黃潤燁，李天明

(電子科技大學強輻射實驗室，成都 610000；電子科技大學電子科學與工程學院，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70年代初期，莫斯科大學以沙文和溫凱等人為首的科研團隊與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)的專家學者對此也關(guān)注良多，空軍工程大學電訊工程學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。電子科技大學的趙曉云博士曾對回旋波整流器進行過較為系統(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的帶寬擴展；對永磁體材料進行了選擇，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[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，均勻長度要達到，諧振腔區(qū)的磁場強度應(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?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，然后逐步進行優(yōu)化。首先柱形磁體軸向極化，其磁場強度太小，需要很大的體積的磁體才能達到均勻區(qū)0.21T的磁場強度，包括其他形狀的軸向極化磁體，發(fā)現(xiàn)磁場強度很難達到，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，在CST中主要對聚焦極與陽極的位置進行了優(yōu)化。計算表明，當陰極固定，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，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)換效率達到60%。為以后的整管研制工作奠定了基礎(chǔ)。