JP3817715B2 - Microwave / DC power converter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子流の高速サイクロトロン波を利用したマイクロ波/直流電力(DC)変換装置に関する。このマイクロ波/直流電力変換装置は、マイクロ波エネルギー伝送システムにおける受電側装置として使用することができる。
【0002】
【従来の技術】
この数十年間、無線送電(Wireless Power Transmission=WPT)を実現するにあたり、新しい問題が生じてきた。すなわち、高出力マイクロ波のエネルギーを直流電流エネルギーに逆変換することに関する問題である。しかし、この分野で将来、マイクロ波技術が広範囲の応用を見いだすことは間違いない。
【0003】
ショットキーダイオードを備えた周知のレクテナ(rectifying antenna=整流アンテナ)は、高効率のマイクロ波無線送電の可能性を実現するために主要な役割を果たしてきた。しかし将来、高出力無線送電システムを産業的規模で実施しようとすると、このレクテナは有効なものとは思えない。それは次のような問題があるからである。
・単一のレクテナ要素では出力レベルが低い。
・出力電圧が低く、そのため直列にダイオードを接続する必要がある。
・比較的低レベルのマイクロ波や直流に対しても過負荷となりやすく、損傷の可能性が高いという危険性がある。
【0004】
産業的規模のエネルギーシステムでは、損失を低減し、信頼性を上げるために高出力・高電圧デバイスが常に要求される。
【0005】
図3(A)は従来のサイクロトロン・マイクロ波変換装置(CWC)の概略構成図である(Vladimir A. Vanke, et al., "Cyclotron Wave Converter of Microwaves into DC", IEICE Trans. Electron., Vol. E81-C, No. 7, July, 1998, p. 1136)。CWC30はz軸に沿って配列された電子銃31、マイクロ波空洞32及びコレクタ33から成る。通常クッチアカプラ(Cuccia coupler)と呼ばれるマイクロ波空洞32は反応空間35を内包しており、図示せぬ外部静磁場装置により、z方向の磁束密度B1を有する一様静磁場の中に置かれる。マイクロ波空洞32とコレクタ33の間の変換領域34は-z方向の磁束密度B2を有する別の外部静磁場の中に置かれる(図3(B))。
【0006】
周波数Fのマイクロ波電力Pがマイクロ波空洞32に入力されると、マイクロ波電力Pはマイクロ波空洞32の反応空間35に周波数Fで変化する直交電場を誘起する。電子銃31により電子流が生成され、電子レンズにより電子流が反応空間35の中心に送り込まれると、電子流はマイクロ波により誘起された直交電場により周波数F(これはサイクロトロン周波数Fcに等しい)の高速サイクロトロン回転を行なう。
【0007】
変換領域34において、回転する電子流は反転する静磁場(図3(B)のz1<z<z2)の半径方向成分により付加ローレンツ力を受け、その速度ベクトルのピッチ角を回転方向からz軸方向に向け、z軸方向の速度成分を増す。こうして電子流はらせん運動に移行し、サイクロトロン波のエネルギーが同一極性の同期波のエネルギーに変換される。
【0008】
加速された電子流36はコレクタ33に入り、ここでその運動エネルギーが負荷抵抗37により直流電流のエネルギーとして取り出される。
【0009】
サイクロトロン・マイクロ波変換装置は潜在的に高出力の能力を持ち、また、既に10kW程度の出力で試験もされている。このようなことは既に種々の発表で既に良く知られていることである。例えば、米国特許第3,462,636号やロシア特許2119691号を参照されたい。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このタイプのサイクロトロン・マイクロ波変換装置は、外部のマイクロ波源の周波数に等しい周波数のサイクロトロンに対応する高強度の静磁場を必要とする。このような要求は、特に短センチ波やミリ波帯で大きな技術的問題を引き起こす。
【0011】
本発明は、大規模な静磁場装置を必要としないサイクロトロン・マイクロ波変換装置すなわちマイクロ波/直流電力変換装置を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反応空間においてそれぞれ一様電場及び多重極電場を有するマイクロ波空洞を2つ用いることにより、この磁場強度を半減又はそれ以下に低減することを可能にしたものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
具体的には、本発明に係るマイクロ波/直流電力変換装置は、反応空間において、外部から供給されるマイクロ波により電子流に回転運動を与え、電流変換器においてその電子流の運動エネルギーを直流電流に変換して取り出すマイクロ波/直流電力変換装置において、前記反応空間が、中心軸の回りに平行且つ軸対称に配置された2・n(n=2,3,…)本の電極を備えることを特徴とするものである。
【0014】
また、更に具体的には、
a) 電子を送出する電子源と、
b) 電子源から送出される電子に初期回転運動を与え、下記多重極反応器に送出する第1反応器と、
c) 中心軸の回りに平行且つ軸対称に配置された2・n(n=2,3,…)本の電極から成り、外部から供給されるマイクロ波のエネルギーにより上記電子にサイクロトロン運動を与える多重極反応器と、
d) 多重極反応器を出た電子の回転運動を軸方向運動に変換する運動変換器と、
e) 軸方向運動エネルギーを有する電子流から直流電流を取り出す電流変換器と、
を備えるものとする。
【0015】
【実施例】
本発明に係るマイクロ波/直流電力変換装置の一実施例であるサイクロトロン・マイクロ波変換装置(CWC)を図1及び図2により説明する。図1(A)及び(B)はそれぞれ、本実施例のCWCの概略構成図とz軸方向の磁場の強度分布図であり、両図のz軸方向の位置は対応している。図1(B)においてB(z)はz軸上の磁場誘導のz方向成分であり、FcはB(z)の値に対応するサイクロトロン周波数である。
【0016】
電子銃1は断面円形の電子ビーム2を生成し、z軸に沿って第1マイクロ波空洞3に入射する。通常の動作モードではレジスタ(抵抗)13には電流が流れないため、第1マイクロ波空洞3のポテンシャルは電圧源12の電圧Uに等しい。
【0017】
第1マイクロ波空洞3は、入射電力マイクロ波Pの周波数Fの1/2の共鳴周波数を有する。この入射マイクロ波Pの電力のうち、ごく一部(1%以下)が電力分離器6、周波数分割器5及び位相シフタ4を介して第1マイクロ波空洞3に供給される。第1マイクロ波空洞3の反応空間における直交電場は、共鳴一様静磁場(Fc=F/2。図1(B)参照)とともに電子ビーム2をz軸回りに初期小回転させる。
【0018】
第2マイクロ波空洞7の反応空間には4本の棒状電極(四重極電極)が互いに平行に、且つz軸に関して軸対称に配置されている。これらの四重極電極の各電極はマイクロ波Pにより周波数Fで動作するが、電極が2組であるため、それらで囲まれた反応空間内で回転する電子ビームの回転周波数は、F/2となる。このため、第1マイクロ波空洞3の作動周波数がF/2となっている。同様に、第2マイクロ波空洞に2・n本の電極を設けると、電子ビームの回転周波数はF/nとなり、第1マイクロ波空洞の作動周波数もF/nとなる。
【0019】
同じ磁場の下で、そのような四重極電場(Fc=F/2)は、初期位相(入射時点での位相)によっては、電子ビーム2の直交回転を加速させることもあり、減速させることもある。位相シフタ4は、電子ビーム2の初期回転半径を増大させ、外部マイクロ波源のエネルギーが効率よく電子ビーム2のz軸回りの回転エネルギーに変換されるように、電子ビーム回転の位相が最適位置に来るようにする。
【0020】
ドリフトチューブ8にも同じ電圧U(図1(A)参照)が印加されているが、ここで静磁場は方向・強さとも変化される(図1(B)のREV領域)。回転電子ビームの軸方向速度は、このREV領域の発散磁場において増加する。静磁場のラジアル(径)方向成分は、電子ビームの回転エネルギーが軸方向運動の付加エネルギーに変換されたときに、そのようなプロセスを作り出す。同時に、電子ビームの運動形態も変化し、空間らせんの形状をとる(高速サイクロトロン波のエネルギーは、同一極性の同期波のエネルギーに変換される)。ここで、このREV領域における最適エネルギー変換は、CWCのパラメータをいかなる値に設定しても、常に非対称反転磁場中で生じることを強調しておきたい(図1(B)において、B2の値はB1の値よりも小さい)。
【0021】
REV領域を通過した後、加速された電子ビームはコレクタ領域11に入り、そこで電子ビームの運動エネルギーが取り出され、直流電流(DC)エネルギーに変換される。このエネルギーは負荷抵抗14に現われる。ここにおける磁場分布はコレクタ11の具体的構成に依存するが、通常、図1(B)に点線でその概略が示されるように、減少場の形をとる。付加電極9は電圧源10により電圧が印加され、コレクタ11のポテンシャルよりもやや低いポテンシャルを持つ。この付加電極9はコレクタ11のオリフィス(小孔)の所に局所電場を生成し、二次生成電子が外に出るのを防止する。
【0022】
レジスタ(抵抗)13は、単純な電流制御システムを生成する。すなわち、(マイクロ波や直流電流の過負荷により引き起こされ)第1マイクロ波空洞3、第2マイクロ波空洞7或いはドリフトチューブ8の壁面に流れるいかなる小さな電流も、そのポテンシャルUを大幅に低減し、電子銃1の電流を減少させる。
【0023】
図2は第1及び第2マイクロ波空洞3、7の等価回路を示す。図2において、第1マイクロ波空洞3の反応空間はz軸(y=0面)に沿うように描かれ、第2マイクロ波空洞7の四重極反応空間は(紙面に垂直な)z軸に直交して(z=一定値面内に)描かれている。両空洞3、7は異なる共鳴周波数を持ち、異なる電極配置を有し、異なる等価容量及び等価インダクタンスを持つ。第1マイクロ波空洞3は電子ビームに周波数F/2の小さな初期回転を与える。この初期回転は、四重極場の軸上において電場がゼロである第2マイクロ波空洞7において反応を引き起こすために必要なものである。図2は、電極のポテンシャル(電圧)が+V、-Vである瞬間を示している。電子ビームの断面は、-eと書かれた黒点で表わされ、この位置は最適位相に対応している(この電子ビーム断面の中心においてy=-x)。この電子ビームの最適位置への調整は、位相シフタ4により行なわれる。電子ビームの運動の断面投影は、図2において点線で示されるように、円形である。
【0024】
最後に、本発明は、この技術分野において通常の知識を有する者が想到するいかなる実施例をも含むものであり、上記の一実施例から導き出されるいかなる変形例も含むものである。例えば、第2マイクロ波空洞に6本の電極が平行且つ軸対称に配置された六重極電場配置(すなわち、n=3)を持つようなサイクロトロン・マイクロ波変換装置も本発明の範囲内に含まれる。この場合、それに対応して第1マイクロ波空洞は第2マイクロ波空洞の1/3の周波数で動作し、磁場強度は1/3で済む。
【0025】
【発明の効果】
本発明に係るマイクロ波/直流電力変換装置は、外部のマイクロ波源の周波数の1/nの周波数で動作するため、同一周波数で動作する従来のものよりも遙かに小規模な静磁場装置で済む。そのため、装置全体を小型化することができるとともに、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るマイクロ波/直流電力変換装置の一実施例であるサイクロトロン・マイクロ波変換装置(CWC)の概略構成図(A)、及び磁束のz軸方向の強度分布図(B)。
【図2】 実施例のCWCの第1及び第2マイクロ波空洞の等価回路図。
【図3】 従来のCWCの概略構成図(A)、及び磁束のz軸方向の強度分布図(B)。
【符号の説明】
1…電子銃
2…電子ビーム
3…第1マイクロ波空洞
4…位相シフタ
5…周波数分割器
6…電力分離器
7…第2マイクロ波空洞
8…ドリフトチューブ
9…付加電極
10…電圧源
11…コレクタ
12…電圧源
14…負荷抵抗
31…電子銃
32…マイクロ波空洞
33…コレクタ
34…変換領域
35…反応空間
36…電子流
37…負荷抵抗[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microwave / direct current power (DC) converter using a high-speed cyclotron wave of an electron stream. This microwave / DC power converter can be used as a power receiving device in a microwave energy transmission system.
[0002]
[Prior art]
In recent decades, new problems have arisen in realizing wireless power transmission (WPT). That is, it is a problem related to reverse conversion of high-power microwave energy into direct current energy. However, there is no doubt that microwave technology will find a wide range of applications in the future in this field.
[0003]
Well-known rectennas with Schottky diodes have played a major role in realizing the possibility of highly efficient microwave radio transmission. However, this rectenna does not seem to be effective when trying to implement a high-power wireless transmission system on an industrial scale in the future. This is because of the following problems.
• The output level is low for a single rectenna element.
-The output voltage is low, so it is necessary to connect a diode in series.
・ There is a danger that it is likely to be overloaded even with relatively low levels of microwaves and direct current, and the possibility of damage is high.
[0004]
In industrial scale energy systems, high power and high voltage devices are always required to reduce losses and increase reliability.
[0005]
FIG. 3A is a schematic configuration diagram of a conventional cyclotron / microwave converter (CWC) (Vladimir A. Vanke, et al., “Cyclotron Wave Converter of Microwaves into DC”, IEICE Trans. Electron., Vol. E81-C, No. 7, July, 1998, p. 1136). The
[0006]
When the microwave power P having the frequency F is input to the
[0007]
In the
[0008]
The accelerated
[0009]
The cyclotron / microwave converter has a potentially high output capability, and has already been tested with an output of about 10kW. This is already well known in various publications. See, for example, US Pat. No. 3,462,636 and Russian Patent 2119691.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, this type of cyclotron to microwave converter requires a high intensity static magnetic field corresponding to a cyclotron with a frequency equal to the frequency of the external microwave source. Such a requirement causes a great technical problem especially in the short centimeter wave and millimeter wave bands.
[0011]
The present invention provides a cyclotron / microwave converter that does not require a large-scale static magnetic field apparatus, that is, a microwave / DC power converter.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention makes it possible to reduce the magnetic field strength to half or less by using two microwave cavities each having a uniform electric field and a multipole electric field in the reaction space.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Specifically, the microwave / DC power converter according to the present invention imparts rotational motion to an electron flow by a microwave supplied from the outside in a reaction space, and the kinetic energy of the electron flow is converted to direct current in a current converter. In the microwave / DC power conversion device that converts the electric current to take out, the reaction space includes 2 · n (n = 2, 3,...) Electrodes arranged in parallel and axisymmetrically around the central axis. It is characterized by this.
[0014]
More specifically,
a) an electron source that emits electrons;
b) a first reactor that gives initial rotational motion to electrons sent from an electron source and sends them to the following multipole reactor;
c) Consists of 2 · n (n = 2, 3, ...) electrodes arranged in parallel and axisymmetric about the central axis, and gives cyclotron motion to the electrons by the energy of microwaves supplied from outside A multipole reactor;
d) a motion transducer that converts the rotational motion of electrons leaving the multipole reactor into axial motion;
e) a current transducer for extracting a direct current from an electron stream having axial kinetic energy;
Shall be provided.
[0015]
【Example】
A cyclotron / microwave converter (CWC) as an embodiment of the microwave / DC power converter according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1A and 1B are a schematic configuration diagram of the CWC of this embodiment and a magnetic field intensity distribution diagram in the z-axis direction, and the positions in the z-axis direction in both diagrams correspond to each other. In FIG. 1B, B (z) is a z-direction component of magnetic field induction on the z-axis, and Fc is a cyclotron frequency corresponding to the value of B (z).
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
In the reaction space of the
[0019]
Under the same magnetic field, such a quadrupole electric field (Fc = F / 2) may accelerate or decelerate the orthogonal rotation of the
[0020]
The same voltage U (see FIG. 1A) is also applied to the drift tube 8, but here the static magnetic field is changed in both direction and strength (REV region in FIG. 1B). The axial velocity of the rotating electron beam increases in the divergent magnetic field in this REV region. The radial component of the static magnetic field creates such a process when the rotational energy of the electron beam is converted to the additional energy of axial motion. At the same time, the motion pattern of the electron beam also changes and takes the shape of a spatial helix (the energy of the fast cyclotron wave is converted to the energy of a synchronous wave of the same polarity). Here, it should be emphasized that the optimum energy conversion in the REV region always occurs in an asymmetric reversal magnetic field regardless of the value of the CWC parameter (in FIG. 1B, the value of B2 is Smaller than the value of B1).
[0021]
After passing through the REV region, the accelerated electron beam enters the
[0022]
[0023]
FIG. 2 shows an equivalent circuit of the first and
[0024]
Finally, the present invention includes any embodiment conceived by those having ordinary skill in the art, and includes any variation derived from one embodiment described above. For example, a cyclotron / microwave converter having a hexapole field arrangement (ie, n = 3) in which six electrodes are arranged in parallel and axisymmetrically in the second microwave cavity is also within the scope of the present invention. included. In this case, correspondingly, the first microwave cavity operates at 1/3 the frequency of the second microwave cavity, and the magnetic field strength is only 1/3.
[0025]
【The invention's effect】
Since the microwave / DC power converter according to the present invention operates at a
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram (A) of a cyclotron / microwave converter (CWC) as an embodiment of a microwave / DC power converter according to the present invention, and an intensity distribution diagram of magnetic flux in the z-axis direction (B) ).
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the first and second microwave cavities of the CWC of the embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram (A) of a conventional CWC and a magnetic flux intensity distribution diagram (B) in the z-axis direction.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
b) 電子源から送出される電子に初期回転運動を与え、下記多重極反応器に送出する第1反応器と、
c) 中心軸の回りに平行且つ軸対称に配置された2・n(n=2,3,…)本の電極を備え、外部から供給されるマイクロ波のエネルギーにより上記電子にサイクロトロン運動を与える多重極反応器と、
d) 多重極反応器を出た電子の回転運動を軸方向運動に変換する運動変換器と、
e) 軸方向運動エネルギーを有する電子流から直流電流を取り出す電流変換器と、
を備えることを特徴とするマイクロ波/直流電力変換装置。a) an electron source that emits electrons;
b) a first reactor that gives initial rotational motion to electrons sent from the electron source and sends them to the following multipole reactor;
c) Equipped with 2 · n (n = 2, 3, ...) electrodes arranged in parallel and axisymmetric about the central axis, and gives cyclotron motion to the electrons by the energy of microwaves supplied from the outside A multipole reactor;
d) a motion transducer that converts the rotational motion of electrons exiting the multipole reactor into axial motion;
e) a current transducer for extracting a direct current from an electron stream having axial kinetic energy;
A microwave / DC power converter characterized by comprising:
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