УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НАПРАВЛЕННОГО УЗКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
DEVICE FOR GENERATION OF DIRECTED NARROW-BAND RADIATION OF THE DECIMETER BAND

Изобретение относится к области радиофизики, ВЧ и СВЧ техники, сильноточной электроники и т.д., и может быть использовано для генерации мощного направленного узкополосного электромагнитного излучения дециметрового диапазона при проведении испытаний на электромагнитную совместимость различных объектов инфраструктуры, а также в прочей научно-исследовательской деятельности
Из предшествующего уровня техники известны устройства для генерации СВЧ-излучення на основе систем с виртуальным катодом. Эти устройства содержат источники электронов, выполненные в виде вакуумных камер с катодом и анодом, дрейфовые камеры и рупорные антенны для вывода излучения в открытое пространство [1, 2]. СВЧ-излучение в таких системах порождается колебаниями электронов в промежутке между реальным и виртуальным катодом, а его временные характеристики задаются геометрическими параметрами дрейфовой камеры.
Помимо низкого КПД генерации (≈1%) и большою угла расходимости излучения (до 90°), устройства с виртуальным катодом обладают очень узким набором функциональных возможностей, в частности, способностью формировать СВЧ-излучение только с одной частотой.
Известны устройства на основе релятивистских клистронов с взрывоэмиссионными катодами, генерирующие импульсное СВЧ-излучение [3, 4]. Данные устройства помимо клистронов также содержат системы вакуумирования и специальные модуляторы, формирующие импульсы длительностью не более 1 мкс с частотой подачи импульсов порядка I кГц. Максимальный рабочий ресурс таких устройств ограничен ресурсом катода клистрона и, как правило, составляет не более 10 млн. импульсов.
Генераторы излучения на основе релятивистских клистронов характеризуются сложной громоздкой конструкцией, имеют высокую себестоимость и низкую надежность. Также при проведении ряда исследовательских работ часто определяющим фактором, ограничивающим практическое применение таких генераторов, является очень ограниченный набор функциональных возможностей, к которым относится неспособность формировать СВЧ-излучение с двумя и более частотами.
Наиболее близким к заявляемому устройству является источник СВЧ-излучения, включающий в себя один источник исходного СВЧ сигнала, подключенный параллельно к двум усилителям СВЧ-излучения, выводы которых соединены с входами двух антенн, посредством которых осуществляется направленный вывод излучения в окружающее пространство [5]. Каждый усилитель содержит по два клистрона, модулятора, фазовращателя и аттенюатора, а также по одному резонансному компрессору СВЧ-излучения. Источник исходного СВЧ сигнала обеспечивает постоянство частоты опорного СВЧ сигнала, поступающего на входы усилителей.
Недостатком данного устройства является то. что источник исходного СВЧ сигнала формирует поступающий на входы усилителей опорный сигнал только с одной частотой Как следствие, источник СВЧ-излучения генерирует направленное узкополосное СВЧ-излучение с синусоидальной формой импульсов только одной частоты, что сильно ограничивает его функциональные возможности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для генерации направленного узкополосного излучения дециметрового диапазона с более широкими функциональными возможностями.
Техническим результатом предложенного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для генерации направленного узкополосного излучения дециметрового диапазона за счет обеспечения возможности формирования излучения, слагающегося из различных комбинации двух полос.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для генерации направленного узкополосного излучения дециметрового диапазона, содержащем источник исходного СВЧ сигнала, выход которого подключен параллельно к входам двух усилителей СВЧ излучения, выходы которых в свою очередь соединены с входами двух передающих антенн, новым является то, что параллельно источнику исходного СВЧ сигнала подключен второй источник исходного СВЧ сигнала, перед входами усилителен установлены по одному диоду, причем полярности диодов противоположны, а между выходом одного из усилителей и входом соответствующей ему передающей антенны последовательно включена длинная кабельная линия и переключатель полярности усиленного сигнала.
Подключение второго источника исходного СВЧ сигнала параллельно первому обеспечивает возможность формирования на входах СВЧ усилителей комплексных сигналов с двумя независимыми частотами и, как следствие, позволяет генерировать СВЧ-излучение, содержащие две полосы, и тем самым расширяет функциональные возможности заявляемого устройства.
Использование противоположно направленных диодов, установленных перед входами СВЧ усилителен, позволяет разделять биполярные сигналы с источников исходных СВЧ сигналов таким образом, что на вход одного СВЧ усилителя приходит положительная, а на вход другого - отрицательная компонента исходного биполярного сигнала. Данное разделение в дальнейшем дает возможность формировать задержки между двумя компонентами усиленного электрического сигнала, а также управлять их полярностью, и тем самым расширяет функциональные возможности заявляемого устройства.
Подключение к выходу одного из усилителей длинной кабельной линии позволяет посредством изменения ее длины получать необходимую временную задержку между фиксированными фазами двух компонент усиленных электрических сигналов, поступающих на входы передающих антенн с СВЧ усилителей. Благодаря этому обеспечивается возможность формирования импульсов излучения сложной формы, что расширяет функциональные возможности заявляемого устройства.
Включение переключателя полярности в участок цепи между кабельной линией и соответствующей передающей антенной позволяет управлять полярностью прошедшего по этой линии усиленного электрического сигнала, что в совокупности с регулировкой задержки между двумя компонентами усиленных электрических сигналов обеспечивает возможность формирования излучения с различными сложными формами однополярных и биполярных импульсов, и тем самым расширяет функциональные возможности заявляемого устройства.
На Фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, где 1 - источники исходных СВЧ сигналов, 2 - диоды, 3 - усилители СВЧ-излучения, 4 - длинная кабельная линия, 5 - переключатель полярности, 6 - передающие антенны.
На Фиг. 2 приведены осциллограммы двух первичных синусоидальных импульсов на выходах источников исходных СВЧ сигналов с частотами 500 МГц а), а также с частотами 500 и 750 МГц г), и полученные на их основе импульсы излучаемой мощности б), в) и д), е), соответственно.
Устройство для генерации направленного узкополосного излучения дециметрового диапазона (Фиг. 1) содержит два параллельно соединенных микропроцессорных источника исходных СВЧ сигналов 1, общий выход которых подключен через два противоположно направленных полупроводниковых переключательных СВЧ диода 2 к входам двух широкополосных усилителей СВЧ-излучения 3. Выход одного из усилителей СВЧ-излучения 3 соединен с входом одной из передающих антенн 6 через последовательно включенную длинную кабельную линию 4, формирующую задержку проходящей через нее компоненты усиленного сигнала, и механический переключатель полярности этой компоненты сигнала 5. а выход другого усилителя СВЧ-излучения 3 соединен напрямую с входом другой передающей антенны 6.
Устройство работает следующим образом. При подаче единого цифрового сигнала управления идентичные источники исходных СВЧ сигналов 1, выполненные на основе промышленно выпускаемых генераторов СВЧ сигналов среднего класса, формируют на своих выходах независимые последовательности биполярных синусоидальных сигналов мощностью ~1 мВт с фиксированными частотами ~1 ГГц. Эти сигналы суммируются в общей точке и образуют единый двух полосный биполярный сигнал, который, пройдя через противоположно направленные переключательные СВЧ диоды 2 (2А511А). транслируется на входы двух идентичных промышленно выпускаемых высокочастотных твердотельных усилителей мощности 3 (~1 кВт, ~1 ГГц). При этом на вход одного из усилителей 3 приходит только положительная, а на вход другого только отрицательная компонента суммарного сигнала. Далее эта компоненты усиливаются в одинаковое количество раз (~60 дБм) и передаются на входы идентичных комбинированных логопериодических направленных антенн 6 с коэффициентом усиления ~10 дБ, которые генерируют в открытом пространстве соответствующее компонентам излучение дециметрового диапазона.
Электрическая мощность с выхода одного из СВЧ усилителей 3 поступает к одной из передающих антенн 6 напрямую, а с выхода другого сначала передается в длинную кабельную линию 4, выполненную из отрезка кабеля марки РК-50-3-26. При прохождений через кабельную линию 4 формируется временная задержка данной компоненты усиленного электрического сигнала относительно компоненты, идущей к антенне 6 напрямую. Длина кабельной линии подбирается из условия, что на прохождение одного метра данного кабеля уходит примерно 3,3 нс.
После прохождения длинной кабельной линии 6 однополярная компонента усиленного электрического сигнала транслируется к соответствующей передающей антенне 6 через механический переключатель полярности 5, выполненный на основе стандартного промышленно выпускаемою двухпозиционного тумблера, рассчитанного на максимальное напряжение 380 В и ток 10 А. При одном положении тумблера компонента усиленного сигнала проходит через переключатель полярности 5 без изменений, а при другом - с инверсией.
По достижению компонентами усиленных электрических сигналов входов Соответствующих передающих антенн 6 последние в комплексе друг с другом генерируют в заданной точке открытого пространства двух полосное излучение дециметрового диапазона с импульсами заданной сложной формы и постоянными временными характеристиками, являющимися результатом суперпозиции независимых однополярных импульсов излучения отдельных антенн 6.
Расчеты и предварительные эксперименты показали, что заявленное устройство позволяет генерировать как импульсное, так и непрерывное направленное двух полосное излучение дециметрового диапазона мощностью порядка одного киловатта. В качестве наглядного примера на Фиг. 2 приведены некоторые осциллограммы излучаемой мощности, полученные с помощью численного моделирования процесса функционирования данного устройства в безэховой камере. Предполагается, что заявленное устройство будет использоваться при проведении испытаний на электромагнитную совместимость различных объектов современной микроэлектронной инфраструктуры и в прочей экспериментальной научно-исследовательской деятельности.
Источники информации:
[1] М. Haworth, B. Anderson, et. el, «Operation of repetitively pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser» // IEEE Trans, on Plasma Science, 1991, vol. 19, N 4, pp. 655-659.
[2] H. Sze, J. Benford, et. el. «Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pinched diode» // Phys. Fluids, 29 (11), Nov. 1986, pp. 3873-3880.
[3] RU №2343584, приор. 17.07.2007, Степанов H.B., Селемир В.Д., Воронин B.B., Алехин Б.В., Клистрон, опубл. 10.01.2009.
[4] RU №2507625, приор. 01.08.2012, Птицын Б.Г., Селемир В.Д., Ячный А.В., Клистрон, опубл. 20.02.2014.
[5] RU №191221, приор. 28.09.2018, Масленников О.Ю., Источник-СВЧ излучения, опубл. 30.07.2019.