ВЫСОКОМОЩНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ, ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ И АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ ТАКИХ МИКРОВОЛНОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
HIGH-CAPACITY MICROWAVE GENERATOR FOR RADIATION OF SHORT PULSES, ITS APPLICATION IN ANTENNA ARRAY AND ANTENNA ARRAY OF SUCH MICROWAVE GENERATORS

Изобретение относится к микроволновому генератору в соответствии с ограничительной частью пункту 1 формулы изобретения и к его применению согласно пункту 10 формулы изобретения, а также к антенной решетке (сложной антенне) из таких микроволновых генераторов.
Такого рода генератор, обозначаемый также как DS-HPM (damped sinusoidal power microwavegenerator - мощный микроволновый генератор затухающих синусоидальных колебаний), известен из DE 10313286 B3. Для заряда его резонатора высоким напряжением предпочтительно используют так называемый генератор ударного напряжения Маркса (в дальнейшем именуемый просто генератором Маркса), в котором некоторое число конденсаторов параллельно заряжается до высокого напряжения, а затем включается через искровые промежутки последовательно для выдачи разрядного тока при соответствующем многократном разрядном напряжении. Таким образом заряжается емкость резонатора, последовательно подключенного к генератору Маркса. Резонатор оснащен искровым промежутком для короткого замыкания его емкости при превышении конструктивно обусловленной прочности на пробой его искрового промежутка постоянным напряжением, а также антенной с дипольной характеристикой для излучения наводимого в этом случае сильным колебательным импульсным разрядным током электромагнитного поля.
Согласно DE 10313286 B3 несколько сконструированных таким образом резонаторов объединены в группу (антенную решетку) и подключены к общему генератору Маркса для параллельной зарядки током высокого напряжения. Их искровые промежутки по возможности рассчитаны на одинаковое пробивное напряжение, так что разрядные токи емкостей резонаторов по мере возможности возникают все одновременно. Результирующее отсюда временное наложение переменных полей, обусловленных протеканием разрядного тока, в поле дальней зоны определяет пространственную геометрию желательно сильной в интересах дальнодействия фокусировки результирующей групповой характеристики излучения по направлению.
Однако излучения отдельных резонаторов, работающих таким образом параллельно без запуска, если не считать соответствующей постоянной времени заряда и характеристики параметра срабатывания их искровых коммутирующих промежутков, в частности, также в соответствии с длинами питающих линий генератора Маркса, фактически неизбежно инициируются с некоторым сдвигом по времени. Это, соответственно, отрицательно сказывается на желательной фокусировке, т.е. на радиусе действия характеристики излучения; а на практике это ведет к почти не предсказуемому и уже поэтому почти бесконтрольному даже методами управления отклонению направления излучения от направления нормали к антенной решетке. Поэтому у оперативно эксплуатируемых микроволновых генераторов с такого рода групповыми компоновками резонаторов, запитываемых из общего источника постоянного тока, отдельные искровые промежутки которых в целях достаточного дальнодействия их интерферирующих излучений все должны срабатывать во временном интервале с типичным порядком величины максимум 100 пикосекунд, число группируемых резонаторов из-за различающихся длин их зарядных проводов сильно ограничено.
В соответствии с этими фактами в основу изобретения положена техническая задача создания микроволнового генератора, который при групповой эксплуатации позволял бы добиваться более высокой плотности мощности, а по возможности еще и без большой дополнительной сложности допускал бы управление качанием луча в широком диапазоне качаний.
Эта задача согласно изобретению решается путем использования в качестве базовых модулей резонаторов с существенными признаками, указанными в основном пункте формулы изобретения, для группирования в антенную решетку микроволновых генераторов. Поскольку каждый из этих базовых модулей оснащен своим собственным и теперь уже запускаемым генератором Маркса для генерирования высокого напряжения с целью последовательного включения короткозамыкающего искрового промежутка своего резонатора, исключаются не только мешающие групповой эксплуатации эффекты различающихся по длине зарядных цепей, но и имевшие место до сих пор взаимные функциональные зависимости вследствие обратного (реактивного) действия по совместной зарядной цепи. Поэтому удается сгруппировать антенные решетки из значительно большего числа элементов (резонаторов), что делает возможными конструкции с более мощным совокупным излучением, т.е. вследствие наложения соответственно большего количества отдельных излучений с большей поверхности обеспечивается более сильная фокусировка, а тем самым придается большая интенсивность результирующей характеристики излучения в поле дальней зоны. С другой стороны, поскольку каждый резонатор действует автономно и своим пока еще не сфокусированным дипольным излучением, то группирование оснащенных согласно изобретению базовых модулей за счет запуска отдельных базовых модулей с небольшим сдвигом по времени, помимо прочего, обеспечивает широчайший возможный угловой диапазон для пространственного качания возникающей в результате наложения характеристики излучения.
Для практической реализации базовых модулей в случае антенных решеток микроволновых генераторов в соответствии с одним из предпочтительных усовершенствованных вариантов настоящего изобретения предусмотрено встраивание запускаемого через один из своих искровых промежутков генератора Маркса, предпочтительно вместе с его индивидуальной схемой зажигания с внешним возбуждением, в сам резонатор при концентричной и потому особенно компактной конструкции и не с аксиальным, как раньше, а с радиальным, т.е. кольцевым, искровым промежутком. В этом случае целесообразным образом источник постоянного напряжения вместе с необязательно следующим за ним преобразователем постоянного напряжения для подпитки генератора Маркса включается в концентричную конструкцию и располагается коаксиально в воронкообразной антенне, аксиально подсоединенной к четвертьволновому резонатору генератора Маркса. За счет этого исключаются внешние проводные соединения для выполнения внутренних функций соответствующего базового модуля, а тем самым и помехи, которые в противном случае, например из-за пробоя высокого напряжения или высокочастотной паразитной связи, могут привести к сбоям в работе, таким как преждевременное срабатывание базового модуля, и вследствие этого ослабление результирующей характеристики излучения.
По той же причине управление схемами зажигания в отдельных базовых модулях, одновременное (для оптимизации луча) или несколько смещенное по времени (для качания луча), целесообразно осуществляется не электрически по кабелям, а предпочтительно с помощью электронной оптики. Для этого в соответствующий резонатор может быть встроен фотодатчик, например, с торца с возможностью доступа, так что все базовые модули антенной решетки, в случае необходимости соответственно заключенной в светонепроницаемый корпус, запускаются одновременно за счет генерирования одной единственной световой вспышки.
Во всяком случае, антенная решетка из микроволновых генераторов импульсного излучения высокой мощности (HPM) согласно изобретению, для увеличенного дальнодействия за счет лучшей фокусировки результирующей характеристики излучения, дает более точно одновременно возникающие разрядные токи в своих резонаторах или, для качания результирующей характеристики излучения, более точно регулируемое смещение разрядных токов по времени, если для этого используются базовые модули, каждый из которых оснащен собственным генератором Маркса, запускаемым извне и предпочтительно оптически. Особенно компактное исполнение с защищенной от воздействия окружающей среды электропроводкой реализуется для каждого из этих базовых модулей при коаксиальной конструкции, в которой соответствующий генератор Маркса вместе со своей схемой зажигания расположен непосредственно внутри резонатора с подключением входа генератора Маркса к расположенному внутри аксиально смещенной относительно него воронкообразной антенны источнику постоянного напряжения и с подключением его выхода к центральному электроду кольцевого короткозамыкающего искрового промежутка резонатора.
Дополнительные альтернативы и усовершенствованные варианты решения согласно изобретению вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, а также из предпочтительного примера реализации в соответствии с нижеприведенным описанием, поясняющим также другие преимущества изобретения. Это относится к приложенной принципиальной схеме базового модуля согласно изобретению в аксиальном продольном сечении, в которой для удобства функционального описания нет строгого соблюдения масштаба.
Базовый модуль 10 настоящего изобретения, в частности, для применения в излучающей антенной решетке, например согласно DE 10313286 В3 (но только без зарядки резонаторов от общего генератора Маркса), включает в себя коаксиальный четвертьволновой резонатор 11 высокомощного микроволнового генератора 12 с коаксиально подключенной к нему воронкообразной антенной 13 в общем для них обоих трубчатом корпусе 14 из изоляционного материала, устойчивого к высокому напряжению.
Резонатор 11 работающего в импульсном режиме микроволнового генератора 12 содержит цилиндрическую емкость 15 в виде внутреннего электрода 17, с интервалом концентрично окруженного вытянутым чашеобразным внешним электродом 16 и выполненного примерно в форме бутылки, примыкающей своей воронкообразной горловиной 18 к малому основанию 19 усеченного полого конуса антенны 13. Между внешним электродом 16 и внутренним электродом 17 коаксиально выполнен в данном случае радиальный, т.е. круглый кольцевой, короткозамыкающий искровой промежуток 20 между обоими электродами 16 и 17, а именно, в виде служащего центральным электродом искрового промежутка конца вала 21, концентрично выступающего внутрь внешнего электрода 16 из его основания 22 и заходящего с просветом со всех сторон в отверстие 23 основания 24 внутреннего электрода 17. Активный резонатор 11 определяется емкостью 15 и индуктивностью искрового промежутка 20, если не считать активных индуктивностей проводов.
В продольном внутреннем пространстве 25 внутреннего электрода 17 установлен генератор 26 Маркса, подключенный со стороны высокого напряжения к емкости 15 резонатора 11, а именно своим высоким потенциалом к концу вала 21 искрового промежутка 20, а своим низким потенциалом относительно искрового промежутка 20 в направлении к антенне 13, с аксиальным интервалом относительно внутреннего электрода 17, обычно замкнутого на общую массу или прямо на потенциал 27 земли.
Для независимой работы микроволнового генератора 12 он оснащен в полости 28 своей антенны 13 источником 29 постоянного напряжения. Он в этом примере состоит из (предпочтительно, перезаряжаемой или аккумуляторной) батареи 30 со следующим за ней преобразователем 31 постоянного напряжения, в данном случае работающим симметрично потенциалу 27 земли, для подпитки генератора 26 Маркса, как показано на схеме, через проводное соединение, проходящее сквозь бутылочную горловину 18 внутреннего электрода 17.
Для инициирования микроволнового генератора 12 он оснащен запускаемым извне генератором 26 Маркса. Для этого он среди своих искровых промежутков имеет запускаемый (пусковой) искровой промежуток 32 для переключения с параллельной на последовательную схемы включения своих конденсаторов. Для возбуждения своего зажигания такой не самовключающийся, а запускаемый искровой промежуток 32 конструктивно может быть снабжен дополнительным электродом для подачи потенциала от схемы 33 зажигания, или он реагирует на какую-либо иную подачу энергии извне, например на ультрафиолетовую или лазерную вспышку от схемы 33 зажигания. Последняя, располагаясь внутри резонатора 11, например как показано на схеме, в самом генераторе 26 Маркса, хорошо защищена от воздействия окружающей среды и в целях защиты от помех запускается предпочтительно оптоэлектронным образом. Для этого, например, в крышке, закрывающей снаружи антенну 13 по ее большому основанию, или, как здесь показано на схеме в качестве примера, в основании 22 внешнего электрода 16 концентрично установлен с возможностью доступа фотодатчик 34 для внешнего оптического возбуждения. Предпочтительно, расположенный впереди него конец вала 21 снабжен продольным каналом 35 для защищенного проводного соединения фотодатчика 34 со схемой 33 зажигания.
Когда множество оснащенных подобным образом базовых моделей 10 сгруппированы в монтажной раме в антенную решетку, то достаточно, в случае необходимости при выравнивании действительного времени задержки света с помощью подходящим образом удлиненных оптических волноводов, генерации одной внешней вспышки света, чтобы одновременно запустить все микроволновые генераторы 12 через их фотодатчики 34 и таким образом добиться оптимального наложения отдельных излучений антенн. Зато это приводит известным как таковой образом к управляемому качанию излучения, например, при стационарно установленной антенной решетке, когда каждому фотодатчику 34 антенной решетки локально выделяется источник света 36, например светоизлучающий полупроводниковый диод, и эти источники света подпитываются током из внешней схемы управления в определенной последовательности с небольшим сдвигом по времени.
Перечень позиций
10. Базовый модуль
11. Четвертьволновой резонатор
12. Микроволновой генератор
13. Антенна
14. Корпус
15. Емкость
16. Чашеобразный внешний электрод
17. Бутылкообразный внутренний электрод
18. Горловина (у 17)
19. Малое основание (у 13)
20. Короткозамыкающий искровой промежуток (между 16 и 17)
21. Конец вала (на 22)
22. Основание (у 16)
23. Отверстие (в 24)
24. Основание (у 17)
25. Внутреннее пространство (у 17)
26. Генератор Маркса
27. Потенциал земли
28. Полость (в 13)
29. Источник постоянного напряжения (с 30, 31)
30. Батарея
31. Преобразователь постоянного напряжения
32. Запускаемый искровой промежуток (в 26)
33. Схема зажигания (для 32)
34. Фотодатчик (в 22, для 33)
35. Продольный канал (через 21, от 34 до 33)
36. Источник света