5.8GHz回旋波整流器整管设计①

黄润烨，李天明

(电子科技大学强辐射实验室，成都 610000；电子科技大学电子科学与工程学院，成都 610054)

0 引言

无线输电技术意义重大,在军事、通信、工业、电力、航天等领域均具有良好的应用前景[1]。美国Glaser博士早在1968年就提出空间太阳能发电的构想，在临近空间飞行器供能，孤岛值守装备供能等方面电能的远距离无线传递将极大的拓展武器装备作战区域，丰富现代战争作战模式。除此之外它还可以在无人机群空中供能、低轨道军用侦察卫星、星际探测器、便携通信、电动汽车充电、水下探测、智能家居、体内设备充电、微波能束武器等众多领域使用，具有广阔的应用前景。

将微波能转换为电能的微波整流器是无线输电系统的两大核心器件之一，微波整流器件主要有整流二极管和回旋波整流器。二极管整流输出功率较小、电压较低，主要用于入射波功率密度不太大的场合。在功率大、电压高、入射波功率密度大的场合，如飞行体上的接收站和地对地接收站，回旋波整流器是最佳选择。

上世纪70年代初期，莫斯科大学以沙文和温凯等人为首的科研团队与Tory微波公司展开合作，开始对大功率高效率的回旋波整流器进行研究并研制出了一系列的实验室样品[2]。随后，俄罗斯最大的微波公司ISTOK公司也通过与莫斯科大学的不断合作，成功研制出了多种中等功率范围的回旋波整流器产品。国内的专家学者对此也关注良多，空军工程大学电讯工程学院王秩雄教授等人对国外整流器的发展一直跟踪研究，他们系统分析了回旋波整流器各部分工作原理，设计出国内首个回旋波整流器样品，并进行了相关测试，但是具体设计过程并没有报道。电子科技大学的赵晓云博士曾对回旋波整流器进行过较为系统的分析，并在此基础上设计出了2.85GHz的回旋波整流器，该整流器的总体效率为83%。

文章提出了一种大功率高效率的5.8GHz回旋波整流器的整管设计。运用CST设计出加速电压5KV，发射电流0.37A，注腰半径0.62mm,射程8.2mm的皮尔斯电子枪；完成了电子枪与回旋波整流器的匹配工作；设计了同轴滤波耦合结构，实现了阻抗匹配以及60MHz的带宽扩展；对永磁体材料进行了选择，通过建模仿真，采取各种磁体组合方式和极化方式，得到所需要的磁场；将磁场导入整管计算，得到输入微波5.8GHz,输出电压26KV，输出功率7KW，整管整流效率达到60%的回旋波整流器。

1 回旋波整流器整体设计考虑

根据工作原理，微波输能系统主要由三部分组成：第一部分是微波管等微波发生器将直流电能转换为能在自由空间传播的微波；第二部分是微波的定向发射、传输和接收；第三部分是微波直流转换器将接收的微波功率转换为直流电能供给负载。

为实现大功率微波传输，构建了如图1所示的微波无线输能系统，微波发生器和微波整流器分别采用速调管和回旋波整流器。首先电源由380V、50Hz的市电接入，输出25kV、42.2kW的连续波供给将直流电转换为微波能的速调管，然后速调管输出25.3kW的微波功率，经由口径16m的发射天线将20kW的微波能辐射出去。自此完成了直流电转换为微波能并将微波能发射出去的工作。在发射天线1000米以外的另一边，口径6m的接收天线将微波能空间传输过程中损耗剩12.5kW的微波接收，输出5.8GHz、10kW微波功率馈入将微波能转换为电能的回旋波整流器，最终回旋波整流器输出6.5kW、26kV、250mA电能供给负载。

微波输能系统中对回旋波整流器的设计要求是输入功率10kW、频率5.8GHz，输出电压26kV、电流250mA、功率6.5kW、微波转换效率65%。由以上设计要求可得到回旋波整流器谐振腔的一个初步设计，进而推出电子枪的设计及匹配，以及为后面的研究工作开展奠定基础。

图1 微波输能系统图Fig.1 Microwave energy transmission system diagram

2 高频结构设计

在回旋波整流器的工作过程中，电子枪能不能产生良好的电子注并正确的过渡到高频互作用区内，是回旋波整流器能不能进行注-波互作用的前提条件，所以电子枪需要根据高频互作用区的工作条件来设计。

图2 Cuccia谐振腔结构图Fig.2 Structure diagram of cuccia resonator

图3 Cuccia谐振腔等效电路示意图Fig.3 Equivalent circuit diagram of cuccia resonator

回旋波整流器的高频结构采用Cuccia耦合器,Cuccia腔结构如图2所示[3]，其基本结构是一个圆柱腔，但在其内部有一对平行放置的金属极板，极板通过金属支撑脊与腔体壁紧固在一起，该谐振腔结构相当于在TE111模式的圆柱谐振腔中并联了一个LC串联谐振回路，图3为该谐振腔的等效电路。

为了简化之后的计算，故这里忽略了一些不重要的因子，对图3所示的等效电路进行处理。简化之后的结果如图4所示，Lc，Cc是TE111模式的等效电感和等效电容[4]。C∑表示的是极板之间的电容大小，它主要是由极板间距以及极板的表面积决定的。

图4 Cuccia谐振腔简化等效电路示意图Fig.4 Simplified equivalent circuit diagram of cuccia resonator

表1 高频结构主要参数Table 1 Main parameters of resonator

Ln表示的是支撑脊的电感，它主要是由支撑脊的尺寸确定的，同时腔体的半径大小对它也有一定的影响。根据谐振电路的导纳∑B=0的关系，即可求出图6所示谐振系统的谐振频率为：

(1)

通过上式，得到各参数和频率之间的关系，参见文献[5]高频结构计算过程，结合输入频率5.8GHz和PIC仿真得到如表1所示高频结构的主要参数。

3 磁体的设计

磁场关系到回旋波整流器电子枪、高频结构及收集极能否有效工作。磁场分布可划分为电子枪区、互作用区、倒向磁场区、收集级区。工作在5.8GHz的高频结构，工作磁场B0=0.21T，考虑到相对论效应，工作磁场有一个很小的梯度，倒向磁场区采用余弦分布的递减磁场，磁场倒向峰值是工作磁场的0.1倍[5]，收集级区的磁场由负值逐渐增加到零。

利用CST电磁仿真软件，在仿真的基础上进行磁路的设计，应满足以下的基本要求：磁场要有良好的轴向均匀性，均匀长度要达到，谐振腔区的磁场强度应在0.21T左右；在能量转换区，磁场要逐渐减小，根据磁场设计的需要可以适当的调整转换区的长度；在收集极区，磁场的数值要逐渐的增加，在收集极的终端，此处数值应该逐渐增加到零；磁路尽可能的体积小，重量轻，结构简单，成本低，易于包装和充磁和退磁。

图5 磁体结构图Fig.5 Magnet structure diagram

图6 计算区域中轴向磁场分布Fig.6 Axial magnetic field distribution

从永磁材料的性能、稳定性、以及课题中所要求等多方面综合考虑，决定选用性能优异的钐钴永磁材料。它的主要优点有矫顽力高，具有很强的抗退磁能力，具有很高的磁能积，退磁曲线基本上是一条直线，回复直线与退磁曲线基本重合，且温度稳定性好。采用几种不同形状，不同极化的磁体设计方案，分别仿真验证，找出可行的设计方案，然后逐步进行优化。首先柱形磁体轴向极化，其磁场强度太小，需要很大的体积的磁体才能达到均匀区0.21T的磁场强度，包括其他形状的轴向极化磁体，发现磁场强度很难达到，故采用径向极化的充磁方式，通过结合仿真分析，倒向磁场区的磁场始终反向过大，达不到反向磁场峰值在高频区磁场0.1倍之内的要求，通过磁靴磁屏也无法解决反向磁场过大的问题，最终，采用了轴向极化和径向极化相结合的方案，在此基础上进行修正优化，如图5所示，轴向磁场分布如图6所示，从图中可以看出，只是在收集极区尾端，磁场变化的曲线与预期略有不符，在谐振腔区和能量转换区，都满足了要求。

4 电子枪及过渡区设计

4.1 电子枪设计

采用图7所示的轴对称皮尔斯型电子枪，由电流和选定阴极所具有的发射电流密度可得到阴极工作半径，根据以上参量，为减小设计难度，参照现有电子枪参数，由缩尺原理得到初始结构参数，为了获得要求的电性能指标，在CST中主要对聚焦极与阳极的位置进行了优化。计算表明，当阴极固定，聚焦极在r方向上下移动和阳极在z方向左右移动时对枪参量影响较大，聚焦极左右移动和阳极上下移动的影响相对较小。具体变化如下表2所示。最后对优化好的结构进行仿真计算得到电子枪的静电轨迹如图8所示，可以看到电子注射程远，层流性好，无电子轨迹交叉现象。电子枪具体电参数如表3所示。

表2 电子枪结构变化对电子束的影响Table 2 The influence of electron gun strthcture change on electron beam

图7 皮尔斯型电子枪Fig.7 Pierce gun

图8 模拟静态电子注轨迹图Fig.8 Simulated static electron beam

表3 电子枪参数Table 3 Electron gun parameters

4.2 过渡区设计

过渡区设计就是使由电子枪出来的电子注，经过过渡区到达高频结构入口时，满足所要求的入射条件。过渡区具有一定分布的非均匀磁场，这个非均匀磁场的幅度等于均匀磁场幅值，大量计算表明，注腰位置应选在实际过渡区磁场变化为均匀磁场幅值0.7的位置处[7]。过渡区磁场如图9所示。

图9 电子枪轴向磁场分布Fig.9 Distribution of axial mag netic field in gun area

通过对电子枪和回旋波整流器之间的连接长度的调整，来确定注腰点在过渡区磁场中的位置，如图所示10所示。结合反射波的大小，电子束的运行轨迹，确定了过渡区L的长度为6.5mm，即此时的注腰点处于过渡曲线幅值0.75的位置，电子注波互作用会更充分。接入电子枪的回旋波整流器入射波与反射波对比如图11所示，可以看到，微波反射掉的功率在合理范围内，微波传输效率高达95%，由此证明磁场设计以及长度L是合理的。

图10 优化过渡区长度Fig.10 Optimize the length transition area

图11 整管入射波与反射波对比Fig.11 Incident wave and reflected wave of the whole tube

5 能量耦合结构的设计

微波从输入端口注入回旋波整流器，在高频结构中的平板之间产生高频电场，在两脊周围产生高频磁场[8]，为了使微波反射尽可能的小，对耦合结构进行了设计，在能量耦合结构中增加一滤波结构，如图12、13所示。将滤波结构和高频结构连接进行仿真，观察S11、S21参数，在5.8GHz频率处S11约为-0.0035dB，即同轴线和谐振腔实现了阻抗匹配。输入信号同轴线结构参数如表4所示。

图12 同轴滤波结构Fig.12 Coaxialfilter structure

图13 滤波结构连接高频结构Fig.13 Filter structure connected with high frequency

图14 滤波结构S11Fig.14 Filter structure S11

图15 滤波结构S21Fig.15 Filter structure S12

表4 输入信号同轴线结构参数Table 4 Coaxial structural parameters

图16 微波能量输入、反射曲线Fig.16 Microwave energy input and reflection curve

在CST中进行热腔仿真，图16为微波能量的输入情况，图中显示，在同轴线端口注入5.8GHz，10kW的微波功率，对应的微波归一化幅值142，稳定工作时，入射端口的微波反射归一化幅值为28，对应的反射微波功率为392W，净输入微波功率为9.6kW，输入效率为96%。同时对高频结构带宽进行了仿真，在信号输入端加上同轴线滤波器后，降低Q值，在微波传输效率大于95%的情况下，谐振腔带宽明显增加，如图17所示展宽前和展宽后的对比，目前设计的在微波传输效率≥95%的情况下，可实现在5.82GHz±30MHz带宽范围内，即输入频率范围为5.79GHz-5.85GHz。

图17 带宽拓展前后比较Fig.17 Comparison betore and after bandwidth expansion

6 整管仿真

在完成高频结构、磁场设计、电子枪、能量耦合结构后，需要整管仿真回头验证上述环节设计的正确性，图18是整管剖面结构示意图。在CST粒子仿真中可以看到微波的入射和反射曲线，经计算，可知微波传输效率达到93.5%，另外，收集级第一级和第二级的电流如下图20、21所示，经后处理得到平均电流分别为0.114A和0.154A，对应收集级电压26kV，输出功率将达7kW，结合微波注入功率10kW，加上电子枪的输入功率1.85kW，得到整管的微波-直流转换效率达到60%。符合微波输能整体系统要求。

图18 整管剖面结构示意图Fig.18 Structural diagram of whole pipe section

图19 微波入射及反射曲线Fig.19 Microwave incidence and reflection curve

图20 第一级收集级电流Fig.20 First collection stage current

图21 第二级收集级电流Fig.21 Second collection stage current

7 结束语

回旋波整流器的研制是整个微波无线输电系统的重要一环，它的优异特性保证了微波能量能够高效的转换为直流电能，在资源日益紧张的未来，回旋波整流器一定会体现出其自身巨大的价值。本文设计的回旋波整流器的工作频率为5.8GHz，是一只完整的整流器，整个设计涵盖了电子枪，微波能量耦合结构，电子枪匹配环节，磁体设计及实现，整管PIC仿真。最终设计的5.8GHz整管回旋波整流器总的转换效率达到60%。为以后的整管研制工作奠定了基础。