РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.
2
Известны резонансные СВЧ компрессоры с многомодовым накопительным резонатором и элементом вывода энергии в виде интерференционного СВЧ переключателя на основе T-образного H-тройника, подсоединенного к плоской торцовой крышке резонатора [например, 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]. Предельная мощность таких устройств определяется электрической прочностью переключателя. Обычно СВЧ компрессоры работают с входными импульсами микросекундной длительности, поэтому прочность переключателей сопоставима с прочностью устройств, питаемых непрерывным СВЧ сигналом. Как показывают эксперименты, предельная мощность таких компрессоров составляет (1…2)λ МВт, где λ - рабочая длина волны в сантиметрах. Для повышения мощности резонансных СВЧ компрессоров необходимы иные технические решения проблемы вывода.
01(p)
11
01
11
01(p)
С целью повышения рабочей мощности резонансных СВЧ компрессоров предложен ряд компрессоров с выводом энергии трансформацией моды колебаний. В таких устройствах вывод осуществляется трансформацией добротной моды колебаний, на которой энергия накоплена, в моду низкодобротную, сильно связанную с нагрузкой [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. Трансформация осуществляется на специально организуемом в накопительном резонаторе быстродействующем элементе межмодовой связи. В одной из первых конструкций СВЧ компрессоров такого типа энергия накапливалась в многомодовом цилиндрическом резонаторе на H моде колебаний и выводилась на моде H через выходной круглый волновод, запредельный для H моды и допредельный для моды H, подсоединенный к плоской выходной торцовой стенке резонатора соосно с ним [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. В качестве быстродействующего элемента межмодовой связи (СВЧ коммутатора) использовался электрический разрядник с электродами, введенными в объем резонатора в максимум электрического поля рабочей моды H. Такое исполнение элемента понижает рабочую мощность компрессора из-за падения электрической прочности накопительного объема.
в
в
01
11
Известен формирователь СВЧ импульсов (резонансный СВЧ компрессор) [RU патент №2137265, дата публикации 10.09.1999], который также содержит многомодовый цилиндрический резонатор с элементами ввода и вывода энергии и электронный СВЧ коммутатор (элемент межмодовой связи), выполненный в виде короткозамкнутого волноводного отрезка длиной λ/2, подсоединенного к входной торцовой стенке резонатора на расстоянии d/4 от его оси. При этом электрод коммутатора, соединенный с источником управляющих сигналов, расположен за пределами накопительного объема на широкой стенке отрезка на расстоянии четверти длины волны в волноводе λ от короткозамыкателя отрезка. Элементом устройством вывода энергии служит выходной круглый волновод, запредельный для основной рабочей моды H допредельный для моды H и расположенный на плоской выходной торцовой стенке резонатора. В таком компрессоре мощность формируемых импульсов относительно невысока из-за малого размера окна связи отрезка с резонатором по сравнению с сечением резонатора и, соответственно, слабой межмодовой связи.
Известен аналогичный резонансный СВЧ компрессор [RU патент на полезную модель №89285, дата публикации 27.11.2009] содержащий цилиндрический многомодовый резонатор с элементами ввода и вывода энергии, электронный СВЧ коммутатор в виде внешнего волноводного отрезка с короткозамыкателем и электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. При этом в короткозамкнутый отрезок последовательно встроен волноводный H-тройник с определенной длиной входного и выходного прямого плеча и полуволновым короткозамкнутым боковым плечом. В боковом плече расположен СВЧ разрядник, а короткозамыкатель выходного прямого плеча выполнен подвижным. Кроме того, элемент вывода выполнен на основе выходной торцовой стенки резонатора в виде плавного волноводного перехода с диаметра резонатора на одномодовый круглый волновод и в этот волновод встроен еще один H-тройник. По аналогичному принципу организован и резонансный СВЧ компрессор, в котором вместо одного плавного перехода в качестве устройства вывода используется два перехода и встроенный в переходы волноводный мост на основе двух H-тройников с общим боковым плечом [RU патент на полезную модель №94062, дата публикации 10.05.2010]. Такие компрессоры позволяют получать достаточно мощные СВЧ импульсы за счет последовательной компрессии на двух модах, но имеют относительно низкий КПД из-за использования двух СВЧ коммутаторов.
01(p)
11
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является резонансный СВЧ компрессор с трансформацией моды колебаний на элементе межмодовой связи в виде короткозамкнутого отрезка волновода с встроенным H-тройником и устройством вывода энергии в виде плавного перехода [Августинович В.А., Артеменко С.Н., Игумнов В.С., Новиков С.А., Юшков Ю.Г. Формирование нано и субнаносекундных СВЧ импульсов при выводе энергии из резонатора трансформацией моды колебаний. // Изв. ВУЗов. Физика. 2011, Т. 54, №11/2, С. 229-234]. Этот компрессор взят за прототип. В нем для накопления используется цилиндрический многомодовый резонатор с основной рабочей модой H, на которой энергия накапливается через устройство ввода энергии, выполненное на входной торцовой стенке резонатора. Устройство межмодовой связи в виде короткозамкнутого волноводного отрезка с последовательно встроенным H-тройником подсоединено к этой же стенке на середине радиуса цилиндра. Первое (входное) прямое плечо тройника имеет полуволновую длину и связано с резонатором через окно связи, а второе (выходное) плечо короткозамкнуто и короткозамыкатель плеча выполнен подвижным. Боковое плечо также короткозамкнуто, имеет полуволновую длину и в нем расположен газоразрядный СВЧ коммутатор с электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. На выходной торцовой стенке резонатора, выполненной в виде плавного перехода с цилиндра резонатора на выходной круглый волновод. Переход выполнен согласованным для вспомогательной рабочей моды H круглого волновода, а выходной волновод - одномодовым.
Основным недостатком компрессора-прототипа является относительно низкий уровень рабочей мощности из-за слабой межмодовой связи на окне связи резонатора с H-тройником. Кроме того, частота следования импульсов в таком компрессоре ограничена предельной рабочей частотой газоразрядного СВЧ коммутатора.
Задачей является создание резонансного СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности и частоты следования формируемых компрессором импульсов СВЧ.
Технический результат заключается в увеличении рабочей мощности компрессора за счет увеличения площади сечения волновода, из которого выполнен элемент межмодовой связи, и увеличении частоты следования импульсов за счет применения двух поочередно работающих идентичных устройств межмодовой связи.
а
а
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый резонансный СВЧ компрессор, как и прототип, содержит многомодовый накопительный резонатор длиной L с устройством ввода энергии, устройством вывода на выходной стенке, выполненной в виде плавного перехода с корпуса резонатора на выходной волновод и расположенный на плоской торцевой стенке электронный СВЧ коммутатор в виде волноводного H-тройника. В отличие от прототипа он содержит второй СВЧ коммутатор, коммутаторы расположены симметрично относительно центра стенки, на расстоянии от центра, равном четверти размера стенки d, и прямые плечи тройников СВЧ коммутаторов выполнены из n стандартных прямоугольных волноводов с меньшей стенкой размером b, где n удовлетворяет неравенствам n<0,2L/b<d/b, а полуволновое короткозамкнутое боковое плечо тройников выполнено из сверхразмерного волновода, в котором сверхразмерная стенка имеет размер nb, а вторая стенка идентична широкой стенке  стандартного прямоугольного волновода и в боковом плече соосно с плечом расположена диэлектрическая газоразрядная трубка, ортогональная стенке с размером , устройство ввода выполнено симметрично по принципу зеркального отображения на боковых стенках резонатора в H-плоскости рабочей моды колебаний на расстоянии от плоской торцевой стенки резонатора, равном нечетному числу четвертей длины волны рабочей моды в резонаторе, а выходной волновод устройства вывода выполнен идентичным боковым плечам тройников СВЧ коммутаторов и ориентированным идентично прямым плечам тройников.
а
На Фиг. 1, 2 схематично изображен вариант выполнения предложенного резонансного СВЧ компрессора. Резонансный СВЧ компрессор содержит призматический многомодовый резонатор 1 длиной L и поперечным сечением d×d. Компрессор также содержит устройство ввода энергии 2 на стенках резонатора 1 и устройство вывода 3, выполненное в виде плавного перехода с корпуса резонатора 1 на выходной сверхразмерный волновод, в котором одна стенка взята размером nb, где b - размер узкой стенки стандартного волновода, а вторая стенка имеет размер, равный широкой стенке а стандартного прямоугольного волновода. Элементы межмодовой связи выполнены на плоской торцовой стенке на основе T-образных H-тройников 4 с полуволновым входным прямым плечом 5, связанным с резонатором 1, с выходным четвертьволновым прямым плечом 6, заканчивающимся подвижным короткозамыкателем 7. Устройство также содержит газоразрядную трубку 8 СВЧ коммутатора с электродом, соединенным с блоком управляющих сигналов 9. При этом входные 5 и выходные плечи 6 H-тройников собраны из n параллельных и прижатых друг к другу широкими стенками с размером а отрезков стандартных прямоугольных волноводов, где n<0,2L/b<d/b, а боковые плечи выполнены из сверхразмерного полуволнового отрезка волновода с широкой стенкой, равной nb и узкой стенкой, равной , и газоразрядная трубка расположена в этом плече параллельно широкой стенке бокового плеча и соосно с плечом.
02(p)
02
02
01
01
Представленный в качестве примера на Фиг. 1, 2 резонансный СВЧ компрессор, работает следующим образом. В призматическом многомодовом накопительном резонаторе 1 через устройство ввода энергии 2 на H моде колебаний накапливается СВЧ энергия. Для более «чистого» возбуждения рабочей моды ввод энергии осуществляется через два окна связи, возбуждающие противофазные варианты поля рабочей моды. Поэтому подвод энергии к окнам осуществляется через волноводный E-тройник. Выходной волновод плавного перехода 3 для рабочей моды H запределен и поэтому в режиме накопления энергия в нагрузку резонатора не поступает. Высокая добротность этой моды обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности входной волны. Элементы межмодовой связи 4, 5, 6 расположены так, что на окнах связи тройников 4 с резонатором 1 при определенной длине плеч 5, 6 может возникать сильная связь основной H моды с модой вспомогательной H сильно связанной с выходным волноводом перехода 3, согласованным для вспомогательной моды в широкой полосе частот. Длина плеча между резонатором 1 и закрытым H-тройником 5, встроенным в волноводный отрезок, подбираются так, что в режиме накопления связь между основной и вспомогательной модой слабая. Этому же способствует использование двух симметрично расположенных СВЧ коммутаторов. Поэтому излучение в выходной волновод практически отсутствует. После завершения процесса накопления и подачи управляющего сигнала с блока управления на электрод СВЧ коммутатора включается СВЧ коммутатор H-тройника 4 в его короткозамкнутом боковом плече. Зажигается СВЧ разряд в трубке и тройник 4 открывается. Это приводит к быстрому изменению электрической длины отрезка и изменению картины поля на окне связи отрезка с резонатором 1 и, соответственно, изменению связи основной моды с модой вспомогательной. Величина этой связи оптимизируется подбором положения подвижного короткозамыкающего поршня 7 волноводного отрезка. В результате структура поля на окне меняется и начинается передача энергии от основной моды, на которой энергия запасена, к вспомогательной. Эффективность передачи определяется величиной межмодовой связи, которая пропорциональна эффективному радиусу окна связи резонатора с тройником. При этом вспомогательная мода хорошо связана с выходным волноводом и нагрузкой резонатора. В результате накопленная энергия на H волне выводится в нагрузку в виде мощного СВЧ импульса. Повышение мощности сигналов, по сравнению с прототипом, достигается за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии в силу более сильной межмодовой связи. Повышение составляет величину пропорциональную отношению площади окон связи элемента межмодовой связи с резонатором 1, т.е. пропорционально n. Частота следования импульсов может быть увеличена в два раза за счет поочередного включения элементов межмодовой связи.
Допустимое количество переключателей в пакете элементов, определяющее предельную мощность компрессора можно оценить, исходя из следующего. Время переключения в режим вывода в значительной мере формируется размером области, в которой развивается СВЧ разряд в коммутаторе переключателя. Для быстрого переключения, в масштабе времени вывода T, размер этой области должен быть заметно меньше длины L резонатора 1. Другими словами, переключение должно осуществляться за время заметно меньшее времени двойного пробега волны вдоль резонатора 1, порядка 0,1 T. Волна в коммутирующем плече тройника за такое время распространится на расстояние не более 0,1T·c≈0,2L, где c - скорость света. Поэтому оценочно предельное количество переключателей будет определяться неравенством n<0,2L/b<d/b.
Приведенное ограничение получено в предположении последовательного развития процесса коммутации в пакете - от переключателя к переключателю со скоростью света. В действительности процесс, несомненно, развивается сложней. Например, если в первом переключателе процесс инициирован, то во втором он начнется, как минимум, на десятки пикосекунд позже, в третьем еще позже и т.д. запаздывание будет нарастать. При времени развития разряда порядка наносекунды и входных плечах тройников порядка длины волны в волноводе поле на входе пакета в течение этого времени будет падать до величины, определяемой долей энергии, выводимой в нагрузку через открывающийся переключатель. Это может привести к замедлению процесса во втором, третьем и т.д. переключателе. Кроме того, на процесс может оказать влияние трансформация волны на окне связи резонатора с открывающимся переключателем, например, привести к увеличению притока энергии в один переключатель и падению в другой.
Для достижения определенной управляемости процесса необходимо устранить запаздывание переключений в пакете, а также добиться разброса срабатывания СВЧ коммутаторов пакета много меньше T. Реализовать это в пакете с несвязанными коммутирующими плечами непросто. Поэтому более эффективным может быть путь, заключающийся в организации коммутирующей области пакета как единой колебательной системы, т.е. в виде общего коммутирующего плеча. В таком плече исчезает необходимость в синхронном разряде в каждом из переключателей. Требуется только быстрое, в масштабе времени T, изменение резонансной частоты такого плеча за пределы полосы пропускания. Это может быть осуществлено каналом СВЧ разряда с длиной много меньше общей длины каналов при коммутации в несвязанных плечах. Необходимость в синхронизации разрядов исчезает, т.к. в течение времени пробега волны вдоль общего плеча включится обратная связь с входами коммутирующего плеча пакета. Это обеспечит синхронную инверсию фазы отраженных от плеча волн и синхронный перевод пакета в режим «открыто».
Примером конкретного выполнения, подтверждающего работоспособность идеи предлагаемого устройства, могут служить результаты исследования макета резонансного СВЧ компрессора 3-см диапазона длин волн с выводом энергии трансформацией моды колебаний на сдвоенном тройнике.
01
01
01
Компрессор выполнен на основе цилиндрического резонатора диаметром 90 мм и длиной 123 мм. Возбуждение рабочей волны H осуществлялось через два окна связи, расположенных симметрично на цилиндрической боковой стенке резонатора на расстоянии 5/4 длины рабочей волны в волноводе от плоской торцовой стенки резонатора 1. Входные волны поступали к окнам связи от генератора СВЧ через E-тройник. Это обеспечивало необходимое при возбуждении Н волны соотношение между фазами подводимых к окнам волн. Элементы межмодовой связи, выполненные в виде двух пакетов H-тройников, по два параллельных плотно прилегающих друг к другу тройника в каждом пакете, располагались снаружи плоской торцевой стенки резонатора 1 и связывались с внутренним объемом через окна, расположенные на серединах радиусов по диаметру, лежащему в одной плоскости с окнами ввода энергии. Боковые плечи H-тройников в пакетах были выполнены общими из прямоугольного волновода сечением 23×25 мм. Симметричное возбуждение рабочей H волны и расположение элементов преобразования мод исключало взаимодействие волн в процессе накопления энергии.
01(8)
11
01
Выход резонатора 1 был выполнен в виде плавного перехода с цилиндра резонатора 1 на прямоугольный волновод сечением 23×25 мм со стенками, ориентированными параллельно и идентично стенкам прямых плеч волноводов тройников. Длина резонатора 1 и его рабочая частота выбирались так, что в полосе частот ~50 МНг кроме рабочей моды колебания H с частотой f≈9,05 GHz другие моды не возбуждались. Резонансные условия для волны H подавлялись сильной связью этой волны с нагрузкой через плавный переход. Этот же переход, запредельный для H рабочей волны, обеспечивал развязку этой волны с нагрузкой в режиме накопления.
В установке использовался магнетрон с импульсной мощностью 50 кВт. Разряд в СВЧ коммутаторе зажигался в аргоне при атмосферном давлении. Регулирование связи волн осуществлялось изменением длины короткозамкнутых прямых плеч H-тройников, а также параллельным подключением тройников к резонатору.
01(8)
0
01
0
4
На рабочей моде колебаний H собственная добротность накопительного резонатора составляла Q≈1,7×10. Расчетное время двойного пробега волны H вдоль резонатора равнялось T ~1,3 нс, при этом расчетное усиление резонатора, определяемое как Q/2π·f·T, достигало ~20,5 дВ.
При формировании импульсов в резонансном СВЧ компрессоре с трансформацией моды колебаний на одном перестраиваемом элементе связи было достигнуто усиление мощности ~7 дВ при длительности выходных СВЧ импульсов ~7 нс по уровню - 3 дВ. Пиковая мощность импульсов не превышала 0,25 МВт. При увеличении длины плеч Н-тройников выходные импульсы изменялись от коротких наносекундных, до более длинных (~3-4 нс) с синусоидальной модуляцией экспоненциального спада. Затем импульсы удлинялись с изменением формы огибающей до куполообразной с максимальным усилением ~7 дВ при длительности ~7 нс. Такая эволюция импульсов обусловлена влиянием набега фазы волны в перестраиваемом элементе межмодовой связи.
Для проверки суммарного действия элементов исследовался вывод при трансформации на двух параллельных тройниках с увеличенным окном связи. Одновременное действие элементов привело к увеличению усиления до 9 дБ и уменьшению длительности импульсов до ~5 нс. Такой рост усиления показывает, что для вывода энергии за время, сравнимое с временем двойного пробега волны вдоль резонатора и получения усиления, близкого е расчетному, требуется ~8-10 синхронизованных элементов.
Таким образом, полученные результаты демонстрируют возможность повышения мощности СВЧ импульсов в резонансном СВЧ компрессоре с выводом энергии трансформацией моды колебаний использованием синхронно работающего пакета элементов межмодовой связи. Симметричное исполнение двух пакетов, очевидно, допускает двукратное повышение частоты следования выходных импульсов.