Повышение эффективности передачи, приема микроволнового излучения с преобразованием в постоянный ток (1104433), страница 3
Текст из файла (страница 3)
для моды TM110:f110 =ck112π r1 ε.Входное сопротивление такой микрополосковой антенны определяетсяпроводимостью плоского круглого резонатора для n-й гармоники тока:⎛r ⎞G =π ⎜ 1 ⎟⎝h⎠⎛r ⎞+π⎜ 1 ⎟⎝h⎠где ξ=22πε 0 2 n 2 J n2 ( k 0 r1 sin θ )cos 2 θ{sin θ dθ +μ 0 ∫0 ( k 0 r1 sin θ ) 2 cos 2 θ + (ξ ctgξ k 0 h ) 2πε0 2(ε 1′) 2cos 2 θ2[ J n′ (k 0 r1 sin θ )] 2}sin θdθ ,μ 0 ∫0ξ + (ε 1′ cosθctgξk 0 r1 ) 2 ξ 2−6−1−7−1ε 2 0 − sin 2 θ , μ 0 = 1.257 ⋅ 10 Гн ⋅ м , ε 0 = 8.8542 ⋅ 10 Ф ⋅ м ,Jn и J n′ – функцияБесселя и ее производная n-го порядка.21 ⎡ J (k r ) ⎤Входное сопротивление определяется по формуле: Zвх ≈ ⎢ n 1 2 ⎥ .G ⎣ J n (k1r1 ) ⎦17Рис.
9. Разрезы на дисковой микрополосковой антенне, предотвращающие возбуждениемод ТМ24 и ТМ01.Дисковая антенна позволяет снизить вероятность возбуждения высшихгармоник основной частоты. Моды TM24 и TM01 возбуждаются на частотах, близкихк кратной резонансной частоте. Предложена новая конструкция дисковой антенны сразрезами, расположенными перпендикулярно направлению линий тока для каждоймоды соответственно (см.
рис. 9.). Предложенное технологическое решениепозволяет исключить использование в ректеннах фильтров высших частот, чтосущественно упрощает схему выпрямляющего элемента.Глава 4 посвящена исследованию процессов преобразования и динамикиэлектронного потока в реверсивной области циклотронного преобразователяэнергии (ЦПЭ). Принцип действия циклотронного преобразователя энергии основаннапоперечнойэлектронноймодуляциипушкииэлектронноговнешнихпотока.постоянныхКонструктивномагнитовпомимоциклотронныйпреобразователь имеет три основные части: резонатор, область реверсивногоРис.
10. Схема циклотронного преобразователя энергии и распределение магнитногополя на его оси.18изменения продольного магнитного поля (область преобразования или реверса) иколлектор (рис.10).В параграфе 4.1 приведены результаты моделирования электронного потока.Рассмотрена трехмерная модель с парциальными пучками конечного сечения ипроведен расчет поля пространственного заряда.
Развитая трехмерная модельэлектронного потока модифицирована с учетом влияния проводящих границ.В параграфе 4.2 исследованы процессы преобразования энергии и динамикаэлектронного потока в реверсивной области ЦПЭ. В релятивистском случаеуравнения движения электронного потока имеют вид⎞∂v xv1 ⎛⎞2⎛⎜⎜ − η o 1 − β ⎜ E x + v y B z − v z B y − 2x ⋅ VE ⎟ + ω ⋅ v y ⎟⎟ ,=∂zvz ⎝c⎝⎠⎠v⎞⎞∂v x1 ⎛⎜2⎛⎜⎜ E y + v z B x − v x B z − 2y ⋅ VE ⎟⎟ − ω ⋅ v x ⎟ ,η1β=−−o⎟v z ⎜⎝∂zc⎝⎠⎠∂v xv1⎛⎞⎞2⎛= ⎜⎜ − ηo 1 − β ⎜ E z + v x B y − v x B y − 2z ⋅ VE ⎟ ⎟⎟ ,∂z v z ⎝c⎝⎠⎠∂x 1(v x + ω ⋅ y ) ,=∂z v z∂y 1(v y − ω ⋅ x ) ,=∂z v zrrгде E - вектор напряженности электрического поля, а B - вектор индукциимагнитного поля в точке нахождения частицы, η = e / mo - удельный зарядэлектрона, β 2 = (v 2x + v 2y + v 2z ) c 2 .Распределение магнитного поля на оси системы представляется в видеаппроксимирующей функции.
Глубина реверса магнитного поля характеризуетсявеличиной C = B1 / B0, где B0, B1 – значения поля соответственно в начале и в концеобласти. Коэффициент С изменяется от –1 до 1, позволяя варьировать значениемагнитного поля в конце области (z = zmax) от -B0 до B0. Изменение величины С вуказанномдиапазонеохватываетнетолькослучаисимметричногоинесимметричного реверса, но и случаи магнитного поля спадающего до нуля (С=0),или до определенной конечной величины (C>0) (рис.11).
Значение С=1соответствует случаю однородного магнитного поля.19Рис.11. Распределение магнитного поля в реверсивной областиВ параграфе 4.3 приведены результаты численного моделирования ипроизведена оптимизация параметров для увеличения мощности и КПД ЦПЭ.Предложен метод повышения удельной мощности циклотронного преобразователя- одновременное увеличение плотности тока и начального радиуса пучка дозначений 0.5-0.8 от циклотронного радиуса.
При этом воздействие неоднородногорадиального магнитного поля может быть частично скомпенсировано за счетвращенияэлектронногопучкавокругсвоейосиподдействиемполяпространственного заряда. Расчеты показали, что эффективность преобразования вреверсивной области может сохраняться высокой (до 80-85%) при увеличенииотносительного радиуса электронного потока до значений γ =0.5-0.8.Зависимостьэффективностипреобразованияотдлиныреверсивногоизменения магнитного поля имеет периодический характер (рис.12).Рис.12. Зависимость эффективности преобразования от длины реверсивного изменениямагнитного поля Nc для случаев 1) γ=0.5, C=-0.1; 2) γ=0.8, C=-0.1; 3) γ=0.5, C=-0.05, токапучка I=5A, входная мощность P=150кВт20Рассмотрена динамика процессов, соответствующих случаю максимумов иминимумов эффективности преобразования.
На рисунках 13-14 приведенырезультаты расчета энергетических характеристик и динамики электронного пучкадля первого максимума кривой 3 на рисунке 12.Выявленмеханизмвозбужденияразбросапродольныхскоростейвэлектронном пучке под действием сил пространственного заряда и радиальногомагнитного поля. Установлено, что максимальная эффективность преобразования(85%) достигается при вращении электронного пучка как целого вокругсобственной оси под действием сил пространственного заряда на угол, кратный 2π,и сохранении формы поперечного сечения потока в реверсивной областициклотронного преобразователя; при этом относительный разброс продольныхскоростей может быть существенно снижен (до 10%).Рис. 13.
Зависимость КПД преобразования (1),Рис. 14. Динамика измененияразброса скоростей(2), и радиуса максимальногоконфигурации электронного пучка вотклонения пучка(3) от относительной длиныпоперечном сечении и траектория одногореверсивной области (угол поворота вокруг своейвыделенного элементарного пучкаоси ~2π)21ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.
Двухступенчатое распределение поля на передающей антенне системы передачиэнергииэлектромагнитнымлучом(СПЭЭЛ)позволяетобеспечитьвысокоэффективную передачу энергии микроволновым пучком (до 86%), чтонезначительно (на 1,6% по КПД) уступает системе с оптимальным гауссовымраспределением. При этом уровень фонового излучения (-21,2 дБ для первогобокового лепестка) оказывается в два разаменьше, чем для системы сравномерным распределением поля. На примере наземной линии беспроводнойпередачи энергии показана возможность реализации уровня фонового излученияниже медицинского стандарта РФ на длительное и безопасное СВЧ–облучение(10 мкВт/см2), так и на электромагнитную совместимость (0.27 мкВт/см2).Показана возможность реализации экологически безопасной наземной СПЭЭЛ смаксимальной мощностью передачи до PT=3.66 МВт и КПД=88.7%.2.
Предложенный метод синтеза столообразного распределения поля на приемнойантенне, основанный на задании значений амплитуды и фазы поля излучающихэлементов передающей антенны в виде рядов Шлемильха, обеспечиваетзначениеКИП=0,98 с эффективностью приема энергии до 70%. Такоеравномерное распределение плотности мощности на приемной плоскостипредполагает использованиеректенны с однотипными равноудаленнымиприемно-преобразующими элементами.3. Мощность высших гармоник рабочей частоты, возникающих на диоде Шоттки ипереизлучаемых ректенным элементом с полуволновым диполем, может бытьснижена до экологически безопасного уровня (-30дБ и более) путем введенияфильтров с кратными резонансными частотами. Использование предложеннойдисковой микрополосковой антенны вместо полуволнового диполя ректенногоэлемента снижает уровень переизлучения на кратных резонансных частотах ипозволяет упростить схему выпрямляющего элемента.4.
Показано, что влияние кулоновских полей ипроводящих границ в областипреобразования приводит к периодическим изменениям результирующейэффективности преобразования вдоль длины реверсивной области ЦПЭ до 8-2210%. При повороте электронного пучка с большим начальным радиусом ( γ =0.50.8) вокруг своей оси под действием сил пространственного заряда на угол,кратный 2π, и сохранении формы поперечного сечения, относительный разброспродольных скоростей может быть существенно снижен (до 10%), что позволяетповысить эффективность преобразования до 80-85% и уровень входноймощности до 150 кВт.Список публикаций по теме диссертации:1. Казарян Г.М., Модебадзе Т.К., Пеклевский А.В., Саввин В.Л. Влияние проводящих границ надинамику электронного потока в реверсивной области// VII Всероссийская школа-семинар«Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово, 2000, Труды, часть 2, с.
11.2. Казарян Г.М., Модебадзе Т.К., Пеклевский А.В., Саввин В.Л. О динамикеэлектронныхпучков с увеличенным радиусом в реверсивных магнитных полях // VIII Всероссийскаяшкола-семинар «Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово, 2001, Труды,часть 1, с. 103.3. Казарян Г.М., Модебадзе Т.К., Пеклевский А.В., Саввин В.Л. Циклотронный преобразовательэнергии для передачи энергии СВЧ-пучком //27 Гагаринские чтения, МАТИ РГТУ им.
К.Э.Циолковского, 2001, с. 152.4. Казарян Г.М., Ролдугина Т.К., Пеклевский А.В., Саввин В.Л., Сухоруков А.П. О динамикеэлектронного пучка в реверсивной области циклотронного преобразователя СВЧ энергии //Межвузовская конференция «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ»,Саратов, 2001, Труды, с. 23.5.
Саввин В.Л., Пеклевский А.В., Казарян Г.М., Ролдугина Т.К. О динамике электронных пучковс большим начальным радиусом в реверсивных магнитных полях. // Известия РАН, Серияфизическая, 2001, том 65, №12, с.1695-1699.6. Казарян Г.М., Ролдугина Т.К., Саввин В.Л. Моделирование поля пространственного заряда вСВЧ-устройствах с поперечными волнами электронного потока //Труды научной сессииМИФИ, 2002, т. 8, с. 18.7.
Казарян Г.М., Пеклевский А.В., Саввин В.Л. Влияние пространственного заряда на динамикуэлектронных пучков в реверсивной области циклотронного преобразователя энергии // VIIIВсероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово,2002, Труды, часть 2, с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
