邓 强，李天明

（电子科技大学 物理电子学院 国家863计划强辐射实验室，四川 成都 610054）

随着世界经济的发展，能源消耗日益增加，但地球上的能源资源始终有限，寻找新的和可再生利用的能源是摆在能源工作者面前的重要难题。太阳能是取之不尽，用之不竭的，而且还环保，当然是新能源的不二之选。1968年美国的Peter Glaser博士首先提出了卫星太阳能电站（SPS）[1]的构想。由于SPS位于大气层外的空间，太阳的辐照时间长，辐射不受地磁场及大气层性质的影响，能量吸收率高。无线输电技术[2]就在此发挥了关键作用，它可以将同步卫星上的电能转换成微波能量，以微波的形式传输到地面，再在地面最后转换成电能。无线输电技术的两个核心器件：1）将电能转换成微波的微波源；2）将微波转换成电能的回旋波整流器。其中，大功率的回旋波整流器是研究的难点。由于大气层对微波的吸收和散射，必须将微波的频率控制在大气窗口的频率上。一般将微波频率控制在2.45 GHz和5.8 GHz，因为这两个频率点的大气穿透性都很好。文中是研究的是5.8 GHz的回旋波整流器。

1 回旋波整流器

回旋波整流器[3]是一种以自由电子为工作媒质的特殊真空电子器件[4]。它是由电子枪、Cuccia谐振腔、转换区、收集极组成的一种特殊的真空管。管内保持高真空，管外有如图1所示中间倒向的轴向磁场，微波功率注入谐振腔后，在腔的两脊之间产生相当强的横向微波电场。由电子枪发出的笔形电子束以一定初速度沿磁力线注入两脊之间的间隙后，受到轴向磁场与横向微波电场的共同作用。当电子在磁场中的回旋角频率ωC等于微波角频率ω时，电子受到回旋共振加速，横向能量不断增加，回旋半径不断增大，直至在恰当的时机飞出横向场区。然后，绕轴做大回旋运动的电子注进入倒向磁场区，在此区电子受到能量守恒与正则角动量守恒规律的支配，横向迴旋能转变为轴向运动的动能，以相当高的轴向速度射入收集极区。在收集极区电子受到轴向减速场的作用，动能转变为供给负载的电能，从而提供高压、大功率的直流输出。

图1 回旋波整流器的工作原理图Fig.1 Scheme of the cyclotron wave converter

高频互作用系统是器件的基础和核心，所以本文对高频互作用系统进行分析。

2 基本理论

基于均匀场近似非相对论单电子运动的理论可以阐明这种器件中物理过程的主要特点。在回旋波整流器互作用系统中，静磁场和均匀分布的高频电场相互垂直，如图2所示。

图2 回旋波整流器互作用结构示意图Fig.2 Structure diagram of cyclotron wave rectifier interaction

电子从电容左边的端口进入到互作用区，不计空间电荷影响与相对论效应，电子回旋角频率与静磁场的关系为：ωc=eB0/m，回旋频率fc=ωc/2π。当ω无线趋于ωC时，电子横向的速度和位移公式为：

其中E0为互作用区电场幅值，L为互作用区长度，x，y的幅值即为出口处最大回旋半径，从而（1），（2），（3），（4）式确定了场强、腔长、电子初速与电子速度，以及回旋半径之间的关系。同时也清楚地表明了：当ω无限趋于ωc时，电子注在互作用区内犹如一根绳子伏在圆锥的母线上绕z轴做与高频场同步的回旋运动，且与电子的初始相位无关。这样，使得注波互作用充分，互作用效率很容易达到95%～97%，线形性良好性且不受场强幅度的影响[5－6]。

3 仿 真

要使注波互作用充分，首先应通过谐振腔的谐振频率确定谐振腔的尺寸。谐振腔的参数和结构如图3所示。

图3 3 Cuccia谐振腔结构Fig.3 Structure of Cuccia cavity

由于选取的工作频率是f=5.8 GHz，经过设计和仿真，得到如下谐振腔的各个参数。

表1 5.8 GHz回旋波整流器高频结构设计参数Tab.1 Parameters of cyclotron wave rectifier cavity at 5.8 GHz

图4是利用CST微波工作站计算所得到的腔的高频电磁场分布，表明电场主要集中在两极板之间，分布基本均匀，磁场主要集中在支持杆的周围。

图4 冷腔磁场和电场分布Fig.4 Magnetic field and electric field distribution

为了进一步证明注波互作用的效率，通过MAGIC仿真结果如图5所示。仿真是在5.8 GHz，输入微波功率10 kW，电子枪输出的电子注电流为0.5 Amps，加速电压为4.291 kV的条件下进行的。

图5 高频结构横向图和剖面图Fig.5 Cross section and profile of the cavity

图6 Magic仿真结果图Fig.6 Result of the Magic simulation

如图6所示，电子的入射功率为2.14 kW，微波的注入同轴线的功率为9.93 kW，电子的出射功率为11.98 kW。最后可以算出能量转换的效率为98.7%。

4 结 论

本文运用CST确定了谐振腔的各个参数，描述了高频结构中的场的分布；再用Magic进行粒子模拟，设计出的回旋波整流器的高频结构在电子与场的同步运动时具有很高的能量转化效率。

在无线输电技术中扮演关键器件角色的回旋波整流器是一种非常值得研究的器件。

[1]王秩雄，王挺，乔斌.无线输电技术与卫星太阳能电站的发展前景[J].空间电子技术，2006（2）:6-12.WANG Zhi-xiong，WANG Ting，QIAO Bing.Development prospect of wireless transmission technology and satellite solar power station[J].Space Electronic Technology，2006（2）：6-12.

[2]王秩雄，胡劲蕾，梁俊，等.无线输电技术的应用前景[J].空军工程大学学报：自然科学版，2003，4（1）:82-85.WANGZhi-xiong，HU Jing-lei，LIANGJun，et al.Application prospect of wireless transmission technology[J].Journal of air Force Engineering University：Natural Science Edition，2003，4（1）：82-85.

[3]Vladimir A.VANKE.Cyclotron wave converter of microwaves into DC[J].Ieice Trans Electron，1998，E81-C（7）：1136-1296.

[4]刘盛纲.微波电子学导论[M].北京:国防工业出版社，1983.

[5]赵晓云，李家胤，孙治国.回旋波整流器高频系统设计与粒子模拟研究[J].微波学报，2008（4）：71-76.ZHAO Xiao-yun，LI Jia-yin，SUN Zhi-guo. Study of cyclotron-wave rectifier resonator and PIC simulation[J].Journal of Microwaves，2008（4）：71-76.

[6]赵晓云.基于回旋谐振机制的特殊电真空器件研究[D].成都：电子科技大学，2011.