Концепция гелиоэлектростанций на ИСЗ* интенсивно исследуется (например, проект SPS-2000 [1-3]). В соответствии с ее положениями мощность на выходе солнечных батарей преобразуется в СВЧ-энергию с помощью эффективных генераторов и передается на Землю по радиолучу. В качестве приемника энергии предлагается эффективный преобразователь СВЧ-мощности в напряжение постоянного тока на основе автоэмиссионного диода.
Сегодня идея транспортировки электроэнергии с помощью СВЧ-излучения возрождается в связи с проблемами энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов, труднодоступных объектов (в гористой местности, на островах и т.п.), восстановления подачи энергии при чрезвычайных ситуациях. При этом требуется передавать мощность от единиц до десятков киловатт с помощью компактных передатчика и приемника.
Рабочая частота системы транспортировки определяется наличием мощных эффективных источников СВЧ-энергии, и требование компактности системы заставляет отдавать предпочтение более коротковолновым приборам. По этой причине наряду с магнетронами дециметрового диапазона в качестве перспективных кандидатов рассматриваются клистроны сантиметрового диапазона и промышленные гиротроны длинноволновой части миллиметрового диапазона, которые имеют высокий КПД, используют постоянные магниты для фокусировки электронного пучка и могут работать без криогенной системы.
Использование коротковолнового излучения позволяет реализовать компактные антенные системы. Решетка ректенн (антенн, нагруженных полупроводниковыми выпрямителями), использующих диоды Шотки, достаточно проста, имеет высокий КПД и большой срок службы, однако не лишена и недостатков. К ним, в первую очередь, относится малая мощность единичного диода, что определяет большое число диодов в решетке и высокую стоимость приемника. Кроме того, поскольку высокий КПД диода возможен лишь при предельном уровне СВЧ-сигнала, вариации уровня мощности способны привести к деградации приемника из-за невысокой устойчивости диодов Шотки к перегрузкам по мощности. Такие вариации могут быть обусловлены, например, флуктуациями положения радиолуча на полотне приемной антенны. Это говорит о необходимости создать приемник, использующий единичный "выпрямительный" СВЧ-прибор, который должен сочетать высокую эффективность и малое время готовности полупроводниковых преобразователей с большой мощностью, высокой надежностью и низкой стоимостью вакуумных приборов.
В качестве перспективного кандидата на роль приемного СВЧ-при-бора предлагается вакуумный диод на основе автоэмиссионного катода. До сих пор металлические автоэмиссионные катоды рассматривались как высоковольтные, слаботочные и малостабильные источники электронного пучка. Это объясняется высокой чувствительностью автоэмиссии к отравлению поверхности катода адсорбируемыми на ней веществами (присутствующими в техническом вакууме), химической активностью металлов и невозможностью очистки поверхности катода путем нагрева. Однако в последние годы интенсивно развивается направление эмиссионной электроники, связанное с использованием различных углеродных наномате-риалов. Такие материалы химически инертны, имеют развитую структуру и обладают высоким усилением электрического поля на нановыступах, поэтому эмиттеры на их основе позволяют в техническом вакууме при напряженности электрического поля около 10 кВ/мм получить довольно стабильную плотность тока эмиссии до 1 -2 А/см2 при общем токе в единицы ампер. Использование таких сильноточных эмиттеров обеспечивает реализацию приемника СВЧ-энергии в виде параболической антенны, собирающей мощность в обычный волноводный тракт, к которому подключен резонатор, содержащий автоэмиссионный диод (рис.1).
Рис. 1. Приемник СВЧ-энергии на основе автоэмиссионного диода: а) функциональная схема приемника: б) эквивалентная схема приемника
Предлагаемое решение позволяет создать простой, компактный, недорогой приемник, не чувствительный к колебаниям луча по полотну антенны. Однако воплощение этой идеи наталкивается на серьезную проблему. Для получения автоэмиссионного тока необходимо приложить к диоду значительное напряжение, а большое падение напряжения в открытом состоянии значительно снижает КПД преобразования СВЧ-энергии в напряжение постоянного тока.
Решением рассматриваемой проблемы может быть использование диода в режиме с углом пролета порядка π [4]. В этом случае эмиссия с катода происходит в сильном поле в течение короткого интервала вблизи максимума положительной полуволны СВЧ-на-пряжения. Эмитированный сгусток электронов первоначально ускоряется приложенным полем, но за время его дрейфа в зазоре полярность поля меняется на противоположную, так что на заключительной фазе дрейфа он тормозится, почти полностью отдавая свою энергию статическому полю. В результате электронный КПД существенно повышается.
Рис. 2. Зависимость напряжений но диоде от КПД и угла пролета
При синтезировании параметров диода, таких как ВЧ-напряжение U1, напряжение постоянного тока Uo, зазор d, в качестве исходных параметров задаемся углом пролета φ, полем E, при котором происходит эмиссия, и электронным КПД. В результате получаем напряжения,пропорциональные λ2Е2 (λ- длина волны СВЧ-сигнала), и зазор d,пропорциональный λ2Е.
В качестве примера можно сделать численные оценки параметров диода для рабочей длины волны λ=3 см при автоэмиттере с E=10 кВ/мм. Полученная зависимость напряжения на диоде от КПД и угла пролета показана на рис.2, величина зазора как функция угла пролета - на рис.3.
Рис. 3. Величина зазора как функция угла пролета
Как видно из приведенных оценок, амплитуда ВЧ-напряжения на диоде достигает нескольких киловольт. При этом отдельного анализа требует вопрос о СВЧ-потерях в резонаторе и контурном КПД прибора. Зависимость контурного и полного КПД от угла пролета (рис.4) показывает, что существует оптимальный угол пролета, при котором потери в резонаторе минимальны.
Рис. 4. Зависимость контурного и полного КПД от угла пролета
Для рассмотренного примера с эмиттером площадью 0,5 см2 и плотностью тока 2 А/см2 имеем оптимальный угол пролета φ = 1,58 рад, зазор d = 0,34 мм, амплитуду ВЧ-напряжения U0 = -3,44 кВ, выходную мощность 3,88 кВт, технический КПД = 70%, плотность мощности, рассеиваемой на аноде, 760 Вт/см2 (что может быть отведено даже воздушным охлаждением). Как видно, аналитические оценки параметров системы дают вполне разумные значения.
Следует заметить, что осаждение сгустка на анод происходит в тормозящей фазе электрического поля. Возникающие при этом вто-ричноэмиссионные электроны могут ускоряться полем обратно к катоду, отбирая энергию от ВЧ-колебаний и понижая КПД системы. Учитывая, что коэффициент вторичной эмиссии металлического анода менее 0,3 получить трудно, данный эффект может существенно ухудшить КПД приемника. Решением проблемы может стать использование антидинатронной сетки, находящейся в зазоре диода вблизи анода и имеющей отрицательный потенциал в несколько десятков вольт по отношению к аноду (рис.5).
Рис. 5. Распределение статического потенциала в зазоре при наличии антидинатронной сетки
Пои анодном напряженииРис.5. Распределение статического потенциала в зазоре при наличии антидинатрон-ной сетки3,4 кВ запирающий потенциал на сетке 50-70 В практически не изменит электронный КПД, но устранит вторичную эмиссию. Более того, при правильно подобранном соотношении потенциала сетки и энергии первичных электронов у анода (зависящей от амплитуды ВЧ-напряжения) можно предотвратить оседание первичных электронов на сетку. Таким образом, тепловой режим сетки оказывается приемлемым даже при высокой удельной мощности на аноде.
Для проверки справедливости аналитических оценок характеристик преобразователя СВЧ-энергии в постоянный ток было проведено численное моделирование движения ансамбля частиц в переменном поле диода с учетом влияния поля пространственного заряда и вторичной эмиссии. Отметим, что обратная бомбардировка катода пренебрежимо мала по сравнению со случаем использования термокатода в диоде. Для анализа токооседания на антидинатрон-ную сетку получены траектории частиц, стартовавших в момент времени, соответствующий максимуму положительной полуволны поля, из различных точек катода на периоде сетки. Из них видно, что токооседание первичных электронов на сетку, как и эмиссия вторичных электронов с анода, отсутствуют. Таким образом, численное моделирование подтверждает результаты аналитического рассмотрения.
Предложенная конструкция эффективного преобразователя СВЧ-энергии в постоянный ток на основе автоэмиссионного диода показывает возможность использования электровакуумного прибора в качестве приемника системы транспортировки энергии с помощью СВЧ-луча. Такой диод - один из представителей нового класса электровакуумных приборов с модуляцией холодной эмиссии СВЧ-сигналом.
Источники:
Автор: А.В Галдецкий