ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 3 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Разработка циклотронно-резонансного выпрямителя миллиметрового диапазона для перспективных систем беспроводной передачи энергии

А.П. Гаштури1, М.Ю. Глявин1, Г.Г. Денисов1, И.В. Железнов1, И.В. Зотова1, В.Н. Мануилов1, С.В. Самсонов1, А.С. Сергеев1

1 ФИЦ Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН, Нижний Новгород, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.3.14 УДК 537.86 EDN PFTQVK

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.

  • беспроводные системы передачи энергии
  • микроволновое излучение
  • циклотронно-резонансное поглощение
  • гиротроны
Abstract (in English)

Development of a millimeter-wave cyclotron resonance rectifier for advanced systems of wireless energy transmission

We discuss the possibility of significantly increasing the operating frequency of cyclotron resonant rectifiers for advanced systems of microwave wireless power transmission. Such systems, also called as cyclotron energy converters, are based on the absorption of a microwave signal with subsequent recovery of the accumulated electron energy. Increasing the frequency of cyclotron energy converter can be reached by using the interaction of a large-radius cylindrical electron beam with a high-order transverse waveguide mode. This principle is well known for gyrotrons; thus, the cyclotron energy converter can be considered as an “inverted” gyrotron that do not generate, but absorb radiation. The paper contains estimations of the efficiency of the cyclotron energy converters with an operating frequency of 35 GHz, as well as a principal design of its main components, including an electron optical system and a two-directional quasi-optical converter for input/output of microwave radiation.

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

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.