РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.
в
в
в
Известен ряд оригинальных конструкций резонансных СВЧ компрессоров, работающих на основе накопления и быстрого вывода СВЧ энергии в резонансном объеме [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. Наиболее распространенными среди них являются компрессоры, накопительный объем которых выполнен из одномодового прямоугольного либо круглого волновода, а устройство вывода организовано в виде интерференционного переключателя на основе T-образного волноводного H-тройника [RU патент №2328062, публ. 27.06.2008; В.А. Августинович, С.Н. Артеменко, В.Ф. Дьяченко, В.Л. Каминский, С.А. Новиков, Ю.Г. Юшков. Исследование переключателя СВЧ компрессора с коммутацией в круглом волноводе. ПТЭ, 2009, №4, с. 106-109]. Одно из прямых плеч такого переключателя используется в качестве накопительного объема и имеет длину nλ/2, где n>>1, λ - длина волны в волноводе. Второе прямое либо боковое плечо выполняется полуволновым и ограничивается короткозамыкателем. В этом плече на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя размещается СВЧ коммутатор, соединенный с источником управляющих сигналов. Свободное плечо связывается с нагрузкой и через него осуществляется вывод энергии. Мощность резонансных СВЧ компрессоров с выводом энергии через интерференционный переключатель определяется электрической прочностью коммутатора. В таких компрессорах коммутируемая мощность практически равна мощности бегущей волны резонатора, т.е. предельной мощности выходных импульсов компрессора. Например, в 10-см диапазоне длин волн этот уровень, обычно, не превышает 400-500 МВт. Из-за потерь при выводе он снижается до 250-300 МВт [RU патент №2387055, публ. 20.04.2010].
С целью увеличения мощности импульсов при неизменном уровне коммутируемой мощности в [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, №10, p. 2475-2480] предложен СВЧ компрессор с симметричным накопительным резонатором и устройством ввода-вывода энергии на основе двойного волноводного тройника. Ввод энергии осуществляется через элемент ввода в E-плоскости тройника, а вывод - через элемент вывода на основе тройника в H-плоскости. В одном из плеч резонатора, на расстоянии четверти длины волны в волноводе от короткозамыкателя плеча, располагается СВЧ коммутатор. Такое исполнение устройства позволяет выводить энергию одновременно из обоих плеч через один общий выходной волновод. Теоретически, в случае коммутации без потерь, одновременный вывод может обеспечить двукратное повышение мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора при двукратном укорочении импульсов по сравнению с временем двойного пробега волны вдоль резонатора. Поэтому мощность импульсов компрессора с симметричным резонатором, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 500-600 МВт.
Известен также СВЧ компрессор с выводом энергии из двух идентичных накопительных резонаторов через интерференционный переключатель в виде волноводного моста, который собран на основе двух Н-тройников с общим боковым плечом и расположенным в этом плече СВЧ коммутатором [Августинович В.А., Артеменко С.Н., С.А. Новиков. Волноводный мост как элемент вывода энергии резонансного СВЧ компрессора. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2008, т. LI, №3, с. 216-222]. Такое исполнение переключателя позволяет выводить энергию одновременно из обоих резонаторов через два выхода моста и, используя H-тройник как суммирующее устройство, суммировать импульсы этих выходов в боковом плече тройника как общем выходном волноводе. Кроме того, при согласованных со стороны бокового плеча тройниках такой переключатель допускает двукратное повышение мощности бегущей волны накопительного резонатора по сравнению с симметричной системой [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, №10, p. 2475-2480]. Энергия в резонаторы подается через делящее устройство в виде волноводного E- либо H-тройника. В качестве суммирующего устройства используется также E- либо H-тройник, в прямые плечи которого подводятся суммируемые импульсы, а боковое плечо служит общим выходом. Поскольку переключение резонаторов в режим вывода осуществляется одним коммутатором, то суммируемые импульсы синхронны и синфазны. В случае коммутации без потерь одновременный вывод из двух резонаторов может обеспечить двукратное повышение мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью бегущей волны каждого из резонаторов и четырехкратное по сравнению с мощностью волны в симметричной системе [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, №10, p. 2475-2480]. Поэтому теоретически мощность импульсов такого компрессора, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 0,8-1 ГВт.
в
В известном СВЧ компрессоре с симметричным одномодовым накопительным резонатором, имеющим длину, кратную нечетному числу полуволн в волноводе [RU патент №2440647, публ. 20.01.2012], устройство ввода энергии выполнено со стороны бокового плеча H-тройника, расположенного по центру резонатора. Устройство вывода организовано на основе двух H-тройников, включенных симметрично в короткозамкнутые плечи резонатора на расстоянии nλ/2 от соответствующего короткозамыкателя. Кроме того, к боковым (выходным) плечам тройников симметрично прямыми плечами подсоединен выходной суммирующий H-тройник, а СВЧ коммутатор с газонаполненной трубкой размещен в центре резонатора. По сути, накопительный резонатор компрессора разделен на четыре практически равные части, из которых вывод энергии осуществляется одновременно. Такая конструкция компрессора теоретически позволяет получать на выходе устройства импульсы, мощность которых четырехкратно превышает мощность бегущей волны резонатора.
Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому устройству является резонансный СВЧ компрессор [V.A. Avgustinovich, S.N. Artemenko, S.A. Novikov and Yu.G. Yushkov Synchronous energy extraction through four output ports of microwave compressor Review of Scientific Instruments 84, 066107-1-3 (2013)] с накопительным резонатором в виде двух идентичных короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов, которые расположены в E-плоскости и ортогонально пересекаются по центру, образуя крест. В месте пересечения отрезки объединены в единую резонансную систему через четыре окна связи, выполненные в цилиндрической стенке проходного резонатора в полное сечение волновода. Проходной резонатор имеет диаметр и длину сопоставимую с широкой стенкой волновода. Его рабочая частота равна частоте накопительного резонатора, а четыре окна связи обеспечивают сильную связь с волноводами и коэффициент усиления близкий к единице. Устройство ввода энергии выполнено в виде секции прямоугольного волновода, подсоединенной к центру одной из торцевых стенок проходного резонатора. Стенки этого волновода ориентированы под углом 45° к отрезкам накопительного резонатора. На второй торцевой стенке проходного резонатора расположен разрядник подсветки СВЧ коммутатора с газоразрядной трубкой. Разрядной областью коммутатора является объем проходного резонатора. Устройства вывода представляют собой четыре H-тройника, прямыми плечами встроенные в волноводные отрезки на расстоянии четверти длины отрезка от проходного резонатора. Тройниками и проходным резонатором накопительный объем делится на восемь равных частей. К боковым плечам тройников подключено суммирующее устройство в виде турникетного соединения с входными прямоугольными волноводами и круглым волноводом, являющимся выходом компрессора. Этот резонансный СВЧ компрессор взят за прототип.
Задачей является создание СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности.
Технический результат заключается в увеличении мощности выходных импульсов компрессора за счет увеличения объема накопительного резонатора и количества каналов вывода энергии.
в
в
a
a
а
Указанный результат достигается тем, что резонансный СВЧ компрессор, как и прототип, содержит резонатор, накопительный объем которого выполнен из двух идентичных короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов, имеющих длину L=2nλ, где λ - длина волны в волноводе, n - целое число от 2 до ~10, расположенных в E-плоскости и ортогонально пересекающихся по центру, образуя крест, в месте пересечения отрезки объединены через окна связи, выполненные в цилиндрической стенке проходного резонатора в полное сечение волновода диаметром 2R≈, где  - максимальный поперечный размер волновода секций, СВЧ коммутатор с газоразрядной трубкой, устройство ввода и устройство вывода энергии на основе H-тройников, суммирующее устройство, подключенное к выходам устройства вывода. В отличие от прототипа, резонатор имеет дополнительный накопительный объем идентичный первому, объемы расположены соосно и плоскопараллельно по принципу зеркального отображения и их проходные резонаторы объединены в общий проходной резонатор длиной ℓ≈3, газоразрядная трубка СВЧ коммутатора ориентирована под углом ±45° к волноводным отрезкам накопительных объемов и размещена в центре общего проходного резонатора посредине между объемами, а устройство ввода выполнено в виде двух волноводных секций, одним торцом и по одной подсоединенных к торцевым стенкам проходного резонатора, вторым торцом симметрично подключенных к прямым плечам входного делящего H-тройника и стенки секций ориентированы под углом ±45° к волноводным отрезкам накопительных объемов, а выходы суммирующих устройств симметрично подсоединены к прямым плечам суммирующего выходного H-тройника.
в
в
11(3)
в
а
a
На Фиг. 1, 2 приведена схема предлагаемого резонансного СВЧ компрессора. Компрессор представляет собой накопительный резонатор в виде двух идентичных резонансных объемов, каждый из которых представляет собой две ортогональные короткозамкнутые волноводные секции 1 длиной L каждая, лежащие в E-плоскости и образующие крестообразный резонансный объем. Объемы объединены через окна связи 2 по краям цилиндрической стенки встроенного общего проходного резонатора 3, радиус которого R≈0,315ℓ и длина ℓ≈3, с СВЧ коммутатором 4 и устройством ввода энергии в виде двух волноводных отрезков 5. Газоразрядная трубка 6 СВЧ коммутатора 4 расположена в центре общего проходного резонатора 3, посредине между накопительными объемами и ориентирована под углом ±45° к волноводным секциям 1. Устройство ввода энергии 5 в виде двух волноводных отрезков выполнено из стандартного прямоугольного волновода и подсоединено к торцевым стенкам встроенного резонатора 3, соосно с ним, по одному волноводному отрезку 5 на каждой стенке, а узкие стенки отрезков ориентированы параллельно газоразрядной трубке 6. Свободные торцы отрезков 5 симметрично подсоединены к прямым плечам входного делящего H-тройника. Встроенный общий проходной резонатор 3 имеет радиус (R≈0,375λ) и длину (ℓ≈3), обеспечивающую на рабочей частоте накопительных объемов его работу на H виде колебаний. Устройства вывода энергии идентичных накопительных объемов идентичны и каждое из них состоит из четырех H-тройников 7, прямыми плечами включенных в волноводные секции 1 накопительных объемов резонатора на одинаковом расстоянии от соответствующего короткозамыкателя 8, равном 0,25L=nλ/2. H-тройники 7 включены так, что их боковые плечи ортогональны плоскости, в которой расположены волноводные секции 1 накопительных объемов и в каждом объеме ориентированы в одном направлении. К боковым плечам H-тройников 7 каждого накопительного объема подсоединены входные волноводы 9 суммирующих устройств, с прямоугольными входными волноводами 10 и выходными круглыми волноводами 11, которые являются выходами компрессора.
11(3)
Предлагаемый резонансный СВЧ компрессор работает следующим образом. В двух накопительных объемах резонансной системы, каждый из которых выполнен в виде двух одномодовых ортогональных волноводных секций 1, через волноводные отрезки 5 и окна связи 2 накапливается СВЧ энергия. При этом волноводные отрезки 5 устройства ввода ориентированы под углом 45° по отношению к секциям 1 накопительных объемов и питаются через H-тройник, прямые плечи которого симметрично подсоединены к отрезкам, в силу чего в проходном цилиндрическом резонаторе 3, через который идет накопление, возбуждается H вид колебаний. Возбуждение этого вида обусловлено соответствующим выбором диаметра и длины резонатора. Плоскость поляризации P-P рабочего вида колебаний этого резонатора при отмеченной ориентации волноводных отрезков 5 устройства ввода лежит в плоскости симметрии накопительной системы компрессора, ориентированной под углом 45° относительно волноводных секций 1 системы. Это обеспечивает равномерное распределение энергии по накопительным объемам. Этому же способствует идентичное исполнение окон связи секций с проходным резонатором, которые выполнены в полное сечение волновода секций. При этом H-тройники 7 устройства вывода включены в волноводные секции 1 симметрично между общим проходным резонатором 3 и короткозамыкателями 8 секций, поэтому при четном числе вариант поля в половине длины волноводной секции боковое плечо каждого H-тройника оказывается в узле стоячей волны. В силу этого излучение в нагрузку в режиме накопления практически отсутствует. После завершения процесса накопления в общем проходном резонаторе 3 включается быстродействующий СВЧ коммутатор 4. Это приводит к быстрому изменению резонансной частоты встроенного резонатора и инверсии фазы отраженных от него волн. В результате в плоскости симметрии Н-тройников 7, т.е. в месте расположения бокового плеча тройников устанавливается пучность стоячей волны и начинается излучение волны в нагрузку. Таким образом, тройники открываются, и начинается процесс вывода энергии. Энергия через каждый тройник выводится в течение четвертой части времени двойного пробега волны вдоль каждой из четырех волноводных секций резонансной системы. Далее энергия поступает в суммирующие устройства 9 и выводится в нагрузку с восьмикратным увеличением мощности по каждому выходу 11 компрессора и возможным шестнадцатикратным усилением после суммирования по сравнению с мощностью бегущей волны резонансной накопительной системы. Восьмикратное увеличение мощности выходного импульса по сравнению с мощностью бегущей волны накопительного объема достигается за счет восьмикратного уменьшения длительности выходного импульса по сравнению с временем двойного пробега рабочей волны вдоль двух волноводных секций объема. Повышение рабочей мощности обеспечивается увеличением накопленной энергии из-за увеличения объема резонансной системы и количества каналов вывода энергии при фиксированном уровне коммутируемой мощности. При фиксированной мощности входных импульсов увеличение объема накопительной резонансной системы приводит к понижению напряженности поля в резонаторе и, соответственно, к повышению стабильности параметров выходных импульсов компрессора. Шестнадцатикратное увеличение достигается после суммирования выходных импульсов двух выходов компрессора. Суммирование осуществляется в H-тройнике, прямыми плечами подсоединенном к выходам компрессора (суммирующих устройств).
2
В качестве примера конкретного исполнения предлагаемого устройства рассмотрим результаты исследования макета предлагаемого резонансного СВЧ компрессора 3-см диапазона длин волн. Для накопления в макете использовалось два идентичных накопительных объема, каждый из которых был выполнен из двух короткозамкнутых прямоугольных волноводных отрезков сечением 23×10 мм и длиной ~650 мм каждый. В центральной части отрезки ортогонально пересекались с цилиндром встроенного резонатора диаметром 26 мм и длиной 69 мм. Восемь окон связи резонатора с отрезками были выполнены в полное сечение волновода и располагались симметрично через 90° по краям встроенного резонатора. Возбуждение системы осуществлялось через окна в центре торцовых стенок этого резонатора. Подвод энергии к окнам осуществлялся по входным волноводным отрезкам через Н-тройник. Стенки входных отрезков прямоугольного волновода были ориентированы под углом 45° по отношению к секциям волноводов накопительных объемов, при этом узкие стенки отрезков были параллельны кварцевой трубке СВЧ коммутатора.
10(56)
11(3)
Волноводные отрезки резонансной системы работали на виде колебаний H на частоте 9,15 ГГц, а встроенный резонатор - на виде H с плоскостью поляризации, ориентированной под углом 45° по отношению к волноводным секциям резонатора. Такое расположение плоскости поляризации и идентичность окон связи встроенного резонатора с секциями обеспечивали практически равномерное распределение энергии по объему системы. Это установлено сравнением сигналов на выходах накопительных объемов в режиме «открыто». Четыре Н-тройника устройств вывода каждого из объемов располагались посредине между короткозамыкателями отрезков и встроенным резонатором. Боковые плечи тройников служили выходами накопительных объемов.
3
Измеренная собственная добротность системы составила 6,1×10. Расчетное время двойного пробега вдоль накопительных объемов резонатора составляет ~25 нс. При такой добротности и таком времени пробега расчетный коэффициент усиления системы равен 6,3 дБ. Поэтому при выводе энергии без потерь на выходе компрессора можно получить импульсы с усилением 18,3 дБ и длительностью в шестнадцать раз меньше времени пробега, т.е. около 1,6 нс. С учетом потерь при коммутации, составляющих 2-3 дБ, ожидаемое усиление составляет 15-16 дБ. При этом увеличение объема в два раза понижает напряженность поля в накопительной системе в 1,41 раза. Это позволяет увеличить мощность входных импульсов в два раза и, соответственно, в два раза увеличить мощность формируемых импульсов.
11(3)
11(3)
Система работала на воздухе при атмосферном давлении. Переключение в режим вывода осуществлялось СВЧ коммутатором с подсветкой искрой электрического разряда, инициируемого в центре встроенного резонатора. В этом месте в объеме этого резонатора на полувысоте цилиндра находится максимум электрической составляющей поля центральной варианты H вида колебаний. Здесь в смеси аргона с воздухом либо на воздухе при атмосферном давлении зажигался коммутирующий СВЧ разряд. Смесь готовилась подачей аргона в заполненную воздухом тонкостенную кварцевую трубку, ориентированную по силовой линии электрического поля центральной варианты H вида колебаний в максимуме поля. При коммутации в такой смеси был получен максимальный коэффициент усиления ~5 дБ по каждому выходу при длительности импульсов ~1,6 не по уровню -3 дБ. Суммирование импульсов увеличивало усиление на 9 дБ, тогда как длительность импульса оставалась практически неизменной. Максимальное усиление суммарного импульса достигало ~14 дБ. Так как переключение в режим вывода осуществлялось одним коммутатором, то это исключало проблемы с суммированием. При мощности входных импульсов 50 кВт и длительности ~1 мкс максимальная мощность выходных импульсов составила немногим более 1.2 МВт. По сравнению с расчетной мощностью коммутируемой волны увеличение мощности выходных импульсов достигало трехкратного значения. Отличие измеренного усиления от расчетного обусловлено потерями при коммутации и малым временем пробега волны от короткозамыкателя до выходного канала, сопоставимым с временем развития СВЧ разряда. За время пробега порядка 1,6 не разряд не успевал полностью развиться.
Таким образом, продемонстрирована работоспособность четырехканальной системы компрессии СВЧ импульсов с синхронным выводом энергии. Достигнуто трехкратное превышение мощности выходных импульсов над мощностью коммутируемой волны при длительности импульсов, равной одной восьмой времени двойного пробега рабочей волны вдоль накопительного резонатора. Заниженное превышение мощности обусловлено потерями при коммутации и сопоставимостью времени вывода энергии и времени переключения резонатора из режима накопления в режим вывода. Оценки показывают, что выполнение исследованной системы из круглого волновода может обеспечить формирование наносекундных импульсов СВЧ мощностью до ~0,1-0,2 ГВт в 3-см диапазоне длин волн и до ~2 ГВт в 10-см диапазоне, что приблизительно в два раза выше мощности компрессора-прототипа.