ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО СВЧ КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в резонансных СВЧ компрессорах в качестве устройства вывода энергии для формирования мощных СВЧ - импульсов наносекундной длительности.
в
в
Известны интерференционные переключатели резонансного СВЧ компрессора, содержащие Т-образный Н-тройник из стандартного прямоугольного волновода с короткозамкнутым полуволновым плечом и СВЧ коммутатором, расположенным в этом плече на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя [Альварец Р., Бирке Д., Берн Д., Лауэр Е., Скалапино Д., Сжатие СВЧ энергии во времени для использования в ускорителях заряженных частиц. - Атомная техника за рубежом, 1982, №11, С.36-39; D.L. Birx, D.J. Scalapino., A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetic, 1979, V. MAG-15, №1, P.33-35], где λ - длина волны в волноводе. Коммутатор выполнен с газоразрядной диэлектрической трубкой либо без нее. Из-за ограниченной электрической прочности изолирующей среды и малой площади сечения волновода такой переключатель имеет относительно низкую рабочую мощность. Например, в 10-см диапазоне длин волн мощность не превышает 200МВт.
11
01
Известны также аналогичные переключатели на основе Т-образного H-тройника из круглого двумодового волновода, по которому кроме рабочей H волны может распространяться E волна, практически не влияющая на рабочие характеристики переключателя [RU №2328062, Бюл. №18, 2008; RU №2387055, Бюлл. №11, 2010]. Использование такого волновода позволяет более чем в 1,5 раза увеличить площадь сечения по сравнению с круглым одномодовым волноводом и более чем в 3 раза по сравнению со стандартным прямоугольным волноводом. Практически во столько же раз может быть увеличена рабочая мощность переключателя и компрессора. Вместе с тем, по тем же причинам, которые отмечены для переключателей из стандартного прямоугольного волновода, мощность таких устройств также ограничена.
В [Артеменко CH., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ энергии из крупногабаритных осесимметричых резонаторов через сверхразмерную коаксиальную линию. ЖТФ, 1993, Т.63, №2, С.106-112] в качестве устройств вывода из крупногабаритных аксиально-симметричных резонаторов предложено использовать интерференционный переключатель на основе многомодового коаксиального волновода с включенной в волновод радиальной линией. Переключение резонатора из режима накопления в режим вывода осуществляется СВЧ коммутатором, расположенным в линии. Рабочей волной является низшая магнитная либо электрическая аксиально-симметричная волна. Из-за большей площади сечения мощность таких переключателей может быть значительно выше мощности переключателей на основе тройников из прямоугольного либо круглого волновода. Однако аксиально-симметричные переключатели также имеют недостатки, связанные с тем, что волны, на которых идет накопление, могут трансформироваться в другие волны, излучаемые в нагрузку, что может привести к снижению коэффициента усиления компрессора. Кроме того, на выходе устройства такие переключатели требуют преобразования рабочей волны в удобный для применения основной тип волны прямоугольного волновода. Следствием трансформации рабочей волны в паразитные является сильная зависимость переходного ослабления переключателя в режиме накопления от степени идеальности геометрии резонатора и переключателя и нестабильность амплитуды выходного импульса. Следствием также являются дополнительные потери и необходимость применения в выходном тракте трансформатора типа волны.
По технической сущности к предлагаемому устройству наиболее близок переключатель, представленный в [D.L. Birx, D.J. Scalapino., A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetic, 1979, V. MAG-15, №1, P.33-35]. Он взят за прототип.Переключатель разработан на основе Т-образного H-тройника из одномодового прямоугольного волновода с расположенным в короткозамкнутом прямом плече СВЧ коммутатором тригатронного типа. Коммутатор содержит газоразрядную диэлектрическую трубку, установленную на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя, параллельно узким стенкам волновода, в которой локализуется плазма переключающего СВЧ разряда. Переключатель отличается высоким переходным ослаблением в режиме «закрыто», а также сохраняет основную рабочую моду на выходе компрессора, что обеспечивается использованием тройника из одномодового волновода. Вместе с тем, уровень рабочей мощности такого переключателя невысок и ограничен прочностью изолирующей среды и площадью сечения волновода.
Задачей полезной модели является повышение рабочей мощности переключателя с сохранением основной моды прямоугольного волновода в качестве рабочей и расширением оперативных возможностей переключателя.
Технический результат разработки заключается в повышении рабочей мощности переключателя за счет увеличения площади сечения волноводной линии, из которой выполнен переключатель. Результат также заключается в сохранении основной моды прямоугольного волновода в качестве рабочей моды. Этот результат обусловлен выполнением волноводной линии входного и выходного плеча переключателя в виде пакета одномодовых стандартных прямоугольных волноводов, прилегающих друг к другу широкими стенками, а короткозамкнутого плеча - в виде сверхразмерного прямоугольного волновода с поперечным сечением, равным сечению входного (и/или выходного) плеча. Результат, заключающийся в расширение оперативных возможностей, обеспечивается выполнением входного и выходного плеча переключателя в виде пакета волноводов, что позволяет использовать для накопления энергии несколько резонаторов, питаемых от одного источника входных СВЧ импульсов.
a
Указанный результат достигается тем, что в интерференционном переключателе резонансного СВЧ компрессора, как и в прототипе, содержащем Т-образный H-тройник с полуволновым короткозамкнутым плечом и СВЧ коммутатором тригатронного типа с диэлектрической трубкой, расположенной в этом плече на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя, в отличие от прототипа, входное и выходное прямое плечо Т-образного H-тройника выполнено в виде пакета из N одномодовых стандартных прямоугольных волноводов с узкой стенкой b, прилегающих друг к другу широкой стенкой , где N удовлетворяет условию
λ/b/<N<,2L/b,
где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве,
L - длина сверхразмерного накопительного резонатора, удовлетворяющая неравенствам 5λ<L<50λ, а короткозамкнутое полуволновое боковое плечо тройников выполнено в виде отрезка сверхразмерного прямоугольного волновода со стенкой, ортогональной диэлектрической трубке СВЧ коммутатора, равной размеру а широкой стенки одномодового стандартного прямоугольного волновода, и сверхразмерной стенкой, параллельной диэлектрической трубке и равной N(b+2d), где d - толщина стенки одномодового волновода.
Выполнение входного и выходного плеча переключателя в виде пакета параллельных одномодовых волноводов, а бокового плеча сверхразмерным обеспечивает увеличение площади поперечного сечения переключателя и, соответственно, увеличение рабочей мощности. При идентичном поле на входах волноводов входного плеча переключателя такое выполнение обеспечивает сохранение основной моды прямоугольного волновода в качестве рабочей, поскольку по волноводам входного и выходного плеча может распространяться только основная мода, что способствует ее сохранению в выходном тракте устройства. Короткозамкнутое сверхразмерное плечо тройника выравнивает (усредняет) поле в одномодовых волноводах входного плеча переключателя, воздействуя через них на поле в накопительном резонаторе компрессора, улучшает структуру поля и обеспечивает синхронное открывание пакета волноводов. Сохранению на входе и выходе устройства основной моды прямоугольного волновода способствует сохранение геометрии переключателя, идентичной геометрии переключателя на основе H-тройника из одномодового прямоугольного волновода. Перечисленные особенности конфигурации переключателя позволяют осуществлять прямое и обратное преобразование рабочих мод накопительного резонатора, переключателя и выходного волноводного тракта не прибегая к специальным преобразователям мод.
a
a
в
На Фиг.1-3 изображен предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора. Переключатель представляет собой Т-образный H-тройник 1, входное 1a и выходное 1b плечо которого выполнено в виде пакета из N параллельных одномодовых прямоугольных волноводов 2, прилегающих друг к другу широкими стенками , а короткозамкнутое плечо 3 выполнено из сверхразмерного волновода с узкой стенкой  и широкой, равной N(b+2d). Переключатель содержит СВЧ коммутатор 4, расположенный в плоскости симметрии плеча, параллельной сверхразмерной стенке 6, на расстоянии, равном четверти длины волны в волноводе λ/4 от короткозамыкателя 5. СВЧ коммутатор 4 состоит из разрядника подсветки 7 и газоразрядной трубки 8, параллельной сверхразмерной стенке 6 волновода.
01
01
01
01
01
Устройство работает следующим образом. На вход подается сформированная рабочая мода H сверхразмерного прямоугольного волновода, т.е. мода с вектором электрического поля, параллельным узким стенкам b одномодовых волноводов пакета. Эта мода не является основной, но по структуре практически идентична ей. Поэтому, поступая во входные плечи, легко преобразуется в основную моду каждого из волноводов пакета. Далее, в месте сочленения плеч волны этих мод делятся на волны, отраженные от тройника, волны, поступающие в короткозамкнутое плечо 3, и волны, следующие к выходу переключателя. Волна, поступающая в плечо 3, формируется синфазными H волнами одномодовых входных плеч тройника и представляет собой волну H моды. Отражаясь от короткозамыкателя 5, H волна возвращается к месту сочленения плеч, претерпевает обратное преобразование и делится на волны моды Ню, идущие к входу и выходу переключателя. В силу выбора длины короткозамкнутого плеча полуволновой и в силу известных свойств Т-образного H-тройника волны, поступающие на выход устройства из бокового плеча 3 и со стороны входа переключателя, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ - энергии в нагрузку в режиме «закрыто». Волна, излучаемая из бокового плеча в сторону входа переключателя, синфазно суммируется с волной, отраженной от тройника. В результате волны, поступающие на вход переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражаются от тройника. Таким образом, при использовании H волны в качестве рабочей волны накопительного резонатора предлагаемый переключатель в режиме «закрыто» работает как переключатель на основе Т-образного H-тройника из стандартного прямоугольного волновода.
01
После подачи на разрядник подсветки 7 импульса высокого напряжения искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка волновода, инициируя в промежутке свободные электроны и провоцируя развитие СВЧ разряда в электрически наиболее слабом месте - месте максимума электрического поля рабочей моды короткозамкнутого плеча 3. В этом месте расположена газоразрядная диэлектрическая трубка 8, заполненная менее прочным газом, чем газ, заполняющий остальной объем переключателя и резонатор. Поэтому разряд развивается в трубке, генерируя в ней плазму. Развиваясь в максимуме электрического поля, плазма разряда быстро меняет резонансную частоту короткозамкнутого плеча 3, являющегося низкодобротным резонатором в силу неидеального согласования тройника со стороны короткозамкнутого плеча 3. Так как размеры короткозамкнутого плеча выбраны малыми по сравнению с длиной накопительного резонатора, то время пробега волны рабочей моды H вдоль плеча мало по сравнению с временем пробега вдоль резонатора. Поэтому в масштабе этого времени, фаза волны, подводимой к плечу, после развития плазмы быстро меняется на 180°. Это приводит к синфазному сложению волн, излучаемых из входных и короткозамкнутого плеча в нагрузку, и противофазному сложению волн, излучаемых в сторону входа. Таким образом, тройник открывается, и переключатель переходит в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. После этого цикл накопления и вывода повторяется.
Как и в прототипе, часть энергии (1-3 дБ) при переключении теряется в плазме. Кроме потерь в плазме в предлагаемом устройстве имеются потери, связанные с трансформацией рабочей моды в моды паразитные. Однако, т.к. в паразитные моды преобразование идет частичное, то связанные с преобразованием потери не имеют доминирующего значения.
Влияние этих потерь можно оценить, сопоставив их с влиянием потерь в плазме. Согласно известному свойству H-тройника, при полном поглощении волны в боковом плече понижение усиления компрессора составляет 6 дБ. При уровне потерь 1 дБ понижение уменьшается до значения менее 2 дБ. Как показывают оценки, при плазменном канале длиной порядка полдлины волны и диаметром около 1 мм межмодовая связь рабочей моды, например, с родственной модой Ни, приводит к передаче от моды к моде не более 20% энергии. Поэтому потери на преобразование не превысят 2 дБ. Более того, т.к. условия для паразитных мод создаются нерезонансные, то преобразование будет еще слабее. Таким образом, потери в плазме и на трансформации могут понизить усиление на 3-4 дБ.
Повышение коммутируемой мощности достигается за счет увеличения площади сечения переключателя. Оценочно максимальное увеличение определяется следующими двумя ограничениями.
max
g
max
max
max
a
a
a
2
2
3
3
1/2
1/2
Первое связано с ограничением времени пробега волны вдоль сторон бокового плеча. Если T - время двойного пробега волны вдоль резонатора, а допустимое время пробега вдоль плеча, которое должно быть много меньше T, составляет ~0,1 T, то b≈0,1 Tvg≈0,2 Lcm, где v - групповая скорость волны. Поэтому с учетом того, что высота сверхразмерного волновода равна ширине а одномодового волновода, для площади сечения находим S≈0,2 L. Отсюда получаем, что, например, в 3-см диапазоне длин волн для волновода с =2,3 см площадь S≈0,46 Lсм, а в 10-см диапазоне с =7,2 см имеем S≈1,44 Lсм. Так для резонатора длиной около метра площадь составит около 0,2 L≈20(Ν≈20) площадей сечения одномодового волновода 3-см диапазона и около 0,06 L≈6(Ν≈6) площадей для волновода 10-см диапазона. Предельная максимальная длина резонатора задается его допустимым объемом. Согласно формуле Рэлея-Джинса в интервале частот Δf вблизи рабочей частоты f количество ΔN резонансов в резонаторе объемом V можно оценить из соотношения ΔN≈4πVΔf/λf [например, Л.А. Вайнштейн. Открытые резонаторы и открытые волноводы. «Советское радио», Москва. 1966. с.475]. Если принять, что предельная плотность спектра колебаний составляет не более одного резонанса на десять полос пропускания δf резонанса с типичной для сверхразмерного резонатора добротностью Q=f/δf, то соотношение для плотности спектра приобретает вид 1≈40πV/λQ. Далее, учитывая, что V~abL, a - длина широкой стенки стандартного прямоугольного волновода, b≤0,2 L получаем ограничение на длину резонатора в виде L<0,2λ(λQ/a). Типичная величина добротности большинства колебаний сверхразмерных объемных резонаторов составляет значения Q~5×104. Поэтому для предельной максимальной длины получаем L~45λ(λ/a)~50λ. Минимальная длина L определяется верхним пределом величины сверхразмерной стенки b, т.е. для эффективной работы переключателя не должна быть меньше 5λ. Таким образом, длина резонатора должна удовлетворять неравенствам 5 λ<L<50λ.
3
2
3
2
2
max
max
max
a
a
Второе ограничение площади короткозамкнутого плеча связано с тем, что объема бокового плеча должен быть не более величины, при которой плазменный канал обеспечивает быстрое изменение собственной частоты плеча не менее чем несколько полос пропускания резонатора - плеча. В этом случае фаза отраженной от плеча волны меняется практически на 180°. Собственная частота плеча при появлении канала длиной l меняется на величину, определяемую соотношением δf/f≈-377lΕ/360Vlg(2E/r, где E - напряженность электрического поля в месте плазменного канала V, r - радиус канала [Штейншлейгер В.Б. Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах. Гос. Издат-во Оборон. Пром. М.1955, С.113],. Если принять, что n полос пропускания достаточно для инверсии фазы, то из соотношения для изменения частоты получаем выражение для величины b≈377lQE/360nλlg(2l/r), где Q - добротность бокового плеча. Кроме того, плазменный канал должен появиться за время порядка 0,1 Т. Поэтому окончательно для предельной величины сверхразмерной стенки получаем b≈3,77(0,02L)QE2/28.8nlg(2l/r). Расчеты показывают, что, например, при реальной добротности плеча Q ~ 300, числе полос пропускания n ~ 3, длине канала 1 ~ λ/2 и длине резонатора порядка 50 см размеры b, определенные по максимальному времени пробега и по изменению частоты, сопоставимы. Из приведенных оценок следует, что допустимое увеличение площади в 2-3 десятка раз в 3-см диапазоне длин волн и до 10 раз в 10-см диапазоне может обеспечить повышение мощности компрессоров 3-см диапазона до 100МВт и 10-см диапазона до 1 ГВт.
Примеры конкретного выполнения. Исследования переключателя выполнены в два этапа. На первом этапе переключатель изучен как устройство вывода из пачки одномодовых резонаторов. Исследование проведено с целью выяснения условий, при которых переключатель работает наиболее эффективно. На втором этапе оптимизированный переключатель использован как устройство вывода из сверхразмерного резонатора.
2
2
Первоначально переключатель был выполнен из пяти идентичных H-тройников 3-см диапазона длин волн из волновода сечением 23×10 мм. Выбор количества тройников обусловлен размерами плавного перехода с выходным сечением 58×25 мм, использованного в экспериментах по выводу энергии из сверхразмерного резонатора.
2
Коммутирующими были полуволновые короткозамкнутые боковые плечи. В плечах на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя в месте максимума электрического поля параллельно силовым линиям располагалась газоразрядная кварцевая трубка. Через нее в разрядные промежутки подавался газ - аргон либо азот под атмосферным давлением. Подсветка промежутков осуществлялась с торца трубки искрой электрического разряда. В процессе исследований конфигурация боковых плеч варьировалась от плеч, которые были полностью изолированы, до плеч, сильно связанных, вплоть до замены секцией сверхразмерного волновода сечением 58×23 мм.
2
2
01
10
01
10
Система компрессии с пачкой из пяти одномодовых резонаторов 3-см диапазона длин волн также была изготовлена из волноводов сечением 23×10 мм. Волноводы располагались параллельно, были спаяны по широким стенкам и подсоединялись непосредственно к переключателю. Система работала на воздухе при атмосферном давлении. Ее возбуждение осуществлялось через одинаковые окна связи на торцовой стенке. Энергия подводилась на H волне по рупорному переходу, который заканчивался пятью отрезками волновода сечением 23×10 мм. Рупор с отрезками на входах пакета формировал волны основной моды H. К выходу переключателя подсоединялся переход идентичный входному. Он осуществлял суммирование волн волноводов выходного плеча переключателя и обратное преобразование H моды на выходе переключателя в моду H выходного тракта.
2
2
2
2
01
10
В системе компрессии со сверхразмерным накопительным объемом с учетом результатов исследования вывода из одномодовых резонаторов в качестве устройства вывода использовался переключатель с короткозамкнутым плечом из сверхразмерного волновода сечением 58×23 мм. Подсветка разрядного промежутка осуществлялась также как и в системе с пачкой одномодовых резонаторов. Энергия накапливалась в резонаторе из прямоугольного волновода 10-см диапазона длин волн сечением 72×34 мм. Отрезок этого волновода сопрягался с плавным переходом с сечения 72×34 мм на сечение волновода 58×25 мм. К выходу перехода подсоединялся переключатель, а к входу и выходу системы - рупорные переходы, осуществлявшие взаимное преобразование H и H волн.
В качестве источника входных импульсов использовался импульсный магнетрон мощностью 50 кВт при длительности импульсов ~1 мкс и частоте следования до 50 Гц. Генератор высоковольтных импульсов разрядника подсветки обеспечивал формирование импульсов напряжения до 6 кВ.
01(16)
0
0
В процессе работы с пачкой одномодовых резонаторов настроенная система работала на частоте f=9080 МГц на моде колебаний H и имела собственную добротность Q≈7,8×10. Расчетное время двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора составляло 3,8 нс. Поэтому расчетный коэффициент усиления резонаторов, определяемый отношением Q/2πfT, равнялся 15,6 дБ. С учетом 2-3 дБ потерь при выводе ожидаемый коэффициент усиления компрессора составлял ~13 дБ.
2
Исследования на высоком уровне мощности показали, что необходимым условием полной синхронизации вывода через пакет волноводов является сильная связь между коммутирующими плечами тройников. Связь формировалась разными способами - отверстием в стенках соседних коммутирующих плеч в месте прохождения газоразрядной трубки, щелью между торцами этих плеч и короткозамыкателем, а также заменой пакета плеч общим плечом в виде секции сверхразмерного волновода сечением 58×23 мм. При этом степень синхронизма росла по мере увеличения связи между плечами. Для пакета с несвязанными плечами характерна нестабильная картина вывода энергии с разбросом выходных импульсов системы во времени. Введение сильной связи между переключателями однозначно обеспечивает стабильный одновременный вывод энергии из пачки. Вывод в этом случае идет практически за время двойного пробега. При этом максимальное усиление получено при коммутации в аргоне. Коэффициент усиления составил 12дБ при длительности импульсов 3,2 нс и пиковой мощности 0,8МВт.Такой переключатель был использован для вывода энергии из сверхразмерного резонатора.
01(28)
4
При исследовании вывода из сверхразмерного резонатора основное внимание было уделено получению «чистого» рабочей моды колебаний, что необходимо для обеспечения требуемого значения переходного ослабления переключателя в режиме накопления. Поэтому были приняты меры для сохранения правильной геометрии системы и доминирующего возбуждения рабочей моды. Длина системы была выбрана такой, что на частоте 8850 МГц в полосе частот ±25 МГц находился только рабочая H мода колебаний. Измеренная собственная добротность системы была близка к 2×10. Расчетное время двойного пробега волны вдоль резонатора составило ~4 нс. Поэтому максимальный расчетный коэффициент усиления компрессора равнялся ~19,5 дБ. С учетом потерь при выводе ожидаемое усиление составило 16,5-17,5 дБ, что, фактически, и было получено в экспериментах при коммутации в аргоне (~16.5 дБ). При длительности формируемых импульсов 3,5нс их пиковая мощность достигала 2,2 МВт и ограничивалась мощностью источника входных СВЧ импульсов.
Таким образом, продемонстрирована возможность эффективной работы предлагаемого интерференционного переключателя в качестве устройства вывода энергии резонансного СВЧ компрессора. Предлагаемый переключатель может позволить значительно повысить рабочую мощность компрессора при сохранении на выходе основной рабочей моды прямоугольного волновода. Кроме того, возможность распределения входных волноводов переключателя по разным накопительным резонаторам, питаемым от одного источника входных СВЧ импульсов, обеспечивает расширение оперативных возможностей переключателя.