UA92531C2 - Пристрій перетворення нвч енергії в змінний струм промислової частоти - Google Patents

Description

Проте недостатньо висока середньорічна ене- достатньо складна; складним по конструкції і в ргія сонячної радіації на території України (розта- настройці є і вузол введення НВЧ енергії в елект- шованої між 45 і 52 градусами північної широти), ронний потік. Наявність в пристрої катода, що піді- оцінювана всього в 4 кіловат-години на квадрат- грівається, з могутньою емісією електронів різко ний метр поверхні, і істотна сезонна нерівномір- знижує ресурс роботи перетворювача. Крім того, ність інтенсивності світлової енергії, що досягає оскільки на резисторі навантаження виділяється поверхні Землі (максимальні значення - від 1000 енергія постійного струму, який має обмежені об- ватів на квадратний метр в літні місяці до 250 ва- ласті використовування, то виникає потреба в до- тів на квадратний метр в зимові місяці), а також датковому перетворювачі постійного струму в звуження спектрального складу досягаючого зем- змінний, що ускладнює і здорожує систему перет- ної поверхні сонячного випромінювання через фі- ворення в цілому і приводить до зниження коефі- льтруючі властивості забрудненої атмосфери істо- цієнта корисної дії. тно утрудняють використовування сонячного Частково подолати вказані недоліки вдається випромінювання, перетворюваного в постійний при використовуванні вакуумних випрямних діодів струм фотоелектричними перетворювачами, вста- ІСВЧ-знергетика /Лод ред. З. Окресса. М.: Мир, новленими на поверхні Землі. 1971, ТЛ, с.407; ІЕЕЕ-МТТ-Іпієгп. Місгомаме Зутр.,

Тому висунута ще в 50-60-х роках (Капица П.Л. 1976, Р.142-144). Хоча по величині оброблюваного

Злектроника больших мощностей. М.: Изд-во АН НВЧ сигналу одиничний вакуумний діод поступа-

СССР, 1962г., а також більш ранні патенти США ється конвертору, що працює на ефекті циклот-

МеМоб685.956, 787.412, 1119732 і др.| і модифікова- ронного резонансу, можливість послідовно- на в подальший період (пат. США Ме5.068.669 паралельного з'єднання великої кількості діодів в (1991р.) Ме5.218.374 (1993р.) Мео5.293.176 (1994р.); матрицю дозволяє частково спростити і здешеви-

Известия Академии наук, серия Знергетика, М., ти конструювання наземної приймально-випрямної 2004, с. 3-25; пЕрулимлиу.п-со5тов.ги/рарегв системи - ректени (від англ. гесійу - випрямляти і /КІО1.піті| концепція орбітальної сонячної елект- апієппа). роенергетики, яка включає перетворення сонячної Проте проблема невисокої довговічності ламп, енергії в постійний струм і потім за допомогою від- що пов'язана з погіршенням в процесі експлуатації повідних радіотехнічних пристроїв (переважно параметрів катода, і неминучим виникненням ме- магнетронів), що також розташовуються на орбі- ханічних коливань великорозмірних анода і като- тальній платформі, - в НВЧ енергію, яку у вигляді да, накладає серйозні обмеження на вживання цих сфокусованого радіопроменя транспортують на приладів. І в цілому - вказані технічні рішення по

Землю для подальшого перетворення в постійний перетворенню НВЧ енергії в живлячі напруги з струм, дозволяє розв'язати проблему ефективного використанням вакуумних приладів лежать поза використовування сонячного випромінювання. магістральними шляхами розвитку сучасної техні-

Упровадження такої технології актуальне вже чної електроніки, яка базується на використову- сьогодні зважаючи на необхідність покриття все ванні різноманітних фізичних ефектів в напівпро- зростаючого дефіциту енергії - за рахунок отри- відниках. мання великих (мега- і гігаватних) значень потуж- Найближчим по технічній суті і по результату, ності, переважно за рахунок використовування що досягається, до винаходу, що заявляється сонячної радіації. При цьому невирішеною є зада- (прототипом), є напівпровідниковий перетворювач ча перетворення НВЧ енергії високої густини по- НВЧ енергії в енергію постійного струму, що вико- тужності безпосередньо в струм промислової час- ристовується як окремий елемент ректени і міс- тоти. тить напівпровідниковий елемент у вигляді діода з

Відомий електронний НВЧ перетворювач, в бар'єром Шоттки, встановлений у відрізку хвиле- якому використовується явище циклотронного воду і підключений через фільтруючі пристрої до резонансу електронів, саме - НВЧ випромінюван- джерела змінної напруги і резистора, який є опо- ня, взаємодіючи з потоком носіїв заряду електрон- ром навантаження (Тези доповідей Х Всесоюзної ної гармати, забезпечує циклотронне обертання наукової конференції, 20-23 вересня 1983р., Мін- електронів, і в області циліндрового електроду, по ськ, 6.252-253 - доповідь «Аналітичний аналіз на- осі якого проходить електронний потік на шляху до півпровідникового випрямляча ректени»|. бар'єрного електроду і потім до колектора, відбу- Пристрій-прототип нескладний конструктивно, вається перетворення обертальної енергії елект- легко вписується в конструкцію ректени, проте ронів в енергію їх поступального руху. Потужність можливість його функціонування тільки при малих постійного електричного струму виділяється на рівнях вхідної НВЧ потужності, так що навіть не- резисторі (навантаженню), розташованому в лан- значне наднормативне збільшення потужності або цюзі, що сполучає колектор з катодом електронної величини опору навантаження приводить до збі- гармати (Известия ВУЗов. Радиозлектроника. - льшення втрат НВЧ сигналу і, відповідно, до зни- 1978, Т.ХХІ Ме10, с.96-1001. ження коефіцієнта корисної дії, а також до виник-

Очевидна складність такого способу перетво- нення пробою бар'єру через збільшення зворотної рення НВЧ енергії і пристрою, що його реалізовує: напруги на бар'єрі, що знижує надійність функціо- подовжнє магнітне поле, що вимагається для здій- нування випрямляча. Крім того, необхідність кому- снення циклотронного резонансу, повинне мати тації великої кількості модулів, що входять до вельми складну конфігурацію; система живлення складу ректени, через низьку питому потужність фокусуючих електродів, циліндрового електроду з (одиниці ватів) і низьку вихідну питому напругу прискорюючим потенціалом і бар'єрного електроду (1...4 В) істотно знижує надійність функціонування всієї приймально-випрямної системи навіть при коливальному контурі струму промислової частоти незначних перевантаженнях унаслідок лавинного в блок постійної напруги. пробою, а необхідність перетворення постійного Виконання умови по величині добутку концен- струму в змінний струм введенням додаткового трації носіїв заряду (електронів) напівпровіднико- інвертування напруги ускладнює конструкцію і вого матеріалу по на довжину напівпровідникової знижує коефіцієнт корисної дії системи. структури І. забезпечує реалізацію механізму між-

В основу винаходу, що пропонується, постав- долинного перенесення електронів - механізму, лена задача підвищення надійності і коефіцієнта що приводить до утворення в об'ємі напівпровід- корисної дії при одночасному спрощенні конструк- ника негативної диференціальної провідності при ції. напруженості поля 2...7кКВ/см і виникнення елект-

Поставлена задача вирішується тим, що в ричної доменної нестійкості, що забезпечує появу пристрої перетворення НВЧ енергії в змінний зовнішньої (на клемах) негативної провідності на- струм, що містить напівпровідниковий елемент, півпровідникової структури. встановлений у відрізку хвилеводу і підключений Вказаний інтервал подовжнього геометричного через фільтруючі пристрої до джерела змінної розміру напівпровідникової структури відповідає напруги, відповідно до винаходу в якості напівпро- реальним значенням густини НВЧ потужності, що відникового елементу використана напівпровідни- поступає в ректену, і, відповідно, напруженості кова структура, переважно у вигляді круглої або надвисокочастотного електричного поля, що роз- квазіквадратної в поперечному перетині пластини вивається в хвилеводній лінії, при реально досяж- з однорідно легованого матеріалу з негативною них значеннях потужності НВЧ випромінювання, диференціальною провідністю, яка забезпечена яке поступає з орбітальних / фото-НВЧ- металізованими контактними поверхнями - елект- енергоустановок або транспортується між назем- родами, зверненими до широких стінок відрізка ними пунктами генерації НВЧ потужності і її спо- прямокутного хвилеводу, при цьому один з елект- живачами. родів через введений блокувальний дросель підк- Інтервал величини питомого опору р напівпро- лючений до джерела постійної напруги, другий - відникового матеріалу пластини, що зв'язує конце- до коливального контуру, резонансна частота яко- нтрацію і рухливість носіїв заряду, визначений для го відповідає одній з промислових частот, при всіх відомих до теперішнього часу напівпровідни- цьому електрофізичні параметри напівпровіднико- кових матеріалів групи (арсенід галію, фосфід ін- вого матеріалу, геометричні розміри напівпровід- дію, телурид кадмію і т.д.), технологія виробництва никової пластини і частота перетворюваного НВЧ яких достатньо добре освоєна і в яких може бути сигналу зв'язані співвіддошеннями: реалізовано міждолинне перенесення електронів і прі. -(15..45).1 09 см" негативна диференціальна провідність). 0 (24..95).109 с см Співвідношення між концентрацією електронів

Но І -(5..20)мм в напівпровідниковому матеріалі і частотами пере- " " творюваного НВЧ сигналу припускає використову- р.- (02..0,6)Ом. см І | Щ вання двох частот випромінювання - 2450МГЦ і л де по - концентрація носіїв 5800Мгц, виділених Міжнародною комісією по заряду (електронів) в матеріалі пластини, ГІ. - роз- електрозв'язку для використовування в технологі- мір напівпровідникової пластини в напрямі, спів- чних виробництвах і які використовуються розроб- падаючому з напрямом струму (відстань між елек- никами сонячних космічних електростанцій, зва- тродами), р - питомий опір напівпровідникового жаючи на значну радіопрозорість атмосфери для матеріалу, й і їб - частоти НВЧ сигналу, рівні цих частот випромінювання ПЕЕЕ Місгожаме Мад., 24А50МГЦц і 5800МГЦ. 2002, Мо 1, р.36-42; журн. Технологія і конструю-

Розміщення напівпровідникової структури пе- вання в електронній апаратурі, 2007 Меб, с.12-15). реважне у вигляді круглої або квазіквадратної Перераховані конструктивні особливості при- пластини таким чином, що контактні поверхні ле- строю і вказані взаємозв'язки електрофізичних і жать в площині широких стінок прямокутного хви- геометричних параметрів об'ємної напівпровідни- леводу, електрична компонента в якому для осно- кової структури та параметрів перетворюваного вної моди Ніо лежить в площині поперечного НВЧ сигналу, що одержані в ретельно проведених перетину і паралельна вузьким стінкам хвилеводу, теоретичних і експериментальних дослідженнях, забезпечує колінеарність полів - постійного і над- націлені на те, щоб забезпечити виникнення зов- високочастотного, ефективний контролюючий нішньої (на клемах напівпровідникової структури) вплив НВЧ поля на характер формування елект- негативної провідності і виникнення автоколивань ричної доменної нестійкості в об'ємі напівпровід- в підключеному до напівпровідникової структури ника, у тому числі дає можливість забезпечити коливальному контурі, власні частоти якого відпо- режим, при якому реактивна складова провідності відають загальноприйнятим значенням частот напівпровідникової структури мінімальна і при промислових мереж: 50, 60 і 400Гц, при цьому якому забезпечується необхідне узгодження напі- форма коливань повинна бути максимально на- впровідникової структури з хвилеводною лінією - ближена до синусоїдальної. останнє важливо з погляду отримання високих На Фіг.1 приведена електрична схема при- значень коефіцієнта корисної дії пристрою. строю перетворення НВЧ енергії в змінний струм

Блокувальний дросель, що зв'язує блок пос- промислової частоти, на Фіг.2 приведено графічну тійної напруги з напівпровідниковою структурою, побудову, що ілюструє механізм виникнення зов- служить для запобігання попадання розвинутого в нішньої негативної провідності, на Фіг.3 приведені осцилограми коливань, що виникають в низькоча- ня якого приводить до падіння струму при зрос- стотному коливальному контурі, де 1 - джерело танні напруги, так що вольтамперна характеристи- постійної напруги, 2 - блокувальний дросель, З - ка (ВАХ) напівпровідникової структури має вид відрізок прямокутного хвилеводу, 4 - рухомий ко- спотвореної букви М (М-образна ВАХ) і до виник- роткозамикаючий поршень, 5 - фільтр нижніх час- нення негативної диференціальної провідності, 0 - тот, 6 - напівпровідникова структура, 7 - коливаль- кругова частота, Ії - час. ний контур; М, | - напруга на напівпровідниковій Як неважко показати, середнє значення густи- структурі і струм через неї, Імакс - максимальне () значення струму, Імин - мінімальне значення стру- ни струму "7, що протікає через напівпровіднико- му, От - амплітуда надвисокочастотної напруги, ву структуру за рахунок прикладеного до неї пос- що розвивається в хвилеводі за рахунок поступа- тійного Ї надвисокочастотного напруг може бути ючої НВЧ потужності, Окр - критичне значення на- визначено З інтегрального рівняння: пруги на напівпровідниковій структурі, перевищен- ок () -- Їсп(Оо От сової )дої ЧО. Ї 25) до, гл 0 гл 0 а Ц, сової () сп - 00 От сової бути поліпшена за рахунок підвищення добротнос- так що питома провідність т ; ті контуру, і сучасні технології отримання матеріа- лів з високотемпературною надпровідністю дозво- що є функцією постійної («підпираючої») напруги ляють задовольнити цій умові.

Шо і надвисокочастотної напруги Отсо5ої, є нега- Оскільки негативна диференціальна провід- тивною при великих амплітудах надвисокочастот- ність для найбільш освоєного промисловістю ма- ної напруги, і напівпровідникова структура володіє теріалу - арсеніду галію (в Україні виробництво зовнішнім (на клемах) негативним опором, причо- матеріалу освоєно АТЗТ «Чисті метали» м. Світ- му негативним є як статичний, так і диференціаль- ловодськ Кіровоградської області) охоплює діапа- ний опір. зон електричних полів до ЗОкВ/см, то для напівп-

Тому, якщо до напівпровідникової структури, ровідникової структури з подовжнім розміром володіючої зовнішньою негативною провідністю, 10мм, встановленої у відрізку хвилеводу знижено- підключити коливальний контур, на ньому можна го перетину (з поперечними розмірами 90х22,5мм? одержати напругу на резонансній частоті контуру, на частоті 2450Мгц) при забезпеченні надійного у тому числі на промислових частотах. тепловідводу від напівпровідникової структури

Проведені дослідження експериментальних можливе перетворення НВЧ сигналу потужністю зразків перетворювача, в яких джерелами НВЧ до 500кВт при коефіцієнті корисної дії 80-9095. На- сигналу частотою 2450Мгц служили магнетрони віть якщо для забезпечення надійного функціону- типа СА М-1, що випускаються вітчизняною елект- вання пристрою шляхом запобігання електричних ронною промисловістю - Державним підприємст- пробоїв в напівпровідниковій структурі при неод- вом «Генератор» ВО «Октава»; напівпровідникові норідному розподілі електричного поля вхідну НВЧ структури виготовлялися з монокристалічного ар- потужність обмежити 100кВт, то і в цьому випадку сеніду галію фірми Мопзапіо (США) з ретельно матрицю з декількох сотень послідовно- вимірюваними параметрами - концентрації і рух- паралельно з'єднаних випрямуючих діодів з бар'є- ливості електронів; металеві контактні поверхні ром Шоттки по пристрою-прототипу в практичних (електроди) до структур виготовлялися плазмо- реалізаціях ректени можливо замінити одним мо- конденсатним методом (журн. Прилади і техніка дулем-перетворювачем по винаходу, що заявля- експерименту, 1972, Мо3, с.243-245, авт. Погорілий ється.

В.А. і др.Ї; рухомий короткозамикаючий поршень, Можливе паралельне з'єднання модулів- що служить для узгодження напівпровідникової перетворювачів, причому щоб уникнути перевід- структури з хвилеводною лінією і забезпечення битку НВЧ потужності від неповністю злагодженої високої фіксуючої здатності пристрою, виготовляв- з хвилеводною лінією напівпровідникової структу- ся за технологією, представленою в а. с. СРСР ри, перетворювач може бути побудований по мос-

Мо1427445, бюл. Ме36б, 1988, авт. Соколовський І.І. товій схемі, а частина НВЧ потужності, що не бере і ін., в цілому підтвердили основні положення, що участь в перетворенні в струм промислової часто- задекларовані у винаході. ти, в мостовій схемі може бути перетворена без-

На Фіг.3 представлені осцилограми напруг, що посередньо в тепло, що забезпечує, таким чином, розвинулися в коливальному контурі на частоті повне використовування НВЧ потужності, що пос- 50Гу (верхня осцилограма) і на частоті 60Гц (ниж- тупає з орбітальної фото-НВЧ-енергоустановки. ня осцилограма), при цьому при конструюванні Розроблений перетворювач НВЧ потужності в контуру останній був оптимізований по величині струм промислової частоти, як і космічна фото- власної добротності на частоті 50Гц, а його функ- НВЧ-енергетика в цілому, має величезний потен- ціонування на частоті б0Гц (американський стан- ціал розвитку: використовуючи інтенсивний потік дарт) забезпечувалося регулюванням величини сонячного випромінювання, існуючий на геостаці- індуктивності цього ж контуру. онарній орбіті (більше 1,4кВт/м2) з високим змістом

Як видно, форма коливань на обох частотах ділянок спектру, ефективно перетворюваних в максимально наближена до синусоїдальної і може електрику, вдається передавати одержану енергію на поверхню Землі безперервно - незалежно від нтність випромінювання яких дозволяє формувати часу доби і погодних умов. За рахунок нахилу ек- високоіїнтенсивні пучки НВЧ випромінювання від ваторіальної площини до площини екліптики під множини таких джерел за технологією фазованих кутом 23,57 космічна платформа на геостаціонар- антенних решіток і точно направляти їх на Землю. ної орбіті з відповідним чином розміщеними фото- Україна має ракетно-космічну галузь з технологія- електричними перетворювачами постійно освітле- ми розгортання в космосі великогабаритних об'єк- на потоком сонячної радіації і лише в невеликі тів, і хоча комерційні проекти вимагають створення періоди часу (поблизу днів весняного і осіннього ракетоносіїв нового типу, в даний час з викорис- рівнодення, що складають менше 195 від загальної танням існуючих засобів доставки вантажів на гео- тривалості року і ці дні можуть бути легко перед- стаціонарні орбіти можна накопичити значний тех- бачені) космічна платформа потрапляє в тінь Зем- нологічний досвід і підготувати основу для лі. формування комерційних фотоелектричних енер-

В Україні освоєно серійне виробництво фото- гетичних систем. електричних перетворювачів (НВО «Квазар», Ки- Розроблений перетворювач НВЧ енергії в їв), працездатних в умовах відкритого космосу, струм технічної частоти може виявитися корисним магнетронів - важливого компоненту космічних і на всіх стадіях становлення сонячної космічної фото-НВЧ-енергоустановок - з вихідною потужніс- енергетики. тю 6 кВт (типу ША М-3, ВО «Октава», Київ), когере- ка 2 5

Кіш тонни -ї З

КЕ Ж ГІ Я

Ів / А м КІ Я

Ривч ' ШЕ: нан ПІН г г | Ов т ! я ! і

І ; ії е ; : К. ОК нно ми і Ї ння керенннння !

Ї дюн птн тт жетон нс пд пеню тя жало пня паля дано пт пал чан чання чання Я фіг. 1 і макс т и ! і ї їй Ї лише сш ші ул С;

ТУШ деглни нини ий "Укр Гл дон Нк ї ша -- рр . тов - і ОХ и Оротх і

Фіг. й

Її нн в с; 1

У У. ня

ІОВ

ІРО с; о в о о і її с

ПО

КО Ко ек нн и и 5. фіг.

Комп'ютерна верстка Л. Купенко Підписне Тираж 26 прим.

Міністерство освіти і науки України

Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна

ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601