ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО СВЧ КОМПРЕССОРА
INTERFERENCE SWITCH OF RESONANCE SHF COMPRESSOR

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в резонансных СВЧ компрессорах для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности с высокой частотой повторения и стабильными параметрами.
в
Известны интерференционные СВЧ переключатели [1. Альварец Р., Бирке Д., Берн Д., и др. Сжатие СВЧ энергии во времени для использования в ускорителях заряженных частиц. Атомная техника за рубежом, 1982, №11, с.36-39; 2. R.A.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, 1986, v.57, №10, p.2475-2480], содержащие Т-образный Н-тройник из прямоугольного волновода, одно из плеч которого имеет полуволновую длину, ограничено короткозамыкателем и содержит СВЧ коммутатор тригатронного типа, расположенный на плече, на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя в плоскости симметрии плеча, ортогональной Н-плоскости тройника, т.е. в месте максимума электрической составляющей рабочей моды переключателя. Однако, из-за ограниченной площади поперечного сечения волновода и естественного предела прочности изолирующей среды волновода, такие переключатели имеют естественный предел уровня коммутируемой мощности. Например, в 10-см диапазоне длин волн он, как правило, не превышает 200 МВт. Кроме того, увеличенная напряженность электрического поля вблизи элементов конструкции СВЧ коммутатора провоцирует работу переключателя в режиме самопробоя и способствует «блужданию» искры разряда по поверхности волновода. Это приводит к флуктуациям амплитуды и фазы отраженной волны в короткозамкнутом плече и, как следствие, к нестабильности амплитудных и временных параметров выходных сигналов компрессора. К тому же, отмеченные переключатели работают без продува разрядного промежутка, что также не способствует повышению их рабочей мощности и стабильности срабатывания. В силу своих конструкционных особенностей отмеченные переключатели отличаются еще одним очевидным недостатком. В них отсутствует возможность регулирования переходного ослабления переключателя в режиме "открыто". Следствием этого является отсутствие возможности регулирования мощности и длительности выходных сигналов компрессора.
Известны переключатели, аналогичные представленным выше [1, 2], но с диэлектрической трубкой в волноводе короткозамкнутого плеча, вмонтированной в волновод в месте расположения электрического поджигающего разрядника параллельно электрическим силовым линиям рабочей моды переключателя [3. R.A.Alvarez, D.Birx, D.Byrne et. al, Generation of high-power microwave pulses using a spherical superconducting cavity and interference-type switch, IEEE Transaction on magnetics. 1981, v.l7, №1, p.935-938; 4. D.L.Birx, D.J.Scalapino, A cryogenic microwave switch, Transaction on magnetics, 1979, v. MAG-15; №1, p.33-35]. Недостатками таких переключателей являются отсутствие продува разрядного промежутка и использование в них прямоугольного волновода. Оба этих фактора способствуют снижению предельного уровня коммутируемой мощности и ухудшению стабильности срабатывания переключателя. Отсутствие продува приводит к накоплению в разрядном промежутке, продуктов разряда, снижающих электрическую прочность промежутка. Расположение трубки в максимуме электрической составляющей рабочей моды прямоугольного волновода и постоянство этой составляющей вдоль трубки приводят к некоторой неопределенности места развития разряда. Эта неопределенность проявляется в непостоянстве места развития разряда, что вызывает нестабильность характера взаимодействия волны с плазмой разряда. Следствием этого является нестабильность переходного ослабления переключателя в режиме "открыто", а значит, и нестабильность выходных сигналов компрессора.
в
в
в
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора с продувом разрядного промежутка [Патент RU №2328062, опубл. 27.06.2008 г.]. Переключатель содержит Т-образный Н-тройник из прямоугольного или круглого волновода с прямоугольным короткозамкнутым боковым плечом полуволновой длины, в котором расположены короткозамыкатель, СВЧ коммутатор тригатронного типа, включающий электрический поджигающий разрядник и разрядный волноводный промежуток, патрубки продува разрядного промежутка, вмонтированные в стенки короткозамкнутого плеча на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя, где λ - длина волны в волноводе, соединенные с трубопроводами системы продува. Электрический поджигающий разрядник расположен в центре короткозамыкателя. В центр поверхности одной из широких стенок волновода коммутирующей секции, на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя, в плоскости симметрии секции, ортогональной Н-плоскости тройника, вмонтирована неоднородность, выполненная в виде небольшого выступа из тугоплавкого металла. По сравнению с другими известными переключателями такой переключатель имеет определенные преимущества, как по уровню рабочей мощности, так и по стабильности и ресурсу. Вместе с тем, уровень рабочей мощности и такого переключателя ограничен прочностью изолирующей среды и площадью поперечного сечения волновода. Кроме того, такой переключатель также не имеет возможности регулирования переходного ослабления в режиме "открыто".
Задачей изобретения является создание интерференционного переключателя резонансного СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение уровня коммутируемой мощности, достижение более высокой стабильности срабатывания и возможность регулирования переходного ослабления в режиме "открыто".
в
в
в
в
Поставленная задача решается тем, что в интерференционном переключателе резонансного СВЧ компрессора, содержащем, как и прототип, Т-образный Н-тройник из круглого волновода с короткозамкнутым плечом полуволновой длины, в котором расположены короткозамыкатель, СВЧ коммутатор тригатронного типа, включающий электрический поджигающий разрядник и разрядный волноводный промежуток, патрубки продува разрядного промежутка, вмонтированные в стенки плеча на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя, где λ - длина волны в волноводе, соединенные с трубопроводами системы продува, согласно изобретению короткозамкнутое плечо тройника выполнено из круглого волновода, а электрический поджигающий разрядник расположен в одном из патрубков продува разрядного промежутка, вмонтированных в местах выхода концов диэлектрической трубки, установленной по диаметру волновода на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя, при этом часть короткозамкнутого плеча длиной L=5λ/8 выполнена в виде секции с возможностью поворота вокруг своей оси для ориентации трубки под произвольным углом относительно Н-плоскости тройника.
Целесообразно, чтобы диаметр волновода короткозамкнутого плеча D удовлетворял условию λ/1,7<D<λ/1,03, где λ - длина волны в свободном пространстве.
1
1
1
2
1
2
Также длина L диэлектрической трубки должна быть больше диаметра волновода короткозамкнутого плеча L>D, а ее внутренний d и внешний d диаметры удовлетворяли условиям 0,05λ<d<0,lλ и 0,lλ<d<0,15λ.
в
Длина L поворотной секции выбрана из условия L=5λ/8, что обеспечивает равенство напряженности поля на стыке поворотной секции с тройником в режиме «закрыто» и «открыто».
Устройство иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
Фиг.1 - схема интерференционного переключателя резонансного СВЧ компрессора с короткозамкнутым боковым плечом; фиг.2 - то же, вид сбоку; фиг.3 - поперечное сечение короткозамкнутого бокового плеча.
в
в
Интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора содержит Т-образный Н-тройник 1 из круглого волновода с полуволновым короткозамкнутым боковым плечом 2, выполненным с поворотной секцией длиной L=5λ/8 и короткозамыкателем 3. Переключатель содержит электрический поджигающий разрядник 4, вмонтированный в один из патрубков 5 системы продува, а также диэлектрическую трубку 6 (например, кварцевую или керамическую), расположенную по диаметру волновода в поворотной секции плеча на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя. Патрубки 5 подсоединены к стенкам плеча в местах выхода торцов трубки соосно с трубкой.
в
Интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора работает следующим образом. Электромагнитная волна, поступающая на вход переключателя, тройником 1 делится на волну, идущую в боковое плечо 2, волну, следующую к выходу переключателя и волну, отраженную от тройника. Волна, поступающая в боковое плечо 2, отражается от короткозамыкателя 3, изменяет фазу на противоположную, возвращается к тройнику 1 и делится тройником на две волны, идущие к входу и выходу. В силу выбора длины короткозамкнутого плеча, кратной половине длины волны в волноводе, и в силу известных свойств Т-образного Н-тройника, волны, поступающие на выход устройства из бокового плеча 2 и со стороны входа переключателя, имеют противоположные фазы и одинаковые амплитуды. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ волны в нагрузку через переключатель в режиме «закрыто». После подачи на поджигающий разрядник 4 импульса высокого напряжения происходит пробой между высоковольтным электродом разрядника и корпусом патрубка 5, в котором расположен поджигающий разрядник и который находится под нулевым (земляным) потенциалом. Искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку волноводного разрядного промежутка с торца трубки 6, инициируя в промежутке свободные электроны и провоцируя, таким образом, развитие СВЧ разряда в электрически наиболее слабом месте промежутка - месте расположения диэлектрической трубки 6, в ее центральной части, где поле основной рабочей моды наиболее сильное. СВЧ разряд приводит к образованию в этом месте плазменного канала, который быстро (за время, сравнимое со временем развития разряда) «переносит» положение короткозамыкателя бокового плеча на λ/4 и, соответственно, обеспечивает изменение фазы волны, поступающей из плеча на выход переключателя, на 180°. Это приводит к синфазному суммированию волн на выходе переключателя, излучаемых из бокового плеча и со стороны входа устройства, и, следовательно, переходу переключателя в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. В месте развития разряда в диэлектрической трубке 6 волноводный разрядный промежуток непрерывно продувается потоком газа через патрубки 5, один из которых является входным, а другой выходным. Поток удаляет продукты разряда из промежутка и способствует восстановлению электрической прочности промежутка. После этого цикл повторяется. Развитие разряда в трубке 6, а не за ее пределами, обеспечивается разделением изолирующего газа в трубке 6 и вне трубки 6, как по составу, так и по рабочему давлению.
21
11
11
По сравнению с известными аналогами, повышение уровня рабочей мощности предложенного переключателя достигается за счет увеличения площади поперечного сечения короткозамкнутого плеча при использовании круглого волновода вместо прямоугольного. При указанном диаметре λ/1,7<D<λ/1,03 площадь сечения круглого волновода может более чем в три раза превышать площадь сечения стандартного прямоугольного волновода того же диапазона длин волн. Такая площадь сечения круглого волновода может быть обеспечена при выборе волновода с диаметром меньше критического для волны H. Эта волна, в силу некоторой идентичности ее структуры поля структуре рабочей волны Н и, соответственно, сильного с ней взаимодействия на тройниковом сочленении, может заметно уменьшить переходное ослабление переключателя в режиме "закрыто", что и определяет верхний предел диаметра круглого волновода, который допустимо использовать в предложенном переключателе. Нижний предел определяется критическим диаметром волновода для рабочей моды Н переключателя.
1
2
Повышение стабильности срабатывания переключателя достигается за счет естественной локализации коммутирующего СВЧ разряда не на стенках волновода, а в объеме - на оси волновода в диэлектрической трубке 6 в центральной ее части. Локализация разряда в объеме круглого волновода обеспечивается особенностью структуры поля его основной моды. Эта мода имеет максимальную величину электрической составляющей не на поверхности стенок, а в объеме на оси волновода в центре поля. Более высокой стабильности способствует и более высокая, чем в прототипе, направленность продува разрядного волноводного промежутка, которая в предложенном переключателе задается трубкой 6. Повышению стабильности способствует и выбор оптимальной величины внутреннего диаметра трубки - диаметр не должны быть слишком большим и слишком маленьким, так как в обоих случаях снижается эффективность продува. Толщину стенок трубки выбирают из соображения обеспечения механической прочности. Оптимальные диаметры 0,05λ<d<0,lλ, и 0,lλ<d<0,15λ были установлены экспериментально. Все это обеспечивает жесткую локализацию места возникновения искры СВЧ разряда, обеспечивает более быстрое восстановление прочности разрядного промежутка и одновременно слабое влияние трубки 6 на конфигурацию рабочей моды переключателя. Формирование искры в центре сечения волновода ликвидирует значительные флуктуации амплитуды и фазы отраженной от плазмы волны. Как следствие, это повышает стабильность амплитуды и фазы волны, поступающей в режиме "открыто " на выход устройства, а значит, и стабильность параметров выходных сигналов компрессора, что является критерием стабильности срабатывания переключателя.
Возможность управления величиной переходного ослабления переключателя в режиме "открыто" обеспечивается регулированием с помощью поворотной секции короткозамкнутого плеча, ориентации трубки относительно плоскости поляризации рабочей моды тройника (или Н-плоскости тройника). Для обеспечения поворота секции она выполнена съемной. Поворачивая секцию вокруг своей оси, можно устанавливать трубку 6 под разными углами в пределах 0°-90° относительно направления электрической составляющей рабочей моды, ограничивать протяженность этой составляющей в пределах трубки и, следовательно, ограничивать возможную длину искры разряда. Тем самым можно регулировать степень взаимодействия волны с искрой и, следовательно, регулировать переходное ослабление переключателя в режиме "открыто".
Таким образом, предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора обеспечивает повышение уровня коммутируемой мощности, повышение стабильности срабатывания переключателя, а также возможность регулирования переходного ослабления переключателя в режиме "открыто".
11(5)
В качестве примера рассмотрим интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора 10-см диапазона длин волн, который был выполнен в виде волноводного Н-тройника из круглого волновода диаметром 90 мм. К круглому боковому плечу тройника длиной 25 мм подсоединялась съемная, круглая короткозамкнутая секция диаметром 90 мм и длиной 87 мм. Таким образом, полная длина бокового плеча тройника от центра тройникового сочленения равнялась 162 мм. Патрубки для продува разрядного промежутка в месте сочленения с волноводом плеча имели внутренний диаметр 25 мм, их длина составляла 50 мм. Диэлектрическая (кварцевая) трубка длиной 150 мм имела наружный и внутренний диаметры соответственно 14 и 10 мм. Патрубки и диэлектрическая трубка располагались соосно по диаметру плеча на расстоянии 36 мм от короткозамыкателя. На рабочей частоте 2800 МГц, с учетом влияния трубки это расстояние соответствует четверти длины волны в волноводе диаметром 90 мм. С обеих сторон на концах трубка 6 обжата уплотнительными герметизирующими резиновыми прокладками. В экспериментах испытана работа переключателя при углах поворота трубки относительно плоскости поляризации рабочей моды (Н - плоскости тройника) 0°, 45° и 90°. Боковое плечо ограничивалось короткозамыкателем, выполненным в виде подвижной мембраны, изготовленной из отожженной медной фольги. Электрический поджигающий разрядник был вмонтирован в один из патрубков, как изображено на фиг.1. Он обеспечивал подсветку волноводного разрядного промежутка с торца трубки при подаче на разрядник импульса напряжения амплитудой 16 кВ. К патрубкам подсоединялись трубопроводы системы продува. Переключатель служил элементом вывода энергии из цилиндрического накопительного резонатора диаметром 90 мм с рабочей модой Н. Резонатор и переключатель заполнялись смесью азота и элегаза под избыточным давлением 6 атм, а трубка - азотом под избыточным давлением 2-3 атм.
Устройство было испытано на высоком уровне мощности с уровнем коммутируемой мощности 400 МВт. При частоте переключений 100 Гц переключатель обеспечивал среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов не более 5%. Снижение коммутируемой мощности до 200 МВт приводило к уменьшению среднеквадратичного отклонения до 0,8-1%. Такой же переключатель (прототип), изготовленный по аналогии с предложенным, но с прямоугольным боковым плечом, слабой неоднородностью, разрядником, расположенным на короткозамыкающей мембране, и с продувом разрядного промежутка без трубки, обеспечивал уровень коммутируемой мощности 200 МВт при среднеквадратичном отклонении амплитуды выходных сигналов 3-5%. Поворот трубки относительно плоскости поляризации рабочей моды в указанных выше пределах приводил к изменению переходного ослабления разработанного переключателя в режиме "открыто" на 6-7 дБ, что обеспечивало изменение длительности выходных сигналов компрессора в 5 раз (от 3 до 15 нс). При этом мощность выходных сигналов снижалась с 320 МВт до 70-80 МВт.