РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ КОМПРЕССОР
RESONANT MICROWAVE COMPRESSOR

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.
в
в
в
Известен ряд оригинальных конструкций резонансных СВЧ компрессоров, работающих на основе накопления и быстрого вывода СВЧ энергии в резонансном объеме [А.Н.Диденко, Ю.Г.Юшков. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.112]. Наиболее распространенными среди них являются компрессоры, накопительный объем которых выполнен из одномодового прямоугольного либо круглого волновода, а устройство вывода организовано на основе интерференционного переключателя в виде Т-образного волноводного Н-тройника [Р.Альварец, Д.Биркс, Д.Берн, Е.Лауэр, Д.Скалапино. Сжатие СВЧ-энергии во времени для использования в ускорителях заряженных частиц. Атомная техника за рубежом, 1982, №11, с.36-39]. Одно из прямых плеч такого переключателя используется в качестве накопительного объема и имеет длину nλ/2, где n>>1, λ - длина волны в волноводе. Второе прямое либо боковое плечо выполняется полуволновым и ограничивается короткозамыкателем. В этом плече на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя размещается СВЧ коммутатор, соединенный с источником управляющих сигналов. Свободное плечо связывается с нагрузкой и через него осуществляется вывод энергии. Мощность выходных сигналов СВЧ компрессоров с выводом энергии через интерференционный переключатель определяется электрической прочностью коммутатора. В таких устройствах коммутируемая мощность практически равна мощности бегущей волны накопительного резонатора, т.е. предельной мощности выходных сигналов компрессора. Например, в 10-см диапазоне длин волн этот уровень не превышает 400-500 МВт [В.А.Августинович, С.Н.Артеменко, В.Ф.Дьяченко, В.Л.Каминский, С.А.Новиков, Ю.Г.Юшков. Исследование переключателя СВЧ компрессора с коммутацией в круглом волноводе. ПТЭ, 2009, №4, с.106-109]. Из-за потерь при коммутации он снижается до 250-300 МВт.
в
в
С целью увеличения мощности сигналов при неизменном уровне коммутируемой мощности предложен [R.A.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v.57, №10, p.2475-2480]. СВЧ компрессор с симметричным одномодовым накопительным резонатором длиной nλ, ограниченным короткозамыкателями и устройством ввода-вывода энергии на основе волноводных тройников в центральной части резонатора. Ввод энергии осуществляется через элемент ввода на основе Е-тройника, а вывод - через элемент вывода на основе Н-тройника. СВЧ коммутатор размещается в одном из плеч накопительного резонатора на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя этого плеча. Такое исполнение устройства позволяет выводить энергию одновременно из двух плеч резонатора. В случае коммутации без потерь это может обеспечить двукратное увеличение мощности выходного сигнала по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора при пропорциональном укорочении сигнала по сравнению с временем двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора. Поэтому в реальном СВЧ компрессоре с симметричным накопительным резонатором мощность выходных сигналов, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 500-600 МВт. По технической сущности такой компрессор наиболее близок к предлагаемому устройству и взят за прототип.
Задачей предлагаемого изобретения является создание СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности выходных сигналов.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в увеличении мощности сигналов за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии.
в
Указанный результат достигается тем, что в резонансном СВЧ компрессоре, содержащем, как и прототип, симметричный одномодовый накопительный резонатор, ограниченный короткозамыкателями, СВЧ коммутатор и элементы ввода и вывода энергии на основе волноводных тройников, при этом элемент ввода энергии расположен по центру резонатора, согласно изобретению элемент ввода энергии выполнен в виде Н-тройника, элемент вывода энергии выполнен на основе двух Н-тройников, компланарных с Н-тройником элемента ввода, включенных симметрично в короткозамкнутые плечи резонатора на расстоянии nλ/2 от соответствующего короткозамыкателя, к выходным плечам Н-тройников элемента вывода симметрично подсоединен выходной суммирующий Н-тройник, а СВЧ коммутатор размещен в центре резонатора, длина которого составляет (4n+1)λв/2.
На чертеже представлена схема предложенного СВЧ компрессора.
в
в
СВЧ компрессор содержит симметричный одномодовый накопительный резонатор 1 длиной (4n+1)λ/2 с плечами, ограниченными короткозамыкателями 2, и с элементом ввода энергии 3, который выполнен со стороны бокового плеча Н-тройника 4, расположенного по центру резонатора. Компрессор содержит элемент вывода энергии 5, организованный на основе двух Н-тройников 6, компланарных с входным Н-тройником 4 и включенных симметрично в плечи накопительного резонатора на расстоянии nλ/2 от короткозамыкателя 2 соответствующего плеча. К выходам тройников 6 симметрично подсоединен суммирующий Н-тройник 7, являющийся составной частью элемента вывода 4. Коммутатор 8 СВЧ компрессора расположен в центре резонатора и делит резонатор на две равные части, а в сочетании с элементами вывода - на четыре практически равные части.
Резонансный СВЧ компрессор работает следующим образом. В одномодовом резонаторе 1 через элемент ввода энергии 3 накапливается СВЧ энергия. Так как выходные волноводы Н-тройников 6 в режиме накопления расположены в узлах стоячей волны резонатора, то в режиме накопления энергия в эти волноводы не поступает. После завершения процесса накопления включается СВЧ коммутатор 8 (например, зажигается плазма газового СВЧ разряда), который расположен в максимуме электрической составляющей поля в центральном варианте рабочей моды резонатора. В результате фаза волны слева и справа от коммутатора меняется на 180°. Волны с инвертированной фазой распространяются от центра резонатора в сторону выходных волноводов Н-тройников 6. В момент их прихода к выходным волноводам тройников 6 в плоскости симметрии тройников устанавливается пучность стоячей волны резонатора, и резонатор открывается, т.к. оказывается сильно связанным с выходными волноводами этих тройников. В результате накопленная энергия поступает в выходные волноводы и начинается процесс вывода энергии. Этот процесс продолжается до тех пор, пока со стороны короткозамыкателей 2 к выходным волноводам тройников 6 поступает волна. Время поступления равно времени двойного пробега волны от короткозамыкателя каждого плеча до выходного волновода ближайшего к короткозамыкателю тройника 6. Поскольку это время равно времени пробега волны от коммутатора до выходных волноводов Н-тройников 6 и равно четвертой части времени пробега вдоль всего резонатора, то через такой промежуток времени энергия из резонатора выводится полностью в выходные (боковые) плечи тройников 6. При этом волны из этих плеч поступают в прямые плечи Н-тройника 7 и в этом тройнике суммируются. Такое развитие процесса вывода обусловлено известным свойством Н-тройников, согласованных со стороны бокового плеча. Оно заключается в полном суммировании синфазных волн одинаковой амплитуды, подводимых к Н-тройнику через его прямые плечи. Поскольку переключение из режима накопления в режим вывода осуществляется одним коммутатором, то процесс вывода через два тройника осуществляется синхронно и синфазно, что обеспечивает практически полное суммирование в выходном Н-тройнике 7. Таким образом, энергия выводится за время, в четыре раза меньшее времени двойного пробега волны вдоль резонатора, что обеспечивает четырехкратное повышение мощности выходного сигнала по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора. Как отмечалось выше, в прототипе возможное повышение мощности равно двум.
4
В качестве примера рассмотрим исследованный СВЧ компрессор 10-см диапазона длин волн. Для накопления энергии использовался цилиндрический резонатор диаметром 90 мм, работавший на частоте 2804 МГц на H11(25) моде колебаний. Входной Н-тройник, как и выходные, также был изготовлен из круглого волновода диаметром 90 мм. Длина резонатора равнялась 1860 мм, а расчетное время двойного пробега на рабочей частоте составляло ~17.3 нс. Выходные Н-тройники располагались на расстоянии 440 мм от короткозамыкателей соответствующих плеч резонатора и на расстоянии 474 мм от центра резонатора. Измеренная добротность резонатора на рабочей моде равнялась 3.1×10. Энергия накапливалась от импульсного магнетрона мощностью 2 МВт с длительностью импульсов 3.2 мкс. При такой длительности и оптимальной входной связи расчетная эффективность накопления составляет 0.41. Таким образом, в резонаторе накапливалось около 2.6 Дж СВЧ энергии. При таком запасе энергии мощность бегущей волны резонатора достигает ~150 МВт, а коэффициент усиления составляет ~18.8 дБ. Это означает, что в случае коммутации без потерь на выходе системы можно получать сигналы мощностью ~600 МВт, длительностью ~4.3 нс и усилением ~24.8 дБ. Переключение резонатора из режима накопления в режим вывода осуществлялось СВЧ коммутатором, который располагался в центре резонатора по диаметру волновода. В этом месте находится максимум электрической составляющей поля в центральном варианте рабочей моды. Коммутатор представлял собой продуваемую кварцевую трубку с внутренним диаметром 12 мм и наружным 14 мм. Ориентация трубки совпадала с плоскостью поляризации рабочей моды резонатора. Со стороны одного из торцов трубки монтировался электрический разрядник, обеспечивающий подсветку разрядного промежутка коммутатора. Кроме того, к торцам трубки подсоединялись трубопроводы системы продува разрядного промежутка. Резонатор заполнялся азотом под избыточным давлением 5-5.5 ати с добавлением 15-20% элегаза. Разряд в трубке происходил в аргоне под давлением ~3.5-4 ати с добавлением 7-10% элегаза либо чистом аргоне под давлением около 5 ати. При таком давлении в трубке обеспечивалась стабильная работа коммутатора практически без сбросов на самопробой. В принципе, система работала идентично компрессору с выводом энергии через интерференционный переключатель на основе Н-тройника из круглого волновода. Причем она работала достаточно эффективно как при коммутации в аргоне, так и в смеси аргона с элегазом. Однако наиболее эффективно она работала при коммутации в чистом аргоне. Измеренный коэффициент усиления по каждому из выходов при коммутации в аргоне с элегазом составил около 19 дБ. Таким образом, мощность выходных сигналов по каждому из выходов в этом случае составляла ~160 МВт. Длительность сигналов равнялась 3.8 нс. Суммирование сигналов в тройнике приводило к некоторому увеличению их длительности и незначительному снижению усиления. Скорее всего, это связано с неидеальным согласованием суммирующего тройника и возможным отличием длины волноводных трактов от выходов компрессора до места суммирования. Максимальная суммарная мощность при коммутации в смеси аргона с элегазом достигала ~ 300 МВт. Усиление составляло ~22 дБ, а длительность равнялась ~4.3 нс. Так как управление выводом осуществлялось одним СВЧ коммутатором, то это исключало проблемы с суммированием. Таким образом, при коммутации в смеси аргона с элегазом получено только двукратное умножение мощности выходных сигналов по сравнению с мощностью бегущей резонатора. Это, очевидно, связано с относительно низкой напряженность поля в резонаторе и, соответственно, более заметными потерями при коммутации. Для снижения потерь требуется повышение мощности входного сигнала.
При коммутации в чистом аргоне зафиксировано усиление ~20 дБ и мощность ~200 МВт по каждому из выходов системы, что соответствует усилению суммарных сигналов ~23 дБ и суммарной мощности ~400 МВт. Таким образом, на чистом аргоне получено умножение мощности, близкое к трехкратному его значению. Коммутация в аргоне была возможна также в силу относительно низкой напряженности поля в резонаторе из-за достаточно большого его объема. Вместе с тем, она была более эффективной в силу более хороших коммутационных характеристик аргона по сравнению со смесью аргона с элегазом. Для повышения уровня коммутируемой мощности до предельно допустимой величины ~500 МВт требуется увеличение запаса энергии во входном импульсе в два-три раза. В этом случае система будет способна формировать сигналы с уровнем мощности порядка 1 ГВт.