Источник СВЧ излучения

Настоящая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при создании источников СВЧ излучения, предназначенных, в частности, для нарушения функционирования объектов, использующих электронные схемы и компоненты управления и коммутации, как стационарных объектов, так и мобильных, например летающих.
В ряде применений источников СВЧ излучения, например, для функционального поражения стационарных и мобильных, например летающих объектов, использующих электронные схемы и компоненты управления и коммутации, требуется обеспечение напряженности электрических полей на уровне нескольких десятков Кв/м (М.Н. Ясечко, К.В. Садовый, А.А. Ковальчук, О.В. Тесленко «Энергетическое требования к средствам функционального поражения». Системы обозрения и военной техники 2014 №2 (38) стр. 60-62), что возможно при использовании импульсных СВЧ источников, излучающих на мощностях от нескольких сотен мегаватт до нескольких десятков гигаватт в зависимости от необходимой дальности поражения. (Ю.Г. Юшков, П.Ю. Чумерин, С.Н. Артеменко, С.А. Новиков, Д.В. Зеленцов «Экспериментальное исследование воздействия сверхвысокочастотных импульсов на работу персонального компьютера». Радиотехника и электроника 2001, том 46 №7 стр. 1-5)
Экспериментальные исследования показали, что плотность мощности СВЧ сигнала, приводящая к выходу из строя компьютеров, минимизируется в диапазоне длительностей импульса ~1 мксек и в диапазоне длин СВЧ излучения 10÷30 см.
-3
1
2
Известен способ борьбы с беспилотными летательными аппаратами (далее БПЛА) ближнего и малого радиуса действия с помощью электромагнитного излучения дециметрового диапазона длин волн (RU, 2551821, С1) в котором поражение БПЛА осуществляется в дециметровом диапазоне длин волн от 10 см до 20 см с минимальными энергетическими затратами при плотности мощности в зоне поражения 7⋅10-4⋅10 Вт/см.
В настоящее время и в будущем именно борьба с БПЛА, особенно с мини- и нано-БПЛА, представляет серьезную проблему.
Задача создания источника СВЧ излучения для достижения указанных целей нарушения функционирования вышеуказанных объектов, использующих электронные схемы и компоненты управления и коммутации является весьма актуальной.
7
3
Известны технические решения, наиболее близкие к техническому решению настоящей полезной модели, описывающие установки, содержащие релятивистские клистроны, генерирующие импульсную мощность свыше 500 МВт (RU, 2343584, С1; RU, 2507625, С1). Установки содержат: модулятор, формирующий импульсы длительностью до 1 мксек напряжением до 600 Кв; генераторный клистрон с взрывоэмиссионным катодом, рабочим напряжением 600 Кв при электронном КПД 14÷17%; средства откачки клистрона. Главным элементом, определяющим технические параметры установок, является релятивистский клистрон. Установка позволяет формировать импульсы длительностью до 1 мксек. Ресурс установок определяется ресурсом взрывоэмиссионного катода в клистроне и не превышает 10 импульсов, что в случае непрерывной работы с частотой подачи импульсов 10 Гц соответствует работе в течение 3 часов. Недостатки установок связаны с малой эффективностью, малым ресурсом, сложностью и низкой надежностью оборудования, работающего при напряжениях 600 Кв, громоздкостью и большим весом оборудования и невозможностью увеличения импульса более 1 мксек из-за закорачивания промежутка катод-анод плазмой, возникающей на взрывоэмиссионном катоде при токоотборе и прерывающей работу клистрона. Кроме того, высокая концентрация СВЧ мощности вызывает пробои в резонаторах и окне вывода энергии, поэтому предельная мощность такого устройства ограничены. Использование нескольких клистронов для сложения мощности в пространстве вследствие их работы в генераторном режиме невозможно.
Преодолеть указанные ограничения можно, если использовать в качестве излучателей усилители СВЧ - клистроны.
Специалистам в области создания источников СВЧ излучения должно быть понятно, что требуемые уровни излучаемой мощности должны составлять сотни и тысячи МВт, а размеры источников СВЧ излучения должны быть минимальными, причем используемые усилители СВЧ должны обладать, помимо ресурсов и эффективности, также сравнительно невысокими рабочими напряжениями и малыми размерами. Этим условиям отвечают усилительные клистроны пакетированной конструкции. Некоторые параметры известных клистронов приведены в Таблице 1.
Из Таблицы 2 следует, что использование клистронов, в том числе многолучевых, в качестве излучателей СВЧ излучения позволяет, в принципе, реализовать источники СВЧ излучений высокой мощности.
В качестве примера в Таблице 2 приведены оценочные расчеты реализации отдельных излучателей на основе существующих клистронов BTS50-6/10 (вариант №1) с импульсной мощностью 6МВт и разрабатываемых клистронов BTS70-20/20 (вариант №2) с импульсной мощностью 20 МВт.
При проведении оценок считалось, что каждый клистрон работает от отдельного модулятора, масса, объем и стоимость которого соответствуют их значениям для клистрона (на самом деле, значение этих параметров для модулятора гораздо выше). Стоимость клистронов выбрана, исходя из известных аналогов, полученных по международным контрактам.
Из проведенных оценок очевидно, что создание источников СВЧ излучения как на основе существующих, так и на базе разрабатываемых клистронов возможно, но это будут дорогие и громоздкие сооружения, малопригодные для широкого использования. Из данных, показанных в таблице 2, можно сделать вывод, что масса, объем и стоимость излучателей, формирующих источник СВЧ излучения на основе существующих клистронов, чрезвычайно велики, и массовая реализация подобной конструкции маловероятна.
Известен способ и устройство увеличения импульсной СВЧ мощности за счет временного сжатия энергии СВЧ импульсов с помощью резонансных систем: многолучевых клистронов (Р.В. Егоров, И.А. Гузилов, О.Ю. Масленников. «Импульсный 6 МВт БАК многолучевой клистрон». Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], ISSN 1684-1719, 2017. №7: http://jre.cplire.ru/jre/jul 17/3/text.pdf) и резонансных СВЧ компрессоров (Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. «Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности». Москва, Энергоатомиздат, 1984), в которых для временного сжатия импульса используется резонансная система компрессии с коэффициентом усиления 20 дб и степенью сжатия длительности импульса 1500. Длительность импульса на выходе СВЧ компрессора составляет 1 нсек. Недостатки способа и устройства связаны с низкой эффективностью СВЧ компрессора (6-7%) и малой длительностью импульса, не позволяющей складывать излучение нескольких излучателей в пространстве из-за возможного разброса во времени запуска компрессора. Увеличение длительности импульса также не решает проблему сложения излучения, так как первичным источником СВЧ излучения является генератор (магнетрон).
Целью создания настоящей полезной модели является разработка источника СВЧ излучения, обеспечивающего при облучении стационарных или мобильных объектов, использующих электронные схемы и компоненты управления и коммутации, нарушение их функционирования.
Технической задачей при создании полезной модели являлось создание источника СВЧ излучения, позволяющего обеспечить вывод в пространство СВЧ излучения в виде СВЧ импульсов заданной импульсной мощности с возможностью пространственно распределенного размещения его антенн, обеспечивая при этом синхронность вывода СВЧ излучения с возможностью сложения излучения в пространстве.
Предполагаемым техническим результатом являлось создание компактного источника СВЧ излучений, формирующего микросекундные СВЧ импульсы с импульсной мощностью сотни и тысячи мегаватт на основе вакуумных СВЧ клистронов с невысокими рабочими напряжениями и резонансных СВЧ компрессоров.
Эта задача была решена созданием полезной модели источника СВЧ излучения, содержащего усилитель СВЧ излучения, выполненный с возможностью его запитывания от модулятора и включающий клистрон, и средство вывода СВЧ излучения, отличающегося тем, что он содержит:
- источник исходного СВЧ сигнала;
- по меньшей мере, два усилителя СВЧ излучения, включающих каждый:
- модулятор;
- один клистрон, соединенный с указанным источником исходного СВЧ сигнала через последовательно соединенные фазовращатель и аттенюатор и приспособленный для запитывания усилителя СВЧ излучения от указанного модулятора;
- один резонансный компрессор СВЧ излучения, соединенный с указанным клистроном,
при этом указанный модулятор выполнен с возможностью обеспечения заданной длительности импульса напряжения на выходе указанного резонансного компрессора СВЧ излучения;
- в качестве средства вывода СВЧ излучения содержит антенны, приспособленные для вывода излучения с выхода каждого из указанных резонансных компрессоров СВЧ, в количестве, соответствующем количеству усилителей СВЧ излучения.
При этом согласно техническому решению полезной модели в указанных модуляторах заданная длительность импульса напряжения в 2÷8 раз больше заданной длительности СВЧ сигнала на выходе указанных резонансных компрессоров СВЧ излучения.
При этом согласно техническому решению полезной модели указанные модуляторы выполнены с возможностью формирования необходимого для работы клистрона импульсного напряжения в виде прямоугольных импульсов с длительностью Т, равной:
y
1
T=К⋅T,
1
где: T - заданная длительность сигнала на выходе резонансного компрессора;
у
у
К - коэффициент сжатия СВЧ импульса в резонансном СВЧ компрессоре, причем К≤8,
и одновременной подачи указанных импульсов на клистроны каждого из усилителей СВЧ излучения;
При этом согласно техническому решению полезной модели источник СВЧ излучения в качестве указанных клистронов содержит многолучевые клистроны.
В дальнейшем техническое решение полезной модели источника СВЧ излучения поясняется примером его выполнения и прилагаемым чертежом Фиг. 1, на котором показан пример выполнения схемы источника СВЧ излучения, содержащего несколько усилителей СВЧ излучения и несколько антенн.
При этом приведенный пример осуществления полезной модели не является исчерпывающим, не выходит за рамки формулы полезной модели и не ограничивает возможности реализации полезной модели.
Как показано в примере на Фиг. 1, источник СВЧ излучения содержит: один источник 1 исходного СВЧ сигнала; несколько соединенных с ним усилителей 2а СВЧ излучения, по меньшей мере, два, например, как показано в примере схемы на Фиг. 1, и, соответственно, две антенны 6.
При этом каждый усилитель 2а СВЧ излучения содержит: один клистрон 3, соединенный с источником 1 исходного СВЧ сигнала через последовательно соединенные фазовращатель 7 и аттенюатор 8; один модулятор 4; один резонансный компрессор 5 СВЧ излучения, соединенный с указанным клистроном 3, и антенну 6, приспособленную для вывода излучения с выхода указанного резонансного компрессора 5 СВЧ излучения.
Указанные модуляторы 4 усилителей 2а выполнены с возможностью обеспечения заданной длительности импульса напряжения, предпочтительно, в 2÷8 раз больше заданной длительности СВЧ сигнала на выходе указанных резонансных компрессоров 5 СВЧ излучения.
При этом модуляторы 4 выполнены с возможностью формирования необходимого для работы клистронов 3 импульсного высокого напряжения в виде прямоугольных импульсов с длительностью Т, равной:
y
1
T=К⋅T,
1
где: T - заданная длительность сигнала на выходе с компрессора;
у
у
К - коэффициент сжатия СВЧ импульса в СВЧ компрессоре, причем К≤8;
и одновременной подачи указанных импульсов на клистроны 3 каждого из усилителей 2а СВЧ излучения.
у
у
Выбор К в указанном диапазоне К≤8 позволяет обеспечить работу резонансного компрессора 5 СВЧ излучения с КПД не менее 70%.
у
у
у
Коэффициент сжатия СВЧ сигнала К≤8 резонансными компрессорами 5 определяет необходимость обеспечения высокого КПД преобразования. При К=8÷9 КПД может достигать 80%, в то время как при К≥10 он едва достигает 40%.
Источник 1 исходного СВЧ сигнала обеспечивает постоянство частоты СВЧ сигнала, поступающего на все клистроны 3 усилителей 2а, а наличие фазовращателей 7 и аттенюаторов 8 во входной цепи каждого клистрона 3 обеспечивает одинаковую величину фазы СВЧ усилительного клистрона 3 на выходе как каждого клистрона 3, так и каждого резонансного компрессора 5, несмотря на неизбежную разницу конструктивных и эксплуатационных характеристик этих объектов и разброс свойств модуляторов 4.
При этом согласно техническому решению полезной модели источник СВЧ излучения в качестве указанных клистронов может содержать многолучевые клистроны, что обеспечивает возможность уменьшения рабочих напряжений, размеров и массы источника СВЧ излучения по сравнению с использованием однолучевых клистронов.
Такое конструктивное выполнение источника СВЧ излучения обеспечивает возможность увеличения импульсной мощности излучаемого СВЧ сигнала в несколько раз, пропорционального числу используемых усилителей 2а, например в 2 раза (Фиг. 1), с незначительным уменьшением на 20%-30% коэффициента полезного действия всего источника, а использование, соответственно, нескольких антенн исключает опасность пробоя СВЧ излучения и увеличивает плотность СВЧ мощности на различных расстояниях от источника излучения.
у
3
Работа полезной модели источника СВЧ излучения может быть проиллюстрирована на примере работы описанного выше излучателя (Таблица 2), содержащего резонансный компрессор 5, соединенный с клистроном 3 марки BTS50-6/10, работающим от модулятора 4, формирующего импульс длительностью 9 мксек. При этом резонансный компрессор 5 обеспечивает К=4, его объем ~0,3 м, масса - 100 кг (Табл. 2).
Величина мощности сигнала с выхода компрессора 5 составила 24 МВт, и таким образом, коэффициент усиления по мощности составил 52 дб. При этом величина и фаза выходного сигнала может регулироваться использованием стандартных фазовращателей 7 и аттенюаторов 8.
Расчеты показывают, что КПД использования СВЧ мощности, излучаемой клистроном 3, составляет 70÷75% с учетом КПД клистронов, показанных в Таблице 1, КПД системы клистрон - резонансный компрессор составит 45-48%).
Выше в Таблице 2 (варианты 3 и 4) приведены параметры излучателей, содержащих модуляторы, клистроны и компрессоры с импульсной мощностью 500 Мвт и длительностью СВЧ импульса 2 мксек.
Реализация источника СВЧ излучения согласно настоящей полезной модели на основе клистронов 3 и резонансных компрессоров 5 позволяет в несколько раз уменьшить его объем, массу и стоимость по сравнению с использованием в качестве излучателей только клистронов. При обеспечении микросекундных длительностей импульсов ресурс излучателя соответствует величинам, характерным для клистронов 3.
Специалистам в области создания источников СВЧ излучения должно быть понятно, что техническое решение настоящей полезной модели может быть реализовано с использованием известного оборудования по известным технологиям, и быть эффективными при различных применениях, в том числе, для реализации функциональных нарушений при облучении стационарных и мобильных, например летающих, объектов, использующих электронные схемы и компоненты в системах управления и коммутации.