］。

微波無線輸電主要由電源、電磁波發(fā)生器發(fā)射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設(shè)備及電網(wǎng)組成，其中最關(guān)鍵的是把微波能量轉(zhuǎn)化為直流電能的整流器。

目前研制成功的有回旋波微波整流器和半導(dǎo)體微波整流器兩種，在實(shí)際使用中各有千秋。前者單個器件較重，但可輸出10 kW以上的大功率和20 kV以上的高電壓，工作性能穩(wěn)定，具有微波過載自我保護(hù)特性；后者重量輕，但單管輸出的功率?。?～6 W），電壓低（10～20 V），穩(wěn)定性差，兩者單管的整流效率相近。如果用于大功率整流，優(yōu)先選擇前者；若用于小功率輸電，后者占優(yōu)勢。譬如：功率為5 GW的衛(wèi)星太陽能電站，要用數(shù)目約1×109個半導(dǎo)體微波整流器，將消耗大量的稀有材料，安裝、連接、測試、維護(hù)也很費(fèi)力；若用回旋波微波整流器，就可回避這些問題。因此考慮實(shí)際情況，本文主要對回旋波整流器進(jìn)行研究。

1 回旋波整流器工作原理

回旋波整流器（cyclotron-wave rectifier）又稱回旋波微波功率轉(zhuǎn)換器（cyclotron-wave microwave power converter）或回旋波微波-直流轉(zhuǎn)換器（cyclotronwave converter of microwave into DC），是一種特殊的真空電子器件［3］，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 回旋波整流器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch map of structure cyclotron-wave rectifier

回旋波整流器主要由電子槍、Cuccia諧振腔［4］、轉(zhuǎn)換區(qū)、收集極組成，管內(nèi)保持高真空，管外有中間倒向的軸向磁場，如圖1所示。當(dāng)微波功率通過能量耦合結(jié)構(gòu)注入進(jìn)諧振腔后，在腔的兩脊之間會產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的橫向高頻電場；一束由電子槍發(fā)出的筆形電子束以初始縱向速度進(jìn)入到兩脊之間的間隙后，受到橫向微波電場與軸向磁場的共同作用，當(dāng)電子在磁場中的回旋角頻率ωc等于微波角頻率ω時，電子受到回旋共振加速，橫向能量不斷增加，回旋半徑不斷增大，直至獲得需要的能量后飛出橫向場區(qū)。然后，該繞軸做大回旋運(yùn)動的電子注進(jìn)入倒向磁場區(qū)，在正則角動量守恒與能量守恒規(guī)律的支配下，大部分橫向回旋動能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向動能，以相當(dāng)高的軸向速度進(jìn)入收集極。收集極區(qū)內(nèi)的電子受到軸向減速場的作用，動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣┙o負(fù)載的電能，并以較低的速度打在收集極上，實(shí)現(xiàn)了電子動能到直流電的轉(zhuǎn)換。

2 高頻系統(tǒng)設(shè)計

Cuccia耦合腔是回旋波整流器高頻互作用區(qū)的核心器件，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它采用圓柱形諧振腔，其內(nèi)部有2個極板，為了支撐極板，極板與諧振腔的連接稱為脊。Cuccia耦合腔的作用是使微波能量進(jìn)入腔內(nèi)，并在2個極板之間形成高頻電場。如果設(shè)計合理，微波能量能夠高效進(jìn)入耦合腔，且電場基本上集中在2個極板之間。

圖2 Cuccia耦合腔結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Cuccia coupled cavity

為了使注波互作用充分，通過諧振腔的諧振頻率來確定諧振腔的尺寸參數(shù)。Cuccia諧振腔結(jié)構(gòu)的簡化電路如圖3所示，由圖即可求出該等效電路的諧振頻率為

式中：CΣ為諧振腔內(nèi)兩極板間的總電容，與2個極板的面積和間距有關(guān)；Ln為連接極板和諧振腔的脊的電感，與脊的長、寬以及圓柱諧振腔的外徑有關(guān)；Lc為工作于H111模的圓柱諧振腔等效電感；Cc為工作于 H111模的圓柱形諧振腔等效電容［5］。

圖3 回旋波整流器等效簡化電路Fig.3 Equivalent simplified circuit of cyclotron-wave rectifier

3 仿真分析

3.1 冷腔仿真分析

通過對Cuccia耦合腔諧振頻率的計算，設(shè)計出了耦合腔的基本尺寸。同時由于高頻系統(tǒng)采用的激勵裝置是耦合環(huán)，是將同軸線內(nèi)導(dǎo)體引入到諧振腔內(nèi)，因此盡可能使同軸線與諧振腔匹配，減少信號的反射，使輸入信號被較充分地利用［6-7］。

利用三維電磁場仿真軟件CST（computer simulation technology），通過調(diào)整同軸線的長度、同軸中心到諧振腔中心的距離及內(nèi)外導(dǎo)體的半徑來優(yōu)化同軸端口的S11參數(shù)，變化結(jié)果如圖4～圖6所示。

如圖4～圖6可見，調(diào)整同軸線的長度、同軸中心到諧振腔中心的距離以及內(nèi)外導(dǎo)體的半徑均對高頻系統(tǒng)的S參數(shù)有較大的影響。同軸線的長度與高頻系統(tǒng)的S參數(shù)呈正增長，但在實(shí)際設(shè)計中要考慮1/4波長的影響以及同軸接口的連接性問題，因此長度不能無限?。煌S中心到諧振腔中心的距離對應(yīng)S參數(shù)的變化也呈正增長，因此盡量選取一個靠近諧振腔中心的點(diǎn)；內(nèi)導(dǎo)體半徑不變，改變外導(dǎo)體半徑大小，則內(nèi)外導(dǎo)體半徑比增大，高頻系統(tǒng)的S參數(shù)相應(yīng)減小；再考慮到內(nèi)外導(dǎo)體半徑比對同軸線最大傳輸功率的影響，選定一個合適的值。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，得出了符合條件的諧振腔的各個參數(shù)，如表1所示。

圖4 同軸長度對S11參數(shù)的影響Fig.4 Influence of coaxial length on S11 parameters

圖5 同軸中心距離對S11參數(shù)的影響Fig.5 Influence of coaxial center distance on S11 parameters

圖6 同軸內(nèi)外導(dǎo)體半徑對S11參數(shù)的影響Fig.6 Influence of inner conductor radius on S11 parameters

表1 2.85 GHz回旋波整流器高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Tab.1 High frequency structure design parameters of 2.85 GHz cyclotron wave rectifier

3.2 熱腔仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證注波互作用的效率，在高頻系統(tǒng)中加入電子注，通過CST PIC仿真進(jìn)行分析。由于電子注的加入，可能會對諧振腔的特性造成影響，從而造成同軸端口處微波的反射增大，影響注入效率。因此，本文就電子注的主要參數(shù)變化對整管效率的影響展開分析［8-9］。

仿真是在2.85 GHz、輸入微波功率為10 kW的情況下進(jìn)行的，通過觀察在選取不同的電子注發(fā)射電流以及發(fā)射電壓時同軸端口處微波的反射情況來分析電子注對微波注入特性的影響，結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，電子注的發(fā)射電流與發(fā)射電壓對諧振腔特性的影響都不是線性的，過大或過小的電流和電壓都會很明顯地影響微波注入特性，造成微波能量的大量反射泄露。同時發(fā)射電流與電壓都有一個最佳取值，當(dāng)發(fā)射電流接近0.35 A、發(fā)射電壓接近5 000 V時，此時腔體對微波的反射最小，反射幾乎接近為0，微波能量能穩(wěn)定地進(jìn)入諧振腔中。此時選取電子注發(fā)射電流I0為0.35 A，發(fā)射電壓U0為5 000 V來進(jìn)行熱腔仿真分析，電子運(yùn)動軌跡如圖9所示。

圖7 電子注發(fā)射電流大小對微波反射的影響Fig.7 Effect of electron beam emission current on microwave reflection

圖8 電子注發(fā)射電壓的大小對微波反射的影響Fig.8 Effect of electron beam emission voltage on microwave reflection

圖9 高頻結(jié)構(gòu)電子軌跡Fig.9 high frequency structure electron trajectory

圖10為腔體同軸接口處入射波與反射波對比，以此來判斷熱腔中微波的反射情況，圖中的數(shù)值是微波能量的幅值大小，由于幅值與功率之間存在平方關(guān)系，故通過計算可得此時端口處微波能量的反射率約為0.27%，此時的反射可以忽略不計。

圖10 同軸接口處入射波與反射波對比Fig.10 Comparison between the incident wave and reflected wave at the coaxial interface

圖11 高頻系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.11 Output power curve of high frequency system

圖11為仿真得到的回旋波整流器高頻系統(tǒng)的最終輸出功率曲線，經(jīng)過濾波處理得到功率實(shí)際值約為11.7 kW。輸入系統(tǒng)的總功率等于電子注攜帶的初始功率Pe=I0U0和由同軸線注入系統(tǒng)的微波功率Pin之和，最后通過計算可以得到系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了99%，微波能量絕大部分轉(zhuǎn)換成了電子注的動能。

4 結(jié)語

本文研究設(shè)計了高功率微波無線輸電中的回旋波整流器高頻系統(tǒng)，通過理論計算確定了高頻系統(tǒng)的各個參數(shù)，并利用CST仿真分析了耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的變化對腔體S11參數(shù)的影響，從而確定了最佳的腔體結(jié)構(gòu)；同時，再利用CST PIC進(jìn)行了粒子模擬，分析了電子注的加入對微波注入特性的影響，優(yōu)化選取了影響最小的電子注發(fā)射電壓及電流值，最后進(jìn)行了完整的熱腔仿真分析，計算得到的腔體能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99%，驗(yàn)證了回旋波整流器可用于高功率微波無線輸電的高效性和可行性。

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Design and Optimization of Cyclotron Wave Rectifier Cavity at 2.85 GHz

XU Zifeng,LI Tianming,LIU Kun
（High Power Radiation Key Laboratory,College of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China）

In this paper,the design and analysis of the cyclotron wave rectifier cavity at 2.85 GHz is proposed;the influence of the coupling loops on S-pramaters of high frequency system are analysed by computer simulation tech-nology（CST）,and the cavity is also optimized on the basis of prior works;the CST PIC is adopted to solve the influences of the electronic injection on characteristics of the resonator.A cyclotron wave rectifier resonator is designed which possess high energy and high conversion efficiency at 2.85 GHz.

wireless power transmission;cyclotron wave rectifier;high frequency system

徐子楓

徐子楓（1992-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：高功率微波，E-mail：1522823676@qq.com。

李天明（1973-），男，博士，教授，研究方向：真空電子器件、高功率微波、毫米波器件，E-mail：tianming@uestc.edu.cn。

劉坤（1990-），男，碩士研究生，研究方向：微波測量及自動控制，E-mail：1043241329@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.38

：TM 724

：A

2015-12-09

國家自然科學(xué)基金資助項目（60971035）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（60971035）