УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВЕТВЛЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПРЯМОЙ И ОТРАЖЕННОЙ МИКРОВОЛНОВОЙ МОЩНОСТИ В КВАЗИОПТИЧЕСКОМ ТРАКТЕ
DEVICE FOR SPLITTING AND RECORDING OF DIRECT AND REFLECTED MICROWAVE POWER IN QUASI-OPTICAL PATHWAY

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для ответвления из высокочастотного сверхразмерного зеркального квазиоптического тракта части как прямой, так и отраженной от нагрузки микроволновой мощности бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях. Изобретение позволяет проводить измерения в широком диапазоне мощностей (1-500 кВт средней мощности) при длительностях импульса до 1-100 миллисекунд и частоте излучения от 30 ГГц до 80 ГГц.
Известны устройства для ответвления и регистрации СВЧ мощности в квазиоптических трактах (RU №2079144, RU №1786560, SU №1814115).
Известны устройства для ответвления и регистрации мощности в СВЧ системах миллиметрового диапазона (RU №2327262, RU №2121736, US 7683734).
Известные устройства не работают при мощностях более 1 кВт при длительностях импульса 1-100 мс в широком диапазоне миллиметровых волн.
Известно устройство для ответвления и регистрации, содержащее корпус с системой регистрации, установленной на нижней и верхней стенках, и делителем пучка, размещенным внутри корпуса (RU 2079144 С2, 10.05.1997).
В известном патенте используются металлодиэлектрические волноводы и направленный делитель мощности с диэлектрической пластиной, смещенной относительно диагонали, или поляризационный делитель мощности, что не позволяет использование больших средних мощностей СВЧ.
Задача предлагаемого изобретения - создание устройства для ответвления и регистрации прямой и отраженной мощности в квазиоптическом тракте большой мощности в диапазоне частот 30-80 ГГц.
Высокий уровень микроволнового излучения представляет специфические требования к диагностической аппаратуре, предназначенной для измерений временной эволюции мощности как прямого, так и отраженного излучения. Во избежание электрических разрядов в областях высоких напряженностей поля необходимо прежде всего отсутствие контактов металла с диэлектриками. Защиту регистрирующей аппаратуры от рассеянного излучения необходимо выполнять с помощью поглощающих экранов.
Одновременно должны быть выполнены требования к микроволновым измерениям в квазиоптических пучках: отсутствие влияния отдельных каналов друг на друга, слабое влияние процесса измерения на характеристики изучаемых пучков, широкий динамический диапазон входного сигнала.
-1
3
Эти условия могут быть выполнены при использовании квазиоптического ответвителя микроволнового излучения с делительной пластинкой, имеющей низкий (1%) коэффициент отражения, поглощающими стенками с низким коэффициентом отражения (-30…-40 дБ) и коллиматором с поглощающими стенками.
-1
3
Техническим результатом изобретения является возможность регистрировать временную эволюцию мощности излучения в квазиоптическом пучке при модуляции мощности в диапазоне частот 10…10 кГц. Необходимо иметь широкий динамический диапазон изменения мощности падающего СВЧ излучения от 0,1 до 0,5 МВт. Для этого решены следующие задачи:
- определение баланса мощностей - поступающей в нагрузку мощности, отраженной мощности;
- определение спектрального состава излучения;
- подавление фоновых сигналов при регистрации полезных.
С учетом сформулированных выше задач было учтено наличие в квазиоптическом тракте неоднородностей, на которых пучок может испытывать отражение и попадать в приемные каналы.
Помехозащищенность регистрирующих детекторных датчиков, усилителей, кабельных соединений и линий связи обеспечивалась использованием экранов из поглощающей резины. Такой подход создает более надежную защиту, чем подавление просачивающегося рассеянного излучения с помощью отражающих металлических экранов, в которых неизбежны щели, через которые происходит проникновение микроволнового сигнала.
Технический результат достигается тем, что устройство для ответвления и регистрации прямой и отраженной микроволновой мощности в квазиоптическом зеркальном тракте содержит корпус с цилиндрами, установленными на нижней и верхней стенках, и делитель пучка, размещенный внутри корпуса, при этом стенки корпуса покрыты слоями профилированного поглотителя, а внутри цилиндров установлены коллиматоры из профилированного поглотителя, в конце каждого коллиматора закреплены детекторные головки, каждая из которых состоит из волновода, соответствующего рабочей частоте, и детектора, перед которым установлена диафрагма, причем перед волноводом размещен дополнительный поглотитель в виде конуса, в вершине которого выполнено отверстие с возможностью изменения диаметра, а перед входной диафрагмой регистратора прямой мощности размещена поляризационная сетка.
Корпус и цилиндры могут быть выполнены из оргстекла.
Делитель пучка может быть выполнен из слабоотражающей и слабопоглощающей пластинки, которая отражает малую (~0,01…0,03) часть мощности.
Поглотитель и коллиматор могут быть выполнены из поглощающего материала с коэффициентом поглощения 30-40 дБ в используемом диапазоне частот.
Диафрагма модет быть выполнена из металлической фольги с отверстием диаметром ≤0,2 мм.
На чертеже представлена схема предложенного устройства.
Для ответвления и регистрации прямой и отраженной мощности был разработан специальный квазиоптический ответвитель. Его конструкция основана на применении делительной слабоотражающей и слабопоглощающей пластинки, которая отражает часть мощности (~0,01…0,03) квазиоптического пучка в регистрирующую систему. При использовании делительной пластинки возможны два варианта измерений. В первом можно регистрировать всю отраженную от пластинки мощность. Во втором регистрируется мощность только определенной части отраженного пучка, выделенная с помощью диафрагм и коллиматора. При измерении прямой мощности СВЧ необходимо избежать попадания в канал регистрации отраженного излучения. При измерении коэффициента отражения рассеянного назад излучения необходимо устранить или учесть отражения от элементов квазиоптического тракта, включая нагрузку, и от элементов квазиоптического ответвителя. Важно также контролировать «просачивание» сигнала прямой мощности в канал регистрации отраженного сигнала.
Устройство (ответвитель) состоит из корпуса 2, изготовленного из оргстекла. В его боковых стенках прорезаны щели для делителя 3 пучка, в качестве которого использованы или слюдяные (мусковит) пластинки толщиной 50…70 мкм, или тефлоновая пленка различной толщины. Часть падающего излучения 1, отразившись от делителя пучка 3, попадает через коллиматор с диафрагмой 5 для регистрации на детектор 6. Верхняя и нижняя стенки корпуса 2 ответвителя покрыты слоями профилированного поглотителя 4 поглощающей резины, профилированной конусами с коэффициентом поглощения около 30-40 дБ в используемом диапазоне частот. На верхней и нижней стенках устройства закреплены два цилиндра 11 и 12 из оргстекла, внутри которых вставлены коллиматоры 5 из той же профилированной поглощающей резины. Конусы на поглощающей резине в центре верхней и нижней стенок срезаны до основания. В конце каждого коллиматора с диафрагмой 5 закреплены детекторные головки 6 и 7, каждая из которых состоит из отрезка стандартного прямоугольного волновода, соответствующего рабочей частоте, и стандартного детектора. Перед детектором помещается диафрагма из металлической фольги с отверстием диаметром ≤0,2 мм. В конце коллиматоров перед волноводом располагается дополнительный поглотитель: конусы из поглощающей резины, в вершине которых образовано отверстие. Изменением диаметра отверстия регулируется ослабление принимаемого сигнала.
Для регистрации отраженного (рассеянного назад) СВЧ излучения 10 была использована схема гомодинного детектирования. Опорный сигнал 9 создавался с помощью отражения от поляризационной сетки 8 (прозрачность 99%), которая помещалась на поглощающих конусах ответвителя перед входной диафрагмой канала регистрации прямой мощности. Нити сетки ориентированы перпендикулярно электрическому вектору отраженной от делительной пластины волны, чтобы не вызывать (в пределах ошибок измерений) ни появления сигнала в канале регистрации отраженного излучения, ни изменения сигнала прямой мощности. Вращение сетки 8 вокруг перпендикулярной к ее плоскости оси (оси коллиматоров) на углы 10…30° приводит к появлению опорного сигнала в канале регистрации отраженного излучения.
Технический результат достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.