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 стенке 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.113-114). 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 порядка (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, из-за 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 применение нескольких ступеней компрессии ведет к росту веса и габаритов устройства. Поэтому для сохранения веса и габаритов компрессора с одновременным повышением его рабочей мощности требуются иные технические решения.
Одним из вариантов такого решения является резонансный СВЧ компрессор с трансформацией мод. В компрессоре для накопления используется многомодовый цилиндрический резонатор с основной рабочей модой Н01, на которой энергия накапливается через элемент ввода энергии, выполненный на входной торцевой стенке резонатора. К этой же входной стенке на середине радиуса цилиндра подсоединен электронный СВЧ коммутатор в виде внешнего волноводного Т-образного Н-тройника (Артеменко С.Н., Августинович В.А., Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ энергии из резонатора при трансформации вида колебаний на окне связи. ЖТФ, 1998, т.68, N7, с.92-96). Входное прямое плечо тройника через окно связи подсоединено к резонатору и имеет полуволновую длину, боковое плечо тройника короткозамкнуто и в нем расположен электрод СВЧ разрядника, подключенный к источнику управляющих сигналов, а выходное прямое плечо короткозамкнуто подвижным поршнем. На выходной плоской торцовой стенке резонатора, соосно с резонатором, расположен элемент вывода энергии в виде прямоугольного волновода, запредельного для моды Н20 и допредельного для моды Н10. В качестве вспомогательной рабочей моды резонатора служит мода Е11, вырожденная с основной рабочей модой и, в силу идентичности ее структуры у оси резонатора структуре моды Н10 прямоугольного волновода, хорошо связанная с выходным волноводом. Длина входного плеча тройника выбрана такой, что в режиме накопления связь основной и вспомогательной мод на окне связи резонатора с тройником слабая и поэтому излучение энергии в выходной волновод практически отсутствует. После завершения процесса накопления срабатывает СВЧ коммутатор, и длина подсоединенного к резонатору плеча тройника меняется. Это приводит к изменению картины поля на окне связи резонатора с тройником и, как следствие, к изменению величины связи между основной и вспомогательной модой. Конфигурация электронного СВЧ коммутатора с подвижным поршнем в выходном плече тройника позволяет оптимизировать эту связь. При этом энергия, накопленная на основной моде, передается к моде вспомогательной и от нее через выходной волновод в нагрузку в виде СВЧ импульса. По технической сущности такой СВЧ компрессор наиболее близок к предлагаемому устройству и взят за прототип.
Недостатком устройства - прототипа является необходимость создания достаточно сильной связи между модами в режиме вывода, так как передача энергии идет от высокодобротной моды к низкодобротной, сильно нагруженной моде. Реализовать такую связь технически сложно. В то же время, чем сильнее связь между модами, тем эффективней передача энергии. Вторым существенным недостатком прототипа является относительно низкий уровень мощности его выходных сигналов по сравнению с предельной мощностью компрессора, равной мощности 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 (a,b≤λ) по сравнению с диаметром D резонатора (D>λ), где а, b - ширина и высота выходного волновода.
Задачей полезной модели является создание СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности выходных сигналов при сохранении его массогабаритных характеристик.
Технический результат разработки заключается в увеличении мощности сигналов за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии и за счет вывода энергии одновременно через два выходных волновода.
Указанный результат достигается тем, что в резонансном СВЧ компрессоре, содержащем, как и прототип, многомодовый цилиндрический резонатор с волноводными элементами ввода и вывода энергии на его торцевых стенках и электронный СВЧ коммутатор, выполненный в виде подсоединенного к резонатору внешнего Т-образного Н-тройника с входным прямым плечом, короткозамкнутым боковым плечом, в стенке которого расположен электрод СВЧ коммутатора, подключенный к источнику управляющих сигналов, и выходным прямым плечом, короткозамкнутым подвижным поршнем, в отличие от прототипа, элемент вывода энергии выполнен в виде волноводного моста из двух Т-образных Н-тройников из прямоугольного или круглого одномодового волновода, содержащих два прямых входных плеча, два прямых выходных плеча и общее боковое плечо, в стенке которого на расстоянии четверти длины волны в волноводе от его центра расположен электрод СВЧ коммутатор моста, подключенный к источнику управляющих сигналов, причем входные плечи моста сопряжены с выходной торцевой стенкой резонатора через плавные согласующие переходы.
Для эффективной передачи энергии от основной моды к вспомогательной длина входных плеч моста выбрана из условия равенства частот рабочей и вспомогательной моды резонатора.
Для того, чтобы обеспечить противофазность излучаемых в нагрузку волн в режиме передачи энергии от моды к моде и одновременно обеспечить слабую связь основной моды с мостом в режиме накопления и сильную связь вспомогательной моды с мостом в режиме передачи, длина общего бокового плеча должна быть кратна четному числу полуволн в волноводе и равна 0.91R, где R - радиус резонатора.
На Фиг.1 представлена схема предложенного СВЧ компрессора.
в
в
СВЧ компрессор содержит цилиндрический многомодовый резонатор 1 диаметром D=2R и расположенные симметрично на его входной торцевой стенке на расстоянии 3R/4 от оси резонатора 1 элемент ввода энергии 2 и первый электронный СВЧ коммутатор в виде внешнего Т-образного Н-тройника 3, который выполнен с полуволновым входным прямым плечом, связанным с резонатором 1 через окно связи, с четвертьволновым выходным прямым плечом, короткозамкнутым подвижным поршнем 4, и полуволновым короткозамкнутым боковым плечом с расположенным в этом плече электродом 5, который подключен к источнику управляющих сигналов 6. Выходная торцевая стенка 7 резонатора 1, выполнена в виде двух симметричных плавных волноводных переходов с резонатора диаметром D=2R на два входных одномодовых волноводных плеча элемента вывода энергии (волноводного моста), расположенных симметрично в одной плоскости на расстоянии 0.455R от оси резонатора. В элементе вывода энергии, в общем боковом плече двух Т-образных Н-тройников 8, образующих мост, расположен электрод 9 второго СВЧ коммутатора (коммутатора моста), также подключенного к источнику управляющих сигналов 6. Электроды 5, 9 первого и второго СВЧ коммутаторов вмонтированы, в стенки соответствующих боковых плеч Т-образных Н-тройников на расстоянии 1/4λ от короткозамыкателя бокового плеча тройника первого коммутатора и от центра общего бокового плеча тройников моста, где λ - длина волны в волноводе.
Резонансный СВЧ компрессор работает следующим образом. В многомодовом цилиндрическом резонаторе 1 через элемент ввода энергии 2 на Н22 моде накапливается энергия. В силу места расположения входных плеч моста на выходной торцевой стенке резонатора и структуры поля Н22 моды в этом месте, волноводы входных плеч моста с этой модой не связаны и поэтому в режиме накопления энергия в элемент вывода не поступает. Таким образом, в режиме накопления мощность в СВЧ коммутатор моста не поступает, и мост резонатор не нагружает. Поэтому высокая добротность Н22 моды обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности входной волны в резонаторе. Размеры резонатора 1 с мостом выбираются так, что на рабочей частоте кроме основной моды Н22 может возбуждаться и вспомогательная мода Н01. При этом мода Н01 сильно связана с мостом благодаря выбранному месту расположения его входных плеч и хорошему преобразованию на плавных переходах этой моды в основную моду входных плеч моста, для которой переходы согласованы в широкой полосе частот. Как и в прототипе, длина входного плеча Т-образного Н-тройника 3, а также размеры окна связи между резонатором 1 и Т-образным Н-тройником 3 подбираются так, что в режиме накопления взаимодействие между основной и вспомогательной модой слабое. Поэтому излучение во входные плечи моста практически отсутствует. После завершения процесса накопления и подачи управляющего сигнала на электрод 5 включается первый электронный СВЧ коммутатор и Т-образный Н-тройник 3 открывается. Это приводит к быстрому изменению электрической длины входного плеча Т-образного Н-тройника 3 первого коммутатора, связанного с резонатором 1, изменению картины поля на окне связи Т-образного Н-тройника 3 с резонатором 1 и, соответственно, изменению связи основной моды и вспомогательной. Величина этой связи оптимизируется подбором положения подвижного поршня 4. Так как частоты основной и вспомогательной мод одинаковы, то в результате начинается резонансная передача энергии от основной моды, на которой энергия запасена, к моде вспомогательной. При этом вспомогательная мода хорошо связана с входными плечами моста, но не связана с нагрузкой резонатора 1, так как, в силу выбора длины общего бокового плеча моста кратной четному числу полуволн в волноводе, обеспечивающему противофазность излучаемых в нагрузку волн, мост 8 закрыт. После завершения процесса передачи энергии от основной моды к моде вспомогательной срабатывает СВЧ коммутатор моста, в силу чего обеспечивается синфазность излучаемых в нагрузку волн и мост открывается. В результате накопленная энергия выводится в нагрузку на основной моде входных плеч 8 моста за минимально возможное время, равное времени двойного пробега волны вдоль резонатора 1. Минимальное время вывода обеспечивается выполнением выходной торцевой стенки 7 резонатора 1 в виде двух плавных переходов, согласованных для основной моды входных плеч моста. Повышение мощности сигналов, по сравнению с прототипом, достигается за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии и за счет использования двух выходных волноводов, так как использование вывода через два волновода, с одним общим для волноводов разрядником, обеспечивает возможность двукратного увеличения входной, а, следовательно, и выходной мощности компрессора. Таким образом, повышение составляет величину равную двукратному отношению времени вывода энергии в прототипе и предлагаемом устройстве. В прототипе из-за относительно слабой связи вспомогательной моды с нагрузкой время вывода обычно составляет около десяти времен пробега вспомогательной моды вдоль резонатора. Поэтому и мощность сигналов, формируемых в прототипе, приблизительно на порядок ниже мощности сигналов предлагаемого компрессора. Кроме того, поскольку передача энергии в предлагаемом устройстве идет от добротной моды к добротной, то в нем проще, чем в прототипе, организовать сильную связь между модами. Сохранение массогабаритных характеристик компрессора обеспечивается использованием для последовательной компрессии двух мод одного резонатора.
В качестве примера, подтверждающего возможность повышения рабочей мощности компрессора при использовании для вывода энергии волноводного моста, рассмотрим исследованные с этой целью два компрессор 3-х см. диапазона длин волн. Эксперименты по выводу энергии через мост были выполнены на прямоугольных одномодовых резонаторах и сверхразмерном цилиндрическом резонаторе. Переключение моста из режима накопления в режим вывода осуществлялось разрядником тригатронного типа, который провоцировал СВЧ пробой в общем плече моста. Коммутация осуществлялась в аргоне под избыточным давлением до 1.5 атм. Огибающие и амплитуда выходных СВЧ сигналов регистрировались как в каждом из выходных плеч моста, так и в выходном плече суммирующего Е-тройника, стоящего на выходе устройства. Кроме того, при работе со сверхразмерным резонатором вывод осуществлялся как через мост, в два выходных окна, так и через Т-образный Н-тройник и каждое окно в отдельности. В последнем случае второе окно глушилось.
10
23
3
Пара одномодовых резонаторов из волновода сечением 23×10 мм с элементом вывода в виде волноводного моста возбуждалась через Е-тройник на модах Н() с частотой 9.1 ГГц, и резонаторы имели собственную добротность 7.5×10, что совпадало с добротностью таких же резонаторов, но с коротким замыканием вместо моста. Расчетный коэффициент усиления резонаторов составлял 14.2 дБ при расчетном времени пробега волны вдоль каждого из резонаторов, равном 5.2 нс. При возбуждении резонаторов импульсами магнетрона длительностью 1 мкс и мощностью 50 кВт с коммутацией в аргоне под избыточным давлением 1.5 атм вывод осуществлялся практически за время двойного пробега волны вдоль резонатора, и огибающие сигналов были идентичны огибающим при выводе через тройник. Соответственно, практически совпадали и коэффициенты усиления, которые составили 9.5 дБ для каждого канала и 12.5 дБ для суммарного сигнала. При этом за счет возможности повышения входной мощности компрессора в два раза суммарная мощность выходных сигналов была в два раза выше, чем для одного резонатора с выводом через тройник.
01
13
4
Аналогичные по содержанию результаты получены и при выводе энергии из сверхразмерного резонатора, который имел диаметр 100 мм и длину 234 мм. Резонатор работал на моде H() с частотой 9.12 ГГц и имел собственную добротность 7.5×10. Расчетный коэффициент усиления резонатора составлял около 25 дБ при расчетном времени пробега волны вдоль резонатора около 2 нс. Вывод через мост с не полностью согласованными входными плечами и коммутацией в аргоне обеспечивал почти двукратное укорочение выходного сигнала с соответствующим двукратным повышением усиления и мощности по сравнению с выводом через тройник. Длительность импульсов с выводом через тройник в каждом из каналов составляла 45 и 50 нс и 30 нс для суммарного сигнала с выводом через мост при усилении 7.5 и 10.5 дБ и мощности 280 и 560 кВт соответственно. Расчетная мощность бегущей волны в резонаторе достигала 15 МВт. Импульсы такой мощности с длительностью около 2 нс могут быть получены при надлежащем согласовании входов моста. Таким образом, эксперименты показали, что волноводный мост на основе двух Н-тройников с общим боковым плечом может быть использован как эффективное устройство вывода энергии с двукратным повышением мощности по сравнению с выводом через тройник. Возможность эффективной трансформации одной моды в другую экспериментально показана в ряде работ, в том числе в работе, исследованное устройство которой взято за прототип предлагаемого компрессора. Согласование входов моста также не является неразрешимой проблемой.