РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.
2
Известен формирователь СВЧ импульсов (резонансный СВЧ компрессор) с многомодовым накопительным резонатором и элементом вывода энергии в виде интерференционного газоразрядного СВЧ переключателя на основе волноводного Т-образного Н-тройника, подсоединенного к плоской торцовой крышке резонатора [Августинович В.А., Августинович Л.Я., Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ энергии из сверхпроводящего цилиндрического резонатора через Е-тройник. «Журнал технической физики», 1987 г., т.57, №6, с.1137-1138]. Предельная мощность такого устройства определяется электрической прочностью переключателя, и так как обычно СВЧ компрессоры работают с входными импульсами микросекундной длительности, то прочность их переключателей сопоставима с прочностью устройств, работающих с непрерывным входным сигналом. Как показывают эксперименты, предельная мощность компрессоров в этом случае составляет величину, равную (1…2)λ МВт, где λ - рабочая длина волны в сантиметрах. Для дальнейшего повышения мощности требуется применение последовательной компрессии в двух либо трех ступенях. В этом случае, в силу перехода времени накопления энергии от ступени к ступени в диапазон наносекундных длительностей, в каждой последующей ступени обеспечивается более высокая электрическая прочность и, таким образом, почти на порядок повышается предельная мощность выходных сигналов [Августинович В.А., Артеменко С.Н., Каминский В.Л., Новиков С.А., Юшков Ю.Г. Двухступенчатая система компрессии СВЧ импульсов в последовательно связанных резонаторах. «Приборы и техника эксперимента», 2007 г., №2, с.96-99]. Однако, из-за применения нескольких ступеней компрессии при этом растут и массогабаритные характеристики устройства. Поэтому для сохранения массогабаритных характеристик компрессора с одновременным повышением его рабочей мощности требуются иные технические решения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является формирователь СВЧ импульсов (резонансный СВЧ компрессор) с трансформацией мод, взятый за прототип [RU, патент №2137265, публикация 10.09.1999 г., бюл. №25]. В формирователе для накопления используется многомодовый цилиндрический резонатор с основной рабочей модой Н01, на которой энергия накапливается через элемент ввода энергии, выполненный на входной торцовой стенке резонатора. К этой же входной стенке на середине радиуса цилиндра подсоединен электронный СВЧ коммутатор в виде полуволнового короткозамкнутого волноводного отрезка, который связан с резонатором через окно связи и имеет электрод, подключенный к источнику управляющих импульсов. На выходной плоской торцовой стенке резонатора, соосно с резонатором расположен элемент вывода энергии в виде прямоугольного выходного волновода, запредельного для моды Н20 и допредельного для моды Н10. В качестве вспомогательной моды служит мода Е11, вырожденная с основной рабочей модой и хорошо связанная с выходным волноводом в силу идентичности ее структуры поля у оси резонатора структуре моды Н10 прямоугольного волновода. При этом длина волноводного отрезка СВЧ коммутатора выбрана такой, что в режиме накопления связь основной и вспомогательной мод на окне связи резонатора с волноводным отрезком слабая и поэтому излучение энергии в выходной волновод практически отсутствует. После завершения процесса накопления срабатывает СВЧ коммутатор, и длина отрезка меняется на четверть длины волны в волноводе. Это приводит к изменению картины поля на окне связи резонатора с отрезком и, как следствие, к изменению степени взаимодействия основной и вспомогательной рабочих мод. При этом энергия, накопленная на основной моде, передается к моде вспомогательной и от нее через выходной волновод в нагрузку в виде СВЧ импульса.
Основным недостатком устройства - прототипа является необходимость создания слишком сильной связи между модами в режиме вывода, так как передача энергии идет от высокодобротной моды к низкодобротной, сильно нагруженной моде. Реализовать такую связь технически достаточно сложно. В то же время, чем сильнее связь между модами, тем эффективней передача энергии. Кроме того, в прототипе межмодовая связь не оптимизирована, т.к. она формируется при фиксированном изменении длины волноводного отрезка СВЧ коммутатора на четверть длины волны в волноводе, не гарантирующем наиболее эффективное преобразование мод. Вторым серьезным недостатком прототипа является относительно низкий уровень мощности его выходных сигналов по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора. Связано это с невозможностью в прототипе вывести энергию за минимально возможное время, равное времени двойного пробега волны вдоль резонатора, что обусловлено малостью поперечных размеров a, b выходного волновода (а,b≤λ) по сравнению с диаметром D резонатора (D>λ), где а - ширина выходного волновода, b - высота выходного волновода.
Задачей полезной модели является создание СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности выходных сигналов при сохранении его массогабаритных характеристик.
Технический результат заключается в увеличении мощности сигналов за счет оптимизации процесса передачи энергии от основной рабочей моды к вспомогательной и за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии.
в
в
в
Указанный технический результат достигается тем, что в резонансном СВЧ компрессоре, содержащем, как и прототип, многомодовый цилиндрический резонатор с элементом ввода и волноводным элементом вывода энергии на его торцевых стенках и электронный СВЧ коммутатор, выполненный в виде внешнего волноводного отрезка с короткозамыкателем и снабженный электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов, в отличие от прототипа, короткозамыкатель СВЧ коммутатора выполнен с возможностью перемещения и в волноводный отрезок встроен последовательно Т-образный Н-тройник с полуволновым входным прямым плечом и короткозамкнутым полуволновым боковым плечом, в стенку которого на расстоянии 1/4λ от его короткозамыкателя вмонтирован электрод СВЧ коммутатора, также в волноводный элемент вывода энергии встроен последовательно второй электронный СВЧ коммутатор в виде Т-образного Н-тройника с прямым входным плечом, длина которого подобрана из условия равенства частот двух рабочих мод резонатора и короткозамкнутым полуволновым боковым плечом, в стенку которого на расстоянии 1/4λ от его короткозамыкателя вмонтирован второй электрод, подключенный к источнику управляющих сигналов, при этом выходная торцевая стенка выполнена в виде плавного волноводного перехода с резонатора диаметром D на волноводный элемент вывода энергии диаметром d=λ/1,03, где λ - длина волны в волноводе, λ - рабочая длина волны.
На Фиг.1 представлена схема предложенного СВЧ компрессора.
в
СВЧ компрессор содержит цилиндрический многомодовый резонатор 1 диаметром D, расположенные на его входной торцевой стенке на расстоянии D/4 от оси резонатора 1 элемент ввода энергии 2 и электронный СВЧ коммутатор в виде волноводного отрезка с встроенным последовательно Т-образным Н-тройником 3 и подвижным короткозамыкателем 4. Т-образный Н-тройник 3 выполнен с полуволновым входным прямым плечом, соединяющим его с резонатором 1 через окно связи, четвертьволновым выходным прямым плечом и полуволновым короткозамкнутым боковым плечом с расположенным в этом плече электродом 5, соединенным с источником управляющих сигналов 6. Выходная торцовая стенка 7 резонатора 1, выполнена в виде плавного волноводного перехода с резонатора диаметром D на волноводный элемент вывода энергии (выходной волновод) диаметром d=λ/1,03. В волноводный элемент вывода энергии соосный с резонатором 1, встроен последовательно второй электронный СВЧ коммутатор в виде Т-образного Н-тройника 8 с короткозамкнутым полуволновым боковым плечом, в котором расположен электрод 9, соединенным с источником управляющих сигналов 6. Электроды 5, 9 СВЧ коммутаторов вмонтированы в стенки короткозамкнутых боковых плечей соответствующих Т-образных Н-тройников на расстоянии 1/4λ от короткозамыкателей.
11
01
11
11
Резонансный СВЧ компрессор работает следующим образом. В многомодовом цилиндрическом резонаторе 1 через элемент ввода энергии 2 на Н01 моде накапливается энергия. Выходной волновод для этой моды запределен и поэтому в режиме накопления энергия в нагрузку резонатора 1 не поступает. Высокая добротность этой моды обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности входной волны. Размеры резонатора 1 выбираются так, что на рабочей частоте резонатора 1 кроме основной моды Н01 может возбуждаться и вспомогательная мода Н11 сильно связанная с выходным волноводом через переход, согласованный для вспомогательной моды в широкой полосе частот. Длина входного прямого плеча Т-образного Н-тройника 3, соединяющего резонатор и тройник, а также размеры окна связи между резонатором 1 и Т-образного Н-тройником 3 подбираются такими, что в режиме накопления связь между основной и вспомогательной модами слабая. Поэтому излучение в выходной волновод практически отсутствует. После завершения процесса накопления и подачи управляющего сигнала на электрод 5 включается электронный СВЧ коммутатор и Т-образный Н-тройник 3 открывается. Это приводит к быстрому изменению электрической длины волноводного отрезка и изменению картины поля на окне связи Т-образного Н-тройника 3 с резонатором 1 и, соответственно, изменению связи основной моды с вспомогательной. Величина этой связи оптимизируется подбором положения подвижного короткозамыкателя 4, например, поршня или деформируемой мембраны. В результате начинается резонансная передача энергии от основной моды, на которой энергия запасена, к моде вспомогательной. При этом вспомогательная мода хорошо связана с выходным волноводом, но не связана с нагрузкой резонатора 1, так как Т-образного Н-тройник 8 в выходном волноводе закрыт, а диаметр его волновода выбран допредельным только для основной моды Н и моды E, слабо влияющей на рабочие характеристики Т-образного Н-тройника 8. После завершения процесса передачи энергии от основной моды к вспомогательной срабатывает СВЧ коммутатор элемента вывода энергии, в силу чего Т-образный Н-тройник 8 открывается. В результате накопленная энергия на Н волне за минимально возможное время, равное времени двойного пробега волны вдоль резонатора 1 выводится в нагрузку в виде мощного СВЧ импульса. Минимальное время вывода обеспечивается выполнением выходной торцевой стенки 7 резонатора 1 в виде плавного перехода, согласованного для Н волны. Повышение мощности сигналов, по сравнению с прототипом, достигается за счет оптимизации процесса передачи энергии от основной рабочей моды к вспомогательной и за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии. Оптимизация процесса обеспечивается регулированием коэффициента межмодовой связи с помощью подвижного короткозамыкателя 4. Повышение составляет величину равную отношению длительностей времени вывода энергии. В прототипе время вывода обычно составляет около десяти времен пробега вспомогательной волны вдоль резонатора. Поэтому и мощность сигналов, формируемых в прототипе, приблизительно в десять раз ниже мощности сигналов предлагаемого компрессора.
По сравнению с известными аналогами, повышение мощности также достигается либо за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии, либо за счет уменьшения времени накопления энергии и, соответственно, повышения электрической прочности резонатора. Сохранение массогабаритных характеристик компрессора обеспечивается использованием для последовательной компрессии двух мод одного резонатора.
11
11(12)
4
В качестве примера рассмотрим компрессор 3-х см. диапазона длин волн, который был выполнен в виде многомодового цилиндрического резонатора 1 диаметром 44 мм и длиной 210 мм. К входной плоской торцовой стенке резонатора 1 на расстоянии 11.5 мм от центра на одном диаметре крепились элемент ввода энергии 2 и волноводный отрезок с короткозамыкателем 4, связанные с резонатором 1 через одинаковые окна связи диаметром 10 мм. Использовались стандартные прямоугольные волноводы сечением 23×10 мм. В волноводный отрезок последовательно был включен Т-образный Н-тройник 3 также из прямоугольного волновода сечением 23×10 мм и с полуволновым короткозамкнутым боковым плечом. На расстоянии 11.5 мм от короткозамыкателя бокового плеча располагался электрод 5 СВЧ коммутатора. Длина входного прямого плеча Т-образный Н-ройника 2, соединяющего его с резонатором 1, была полуволновой и составляла 45 мм. Длина выходного прямого плеча Т-образный Н-тройника 3 была четвертьволновой, составляла 34 мм, и плечо ограничивалось подвижным короткозамыкателем 4. В качестве подвижного короткозамыкателя 4 использовалась деформируемая медная мембрана. Выходная торцовая стенка 7 резонатора 1 была выполнена в виде плавного перехода с диаметра 44 мм на диаметр 26 мм, согласованного для Н моды круглого волновода в полосе частот ~1 ГГц. Переход заканчивался выходным круглым волноводом диаметром 26 мм. К этому волноводу подсоединялся второй Т-образный Н-тройник 8 из такого же волновода с короткозамкнутым полуволновым боковым плечом и электродом 9 коммутатора в этом плече. Электрод 9 располагался на расстоянии 11.5 мм от короткозамыкателя плеча. Длина входного плеча второго Т-образного Н-тройника 8 была выбрана такой, что резонансная частота вспомогательной моды H, равная 9178 МГц, практически совпадала с частотой основной рабочей моды Н01(6). Однако в силу выбора длины входного прямого плеча Т-образного Н-тройника 3, встроенного в короткозамкнутый волноводный отрезок, полуволновой, эти моды в режиме накопления энергии практически не взаимодействовали. Это проявлялось в том, что добротность основной моды оставалась неизменно высокой, достигавшей значения около 4×10 и сигнал в выходном волноводе на частоте основной моды практически отсутствовал. После завершения процесса накопления включался СВЧ коммутатор Т-образного Н-тройника 3 в короткозамкнутом волноводном отрезке, Т-образный Н-тройник 3 открывался, что приводило к быстрому изменению длины отрезка от полуволновой, соответствующей длине входного плеча, к близкой к четвертьволновой, соответствующей полной длине волновода до короткозамыкателя 4. При этом из-за изменения структуры поля на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным отрезком включалась связь между модами, и начинался процесс передачи энергии от основной моды к вспомогательной. Причем в силу выбора длины отрезка, обеспечивающего требуемую величину связи между модами, процесс передачи носил периодический характер. Период биений амплитуды поля взаимодействующих мод составлял около 200 нс. Коэффициент усиления основной моды достигал 25 дБ, что при мощности входных сигналов ~100 кВт соответствует мощности бегущей волны резонатора около 30 МВт. Это более чем на порядок превышает мощность, возможную в прототипе, и почти на два порядка - достигнутую.