ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №3
Текст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.3.14
УДК: 537.86
РАЗРАБОТКА ЦИКЛОТРОННО-РЕЗОНАНСНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ
А.П. Гаштури, М.Ю. Глявин, Г.Г. Денисов, И.В. Железнов,
И.В. Зотова, В.Н. Мануилов, С.В. Самсонов, А.С. Сергеев
ФИЦ Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН,
600950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46
Статья поступила в редакцию 19 декабря 2024 г.
Аннотация. В статье рассматривается возможность существенного повышения рабочей частоты циклотронно-резонансных выпрямителей для перспективных систем беспроводной передачи энергии. Такие системы, еще называемые циклотронными преобразователями энергии (ЦПЭ), основаны на поглощении микроволнового сигнала с последующей рекуперацией накопленной энергии. Повышение частоты ЦПЭ может быть достигнуто с использованием взаимодействия цилиндрического электронного пучка с развитой поперечной волноводной модой. Этот принцип хорошо известен для гиротронов, по отношению к которым ЦПЭ можно рассматривать как обращенные системы, которые не генерируют, а поглощают излучение. В статье приведены оценки эффективности ЦПЭ с рабочей частотой 35 ГГц, а также расчеты основных узлов прибора, включая систему формирования пучка и двунаправленного квазиоптического преобразователя для ввода/вывода микроволнового излучения.
Ключевые слова: беспроводные системы передачи энергии, микроволновое излучение, циклотронно-резонансное поглощение, гиротроны.
Финансирование: Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 19-79-30071 (продолжение).
Автор для переписки: Железнов Илья Владимирович, zheleznoviv@ipfran.ru
Литература
1. McSpadden J.O., Mankins J.C. Space solar power programs and microwave wireless power transmission technology // IEEE microwave magazine. – 2002. – Т. 3. – №. 4. – С. 46-57.
2. Shinohara N. Power without wires // IEEE Microwave magazine. – 2011. – Т. 12. – №. 7. – С. S64-S73.
3. Zhu X. et al. Long-range wireless microwave power transmission: A review of recent progress // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2020. – Т. 9. – №. 4. – С. 4932-4946.
4. Ванке В.А., Лопухин В.М., Саввин В.Л. Проблемы солнечных космических электростанций // Успехи физических наук. – 1977. – Т. 123. – №. 12. – С. 633-655.
5. Au N.D. et al. A 5.8-GHz rectifier using diode-connected MESFET for space solar power satellite system // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2022. – Т. 70. – №. 10. – С. 4502-4510.
6. Saito K., Nishiyama E., Toyoda I. A 2.45-and 5.8-GHz dual-band stacked differential rectenna with high conversion efficiency in low power density environment // IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. – 2022. – Т. 3. – С. 627-636.
7. Drubin C. NRL Conducts Successful Terrestrial Microwave Power Beaming Demonstration // Microwave Journal. – 2022. – Т. 65. – №. 7.
8. Mizojiri S. et al. Subterahertz wireless power transmission using 303-GHz rectenna and 300-kW-class gyrotron // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. – 2018. – Т. 28. – №. 9. – С. 834-836.
9. Барденков В.А. и др. О преобразователе СВЧ-энергии с реверсивным магнитным полем // Радиотехника и электроника. – 1976. – Т. 21. – №. 4. – С. 821-828.
10. Ванке В.А. и др. К анализу физических процессов в переходной области циклотронного преобразователя энергии // Радиотехника и электроника. – 1978. – Т. 23. – №. 6. – С. 1217.
11. Ванке В.А. Поперечные волны электронного потока в микроволновой электронике // Успехи физических наук. – 2005. – Т. 175. – №. 9. – С. 957-978.
12. Zhao X. et al. Analysis of the effect of field non-uniformity on energy conversion efficiency in a cyclotron-wave rectifier // Physics of Plasmas. – 2018. – Т. 25. – №. 11.
13. Hu B. et al. A long-distance high-power microwave wireless power transmission system based on asymmetrical resonant magnetron and cyclotron-wave rectifier // Energy Reports. – 2021. – Т. 7. – С. 1154-1161.
14. Nusinovich G.S., Thumm M.K.A., Petelin M.I. The gyrotron at 50: Historical overview // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2014. – Т. 35. – С. 325-381.
15. Litvak A.G., Denisov G.G., Glyavin M.Y. Russian gyrotrons: Achievements and trends // IEEE Journal of Microwaves. – 2021. – Т. 1. – №. 1. – С. 260-268.
16. Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuftin A.N. Perspective gyrotron with mode converter for co-and counter-rotation operating modes // Applied Physics Letters. – 2015. – Т. 106. – №. 26.
17. Denisov G.G. et al. Phase-locking of second-harmonic gyrotrons for providing MW-level output power // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2021. – Т. 69. – №. 2. – С. 754-758.
18. Ginzburg N.S., Nusinovich G.S., Zavolsky N.A. Theory of non-stationary processes in gyrotrons with low Q resonators // International Journal of Electronics Theoretical and Experimental. – 1986. – Т. 61. – №. 6. – С. 881-894.
19. Zotova I.V. et al. Formation of microwave soliton combs under cyclotron resonance interaction of electron beam with counter-propagating waveguide mode // Physics of Plasmas. – 2022. – Т. 29. – №. 10.
20. Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Zotova I.V. Time-domain self-consistent theory of frequency-locking regimes in gyrotrons with low-Q resonators // Physics of Plasmas. – 2015. – Т. 22. – №. 3.
21. Krivosheev P. V. et al. Numerical simulation models of forming systems of intense gyrotron helical electron beams // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. – 2001. – Т. 22. – С. 1119-1145.
22. Проявин М.Д., Глявин М.Ю., Мануилов В.Н. Магнитно-экранированная электронно-оптическая система непрерывного гиротрона с рабочей частотой 24 ГГц // Радиотехника и электроника. – 2017. – Т. 62. – №. 10. – С. 1010-1017.
23. Gashturi A.P. et al. Development of a Two-Channel Quasi-Optical Converter for a Multifrequency Gyrotron in the Range of 176–250 GHz // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2024.
24. Kuftin A.N. et al. First demonstration of frequency-locked operation of a 170 GHz / 1 MW gyrotron // IEEE Electron Device Letters. – 2023.
25. Sobolev D.I., Denisov G.G. Principles of synthesis of multimode waveguide units // IEEE transactions on plasma science. – 2010. – Т. 38. – №. 10. – С. 2825-2830.
26. Chew W.C. et al. (ed.). Fast and efficient algorithms in computational electromagnetics. – Artech House, Inc., 2001.
Для цитирования:
Гаштури А.П., Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Железнов И.В., Зотова И.В., Мануилов В.Н., Самсонов С.В., Сергеев А.С. Разработка циклотронно-резонансного выпрямителя миллиметрового диапазона для перспективных систем беспроводной передачи энергии // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.3.14