Формирователь СВЧ-импульсов с подавлением послеимпульсного излучения

Полезная модель относится к области радиолокационной техники, в частности к устройствам формирования радиоимпульсов сверхвысоких частот (СВЧ) наносекундной длительности для передатчиков радиолокационных систем (РЛС) методом резонансной СВЧ-компрессии и может быть использована при разработке конструкции наносекундного радиолокатора.
Одним из способов создания СВЧ-импульсов наносекундной длительности для короткоимпульсных радиолокационных систем является метод резонансной СВЧ-компрессии (Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 112 с.). Метод резонансной СВЧ-компрессии основан на накоплении СВЧ-энергии, которая поступает от СВЧ-генератора в накопительный резонатор с последующим выводом ее в виде короткого, увеличенного по амплитуде импульса. Процесс накопления СВЧ-энергии и ее вывода в нагрузку обеспечивается коммутатором, связывающим накопительный резонатор с нагрузкой, в качестве которой выступает антенная система РЛС. После вывода энергии из накопительного резонатора коммутатору необходимо время для восстановления запирания. В течение этого времени сохраняется связь СВЧ-генератора с антенной системой, вследствие чего в это время СВЧ-энергия с СВЧ-генератора поступает в нагрузку. Компактные РЛС, использующие единую приемо-передающую антенну во время восстановления коммутатора не могут работать в режиме приема радиолокационных импульсов, вследствие чего увеличивается ближняя зона действия РЛС. Таким образом, для РЛС использующих метод резонансной СВЧ-компрессии, уменьшение ближней зоны действия является одной из задач, которые необходимо решать при конструировании данных устройств.
Задачей заявляемой полезной модели является подавление послеимпульсного излучения в период времени восстановления коммутатора.
Известен формирователь импульсов (Патент SU № 175219, опубл. 30.07.92 г.), содержащий СВЧ-генератор, соединенный элементом связи с коаксиальным накопительным резонатором, коаксиальный тройник, с разрядным промежутком в боковом плече, и элементом связи формирователя с нагрузкой в выходном плече. Формирователь работает следующим образом. Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора поступает во внутренние объемы резонатора и тройника. В процессе накопления электромагнитные волны, распространяющиеся в боковом плече, поступают в выходное плечо тройника, складываются в противофазе с волнами, распространяющимися вдоль резонатора, взаимно погашая друг друга, и электромагнитная энергия в нагрузку не поступает, накапливаясь в объеме резонатора. В конце процесса накопления происходит СВЧ-пробой в боковом плече тройника между торцевой поверхностью отрезка внутреннего проводника и закорачивающей стенкой. После этого электрическая длина бокового плеча принимает значение  , где  – фазовая постоянная. Фаза волны, отраженной от закорачивающей стенки бокового плеча тройника и поступающей в точку ветвления коаксиального соединения, изменяется  и складывается в фазе с волной, поступающей из резонатора. Это означает, что накопленная в резонаторе энергия передается в выходное плечо тройника. При подключении выходного плеча тройника к согласованной нагрузке, накопленная энергия передается в нагрузку.
Недостатком данного устройства является наличие послеимпульсного излучения, которое распространяется с генератора в нагрузку после вывода накопленной СВЧ-энергии.
Наиболее близким к заявляемому устройству, прототипом, является СВЧ-компрессор формирователя СВЧ-импульсов наносекундной длительности, выполненный на основе PIN-диодного коммутатора (Никифоров А.А. Чумерин П.Ю., Слинко В.Н., Ваулин В.А. Полупроводниковый передатчик L – диапазона с компрессией импульсов излучения. Журнал радиоэлектроники (электронный журнал) 2018. №12. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/dec18/18/text.pdf)
Формирователь СВЧ-импульсов по прототипу содержит (Фиг.1) СВЧ-генератор 1, на выходе которого установлен коаксиальный циркулятор 2. Прямой выход коаксиального циркулятора 2 подключен к петле связи 3, расположенной в накопительной части 4 коаксиального резонатора 5  СВЧ-компрессора 6, состоящего из коаксиального резонатора 5 и полупроводникового коммутатора 7, в состав которого в свою очередь  входят тороидальный резонатор 8 и расположенные внутри него PIN-диоды 9.  Коаксиальный резонатор 5 состоит из накопительной части 4 и выходной части 10.  Внешний проводник коаксиального резонатора 5 разорван полупроводниковым коммутатором 7, состоящим из тороидального резонатора 8 с внутри расположенными PIN-диодами 9. Устройство управления коммутатором 11 подключено к управляющему электроду 12 подключенному через разъем в корпусе  тороидального резонатора 8 к PIN-диодам 9. К выходной части 10 коаксиального резонатора 5 подключена нагрузка 13. Размеры тороидального резонатора  8 полупроводникового коммутатора 7 подбираются таким образом, чтобы его резонансная частота с учетом емкости PIN-диодов  9 при подаче на них запирающего напряжения через управляющий электрод 12 совпадала с частотой СВЧ-генератора 1. За счет выполнения этого условия для СВЧ токов повышается сопротивление полупроводникового коммутатора 7 и, следовательно, увеличивается коэффициент переходного ослабления СВЧ-энергии в режиме ее накопления в накопительной части 4 коаксиального резонатора5.
Устройство по прототипу работает следующим образом. СВЧ-энергия от СВЧ-генератора 1 поступает в накопительную часть 4 коаксиального резонатора 5  СВЧ-компрессора 6 через петлю связи 3. Устройство управления коммутатором 11 подает запирающее напряжение на PIN-диоды 9. Через суммарную емкость PIN-диодов 9 и тороидального резонатора 8, играющую роль емкостной связи полупроводникового коммутатора 8  с коаксиальным резонатором 5, часть мощности СВЧ-генератора 1 поступает в тороидальный резонатор 8. В этом режиме полупроводниковый коммутатор 7 отражает поступающий на его вход СВЧ-энергию с коэффициентом отражения , где Z – входное сопротивление полупроводникового коммутатора,  – волновое сопротивление коаксиального резонатора, вследствие чего происходит накопление СВЧ-энергии в накопительной части коаксиального резонатора. При подаче прямого смещения на PIN-диоды 9 их сопротивление становится равным омическому сопротивлению внешнего проводника коаксиального резонатора, вследствие чего замыкается внешний проводник коаксиального резонатора  и накопленная энергия поступает в нагрузку 13. Величина амплитуды послеимпульсного излучения для устройства по прототипу составляет 26 В (фиг.2.).
Недостатком прототипа  является значительная величина послеимпульсного излучения, распространяющегося с СВЧ-генератора  в нагрузку после вывода накопленной СВЧ-энергии.
Техническим результатом заявляемого СВЧ-компрессораформирователя импульсов является снижение более чем на порядок величины послеимпульсного излучения.
Технический результат достигается, тем, что в СВЧ-компрессоре для формирования СВЧ-импульсов с подавлением послеимпульсного излучения, включающем петлю связи, при этом СВЧ-компрессор выполнен с возможностью подключения СВЧ-генератора, на выходе которого установлен коаксиальный циркулятор, при этом СВЧ-компрессор состоит из коаксиального резонатора и полупроводникового коммутатора, в состав которого в свою очередь входят тороидальный резонатор и расположенные внутри него PIN-диоды, выполненные с возможностью связи с устройством управления коммутатором через управляющий PIN-диодами электрод, тороидальный резонатор полупроводникового коммутатора выполнен с возможностью подключения, используя петлю связи, выхода СВЧ-генератора через коаксиальный циркулятор.
Благодаря процессу закорачивания внешнего проводника коаксиального резонатора и нарушения связи СВЧ-генератора с СВЧ-компрессором в процессе вывода накопленной энергии и в период восстановления запирания коммутатора снижается прохождение СВЧ-энергии и послеимпульсное излучение резко падает.
Полезная модель поясняется следующими рисунками.
Фиг.1 Структурная схема устройства-прототипа.
Фиг.2. Структурная схема заявляемого СВЧ-компрессора в составе формирователя импульсов.
Фиг.3 Осциллограмма импульса, сформированного прототипом.
Фиг.4 Осциллограмма импульса, сформированного с заявляемым устройством.
Формирователь СВЧ-импульсов с подавлением послеимпульсного излучения на основе заявляемого СВЧ-компрессора содержит СВЧ-генератор 1, на выходе которого установлен коаксиальный циркулятор 2. Прямой выход коаксиального циркулятора 2 подключен к петле связи 3, расположенной в тороидальном резонаторе 8 СВЧ-компрессора 6, состоящего из коаксиального резонатора 5 и полупроводникового коммутатора 7, в состав которого в свою очередь  входят тороидальный резонатор 8 и расположенные внутри него PIN-диоды 9. Коаксиальный резонатор образован накопительной частью 4 коаксиального резонатора 5 и его выходной частью 10.  Внешний проводник коаксиального резонатора 5 разорван полупроводниковым коммутатором 7, состоящим из тороидального резонатора 8 с внутри расположенными PIN-диодами 9. Устройство управления коммутатором 11 подключено к управляющему электроду 12 подключенному через разъем в корпусе  тороидального резонатора 8 к PIN-диодам 9. К выходной части 10 коаксиального резонатора 5 подключена нагрузка 13.
ФормировательСВЧ-импульсов с подавлением послеимпульсного излучения работает следующим образом. Устройство управления коммутатором 11 подает запирающее напряжение на PIN-диоды 9. СВЧ-энергия от СВЧ-генератора 1 поступает в тороидальный резонатор 8 полупроводникового коммутатора 7 и через емкостную связь полупроводникового коммутатора 7 и коаксиального резонатора 5 поступает в накопительную часть 4 коаксиального резонатора 5, вследствие чего в ней происходит накопление СВЧ-энергии. При подаче прямого смещения на PIN-диоды 9 сопротивление диодов становится равным омическому сопротивлению внешнего проводника коаксиального резонатора, вследствие чего замыкается внешний проводник коаксиального резонатора 5 и накопленная в накопительной части 4 коаксиального резонатора 5 энергия поступает в нагрузку 13. Во время вывода накопленной энергии емкостная связь полупроводникового коммутатора 7 и коаксиального резонатора 5 нарушается, т.к. в этом режиме PIN-диодами 9 замыкается внешний проводник коаксиального резонатора 5. Таким образом, тороидальный резонатор 8 становится отдельной резонансной системой со сдвинутой резонансной частотой относительно частоты СВЧ-генератора 1, вследствие чего нарушается связь СВЧ-генератора 1 с СВЧ-компрессором 6. По совокупности этих процессов: закорачивания внешнего проводника коаксиального резонатора и нарушения связи СВЧ-генератора с СВЧ-компрессором в процессе вывода накопленной энергии и в период восстановления запирания коммутатора снижается прохождение СВЧ-энергии и послеимпульсное излучение резко падает.
2
Пример практического исполнения. Было изготовлено устройство – формирователь СВЧ-импульсов с подавлением послеимпульсного излучения для наносекундного нелинейного радиолокатора, который содержит в качестве источника СВЧ-излучения СВЧ-генератор от нелинейного радиолокатора NR-900EK3M "КОРШУН", на выходе которого установлен коаксиальный циркулятор марки «ФЦК 3-37 IH». Прямой выход коаксиального циркулятора подключен к петле связи, выполненной из меди сечением 0,7 мми расположенной в медном тороидальном резонаторе СВЧ-компрессора, состоящего из медного коаксиального резонатора, диаметр внешнего и внутреннего проводников которого составляет 32 мм и 12 мм, соответственно, и полупроводникового коммутатора, в состав которого в свою очередь входят тороидальный резонатор и расположенные внутри него PIN-диоды марки 2А542А1.  Устройство управления коммутатором, состоящее из инвертора и блока управления подключено к управляющему электроду, подключенному через разъем в корпусе  тороидального резонатора к PIN-диодам. К выходной части коаксиального резонатора подключена нагрузка в виде антенной системы.
При подключении СВЧ-генератора (по варианту прототипа) амплитуда послеимпульсного излучения для устройства имеющего связь генератора с СВЧ-компрессором через коаксиальный резонатор составила 26 В (Фиг.3). При подключении СВЧ-генератора к заявляемому СВЧ-компрессору  амплитуда послеимпульсного излучения составила 2 В (Фиг.4.). Таким образом, было показано, что в формирователе СВЧ-импульсов с использованием заявляемого устройства происходит снижение величины послеимпульсного излучения  более чем в 10 раз.