ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО СВЧ КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использовано в резонансных СВЧ компрессорах в качестве устройства вывода энергии для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности.
Известен интерференционный переключатель формирователя СВЧ импульсов (резонансного СВЧ компрессора) в виде волноводного моста, выполненного из стандартного одномодового прямоугольного волновода на основе двух T-образных H-тройников с общим боковым плечом [1. Новиков С.А., Разин С.В., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирователь СВЧ импульсов. Авторское свидетельство на изобретение SU №1302995 A1, H03K 12/00, 11.03.85]. Переключение устройства из режима накопления в режим вывода осуществляется СВЧ коммутатором, расположенным в общем плече моста на расстоянии 1/4 длины волны в волноводе от центра плеча. Вывод энергии одновременно через два окна выходной связи обеспечивает повышение коэффициента усиления формирователя. Однако такой переключатель имеет ограниченный уровень рабочей мощности из-за ограниченной площади сечения стандартного прямоугольного волновода и ограниченной электрической прочности изолирующей среды, заполняющей волновод.
Известен также аналогичный переключатель из круглого волновода [2. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Новиков С.А. Резонансный СВЧ компрессор с выводом энергии через волноводный мост из круглого волновода. Известия ТПУ. 2010. Т. 316. №4. С. 82-84], который по сравнению с волноводом прямоугольным имеет большую площадь сечения и может обеспечить более высокий уровень рабочей мощности. Вместе с тем, интерференционный переключатели на основе H-тройников из круглого волновода также имеет ограниченную площадь сечения и, соответственно, ограниченный уровень рабочей мощности.
1
1
1
Известен [3. RU №108218 H01P 1/14, Бюлл. №25, 2011] интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора, который также содержит волноводный мост из двух T-образных H-тройников из круглого волновода диаметром удовлетворяющим неравенствам λ/1,7<D<λ1/,03, где λ - длина волны в свободном пространстве, с общим полуволновым боковым плечом. В этом плече переключатель содержит СВЧ коммутатор тригатронного типа с разрядником подсветки, который включает в себя диэлектрическую трубку ортогональную плоскости расположения тройников. При этом в отличие от [2] часть общего бокового плеча изготовлена в виде съемного узла, состоящего из короткозамкнутого полуволнового отрезка круглого волновода диаметром D<λ/0,82, D>D с расположенным в этом отрезке СВЧ коммутатором, и двух плавных волноводных переходов. Переходы подсоединены к отрезку с двух его сторон и сопрягают этот отрезок с волноводом диаметром D боковых плеч каждого тройника. С целью расширения функциональных возможностей такой переключатель резонансного СВЧ компрессора может выполняться в двух вариантах. В первом варианте длина общего плеча равна четному числу полуволн. При этом отрезок волновода диаметром D с СВЧ коммутатором смещен вдоль плеча на четверть длины волны в волноводе. Во втором варианте длина полуволнового бокового плеча равна нечетному числу вариант поля в резонаторе и отрезок волновода диаметром с СВЧ коммутатором расположен в центре плеча.
01
21
11
11
10
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является переключатель [2. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Новиков С.А. Резонансный СВЧ компрессор с выводом энергии через волноводный мост из круглого волновода. Известия ТПУ. 2010. Т. 316. №4. С. 82-84], он взят за прототип, выполненный на основе моста из двух T-образных H-тройников из однородного круглого волновода диаметром О, удовлетворяющим неравенствам λ/1,7<D<λ/1,03, и с коммутирующей секцией в общем боковом плече тройников. В этом плече на расстоянии 1/4 длины волны в волноводе от центра общего плеча расположен СВЧ коммутатор. Уровень рабочей мощности такого переключателя ограничен прочностью изолирующей среды и предельной площадью сечения волновода, диаметр которого не может превышать величину, равную отношению λ/1,03. Ограничение диаметра волновода величиной D<λ/1,03, обусловлено тем, что при большем диаметре по волноводу кроме рабочей и E волны может распространяться и волна H. Это приводит к снижению переходного ослабления тройника в режиме «закрыто» до недопустимо низкого уровня (<40 дБ). Кроме того, выходной волной переключателя является H волна круглого волновода. Это требует применения на выходе компрессора специального трансформатора типа волны для преобразования волны H в удобную для использования на практике основную волну H прямоугольного волновода.
Задачей полезной модели является повышение рабочей мощности переключателя и сохранение в качестве его рабочей волны основной волны прямоугольного волновода.
Технический результат разработки заключается в увеличении рабочей мощности устройства за счет увеличения площади поперечного сечения волновода, из которого изготовлен переключатель. Результат также заключается в сохранении на выходе переключателя в качестве рабочей волны основной волны прямоугольного волновода. Этот результат обусловлен сохранением прямоугольной геометрии волновода переключателя.
в
в
а
Указанный результат достигается тем, что в интерференционном СВЧ переключателе резонансного СВЧ компрессора, содержащем, как и прототип, волноводный мост из двух T-образных H-тройников с общим полуволновым боковым плечом и СВЧ коммутатором тригатронного типа с разрядником подсветки и диэлектрической трубкой, вмонтированной в это плечо ортогонально плоскости, в которой расположены тройники моста, в центре общего плеча при его длине, равной нечетному числу полуволн вдоль плеча, или на расстоянии λ/4 от центра этого плеча при четном числе полуволн, где λ - длина волны в общем плече, в отличие от прототипа, мост выполнен из прямоугольного волновода, стенка которого, ортогональная трубке СВЧ коммутатора, равна широкой стенке, размером , стандартного одномодового прямоугольного волновода, а стенка, параллельная трубке, выполнена сверхразмерной размером d, удовлетворяющим неравенству λ<d<10λ,, где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве.
a
Целесообразно, прямые плечи тройников моста выполнять из N стандартных одномодовых прямоугольных волноводов, прижатых друг к другу широкими стенками с размером , и числом N, удовлетворяющим равенству N≈[d/b], где b - размер узкой стенки стандартного прямоугольного волновода.
a
На Фиг. 1 и Фиг. 2 изображены предлагаемые модели интерференционного переключателя резонансного СВЧ компрессора. Модели содержат волноводный мост в виде двух T-образных H-тройников 1 из сверхразмерного прямоугольного волновода с общим полуволновым боковым плечом 2. Они также содержат СВЧ коммутатор 3 с диэлектрической трубкой и разрядником подсветки 4, вмонтированный в общее плечо в меньшую стенку волновода, т.е. в стенку с размером a. В зависимости от фазового сдвига между волнами во входных плечах переключателя СВЧ коммутатор располагается в центре плеча либо на расстоянии четверти длины волны в волноводе от центра плеча. В одной модели входные и выходные плечи моста выполнены из прямоугольного сверхразмерного волновода, идентичного волноводу общего плеча. Во второй модели они выполняются в виде такого же волновода, но собранного из N стандартных прямоугольных волноводов, прижатых друг к другу широкими стенками, с числом волноводов N, определяемым равенством N≈[2,3b/].
01
01
Устройство работает следующим образом. На входы подается сформированная специальным образом рабочая волна H т.е. волна с вектором электрического поля параллельным сверхразмерной стенке 2-b волновода моста, не являющаяся основной волной волновода. При этом в случае синфазных волн во входных плечах переключателя общее плечо моста выполняется полуволновой длины с нечетным числом полуволн вдоль плеча. При противофазных волнах плечо выполняется полуволновой длины с четным числом полуволн вдоль плеча. В таких устройствах рабочая волна делится тройниками 1 на волны, отраженные от тройников моста, волны, поступающие в общее боковое плечо 3, и волны, следующие к выходам переключателя. Волны, поступающие в общее плечо 3, проходят это плечо и возвращаются к сочленениям плеч тройников 1. Здесь они делятся тройниками на волны, идущие к входу и выходу. В силу выбора длины общего плеча 3 полуволновой и в силу известных свойств T-образных H-тройников, а также при условии изготовления устройства с практически правильной геометрией, т.е. не формирующей сильную межмодовую связь, волны, поступающие на выход устройства из общего бокового плеча 3 и со стороны входа переключателя, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ-энергии в нагрузку в режиме «закрыто». Волна, излучаемая из бокового плеча в сторону входа переключателя, синфазно суммируется с волной, отраженной от тройников. В результате волны, поступающие на вход переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражаются от тройников. Таким образом, при использовании H волны в качестве рабочей и при условии сохранения правильной геометрии устройства предлагаемый переключатель в режиме «закрыто» работает как переключатель на основе моста, выполненного в виде двух H-тройников из стандартного прямоугольного волновода и общим боковым плечом. После подачи на разрядник подсветки 4 импульса высокого напряжения искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка волновода, инициируя в промежутке свободные электроны и провоцируя развитие СВЧ разряда в электрически наиболее слабом месте - месте максимума электрического поля рабочей волны. В этом месте расположена газоразрядная диэлектрическая трубка, заполненная менее прочным газом, чем газ, заполняющий остальной объем переключателя. Поэтому разряд развивается в трубке, генерируя в ней плазму. Развиваясь в максимуме электрического поля, плазма разряда быстро и сильно, в масштабе полосы пропускания резонанса, меняет резонансную частоту общего бокового плеча тройников, являющегося низкодобротным резонатором в силу несогласованности тройников со стороны бокового плеча. Так как время пробега рабочей волны вдоль плеча обычно мало по сравнению с временем пробега вдоль накопительного резонатора СВЧ компрессора, то в масштабе этого времени, после развития плазмы, фаза волн, поступающих в общее плечо, быстро меняется на 180°. Это приводит к синфазному сложению волн, излучаемых из входных и боковых плеч в нагрузку, и противофазному сложению волн, излучаемых в сторону входа. Таким образом, тройники открываются, и переключатель переходит в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. После этого цикл накопления и вывода энергии повторяется.
11
Как и в прототипе, часть мощности (1-3 дБ) теряется в плазме. Кроме потерь в плазме в предлагаемом устройстве имеют место потери, связанные с трансформацией рабочей моды в моды паразитные. Однако, т.к. в паразитные моды преобразование идет частичное, то связанные с преобразованием потери не имеют доминирующего значения. Влияние этих потерь можно оценить, сопоставив их с влиянием потерь в плазме. Согласно известному свойству H-тройников, максимальное понижение их коэффициента передачи, имеющее место при полном поглощении волны в боковом плече, составляет 6 дБ. Это максимальная величина возможного понижения усиления и мощности компрессора с таким переключателем. При уровне потерь 1 дБ понижение уменьшается до значения менее 2 дБ. Как показывают оценки, при плазменном канале длиной порядка полдлины волны и диаметром около 1 мм межмодовая связь рабочей моды, например, с родственной модой H, приводит к передаче от моды к моде не более 20% энергии. Поэтому потери на преобразование не превысят 2 дБ. Более того, т.к. условия для паразитных мод создаются нерезонансные, то преобразование будет еще слабее. Потери в плазме и на трансформации могут понизить усиление на 3-4 дБ.
Повышение коммутируемой мощности достигается за счет увеличения площади сечения волновода, из которого выполнен переключатель. Оценочно максимальное увеличение определяется следующими двумя ограничениями.
max
g
g
max
max
max
a
a
a
a
2
2
Первое ограничение связано с ограничением времени пробега волны вдоль сторон бокового плеча. Если T - время двойного пробега волны вдоль накопительного резонатора СВЧ компрессора, а допустимое время пробега вдоль плеча, которое должно быть много меньше T, составляет ~0,1 T, то b≈0,1Tv≈0,2L см, где v - групповая скорость волны. Поэтому с учетом того, что высота сверхразмерного волновода равна ширине  одномодового волновода, для площади сечения находим оценочную величину S≈0,2 L. Отсюда получаем, что, например, в 3-см диапазоне длин волн для волновода с =2,3 см площадь S≈0,46L см, а в 10-см диапазоне с =7,2 см имеем S≈1,44L см. Так для резонатора длиной около метра площадь составит около 0,2L≈20 площадей сечения одномодового волновода 3-см диапазона и около 0,06L≈6 площадей для волновода 10-см диапазона.
3
3
1/2
4
1/2
s
0
s
0
Предельная максимальная длина резонатора задается его допустимым объемом. Согласно формуле Рэлея-Джинса в интервале частот Δf вблизи рабочей частоты f количество ΔN резонансов в резонаторе объемом V можно оценить из соотношения ΔN≈4πVΔf/λf [например, Л.А. Вайнштейн. Открытые резонаторы и открытые волноводы. «Советское радио», Москва. 1966. с. 475]. Если принять, что предельная плотность спектра колебаний составляет не более одного резонанса на десять полос пропускания δf резонанса с типичной для сверхразмерного резонатора добротностью Q=f/δf, то соотношение для плотности спектра приобретает вид 1≈40πV/λQ. Далее, учитывая, что V=abL, где a - длина широкой стенки стандартного прямоугольного волновода, b≤0,2L получаем ограничение на длину резонатора в виде L≤0,2λ(λQ/a). Поскольку типичная величина добротности большинства колебаний сверхразмерных объемных резонаторов составляет значения Q~5×10, то для предельной максимальной длины получаем L~45λ(λ/a)~50λ,. Минимальная длина L определяется верхним пределом величины сверхразмерной стенки b, т.е. для эффективной работы переключателя не должна быть меньше 5λ,. Таким образом, длина резонатора должна удовлетворять неравенствам 5λ<L<50λ,. В принципе, переключатель способен работать и при меньшей длине резонатора, но эффективность работы переключателя по мере укорочения резонатора будет падать. Это связано с увеличением части накопленной энергии, идущей на переключение. Особенно сильно эффективность начинает падать при уменьшении длины резонатора до такой величины, при которой время двойного пробега становится меньше времени переключения. В этом случае за время двойного пробега волны вдоль резонатора коммутирующий разряд не успевает развиться. В диапазоне частот, в котором применение объемных накопительных резонаторов оправдано, время переключения составляет t~0,5-1,5 нс. Отсюда следует оценочная длина резонатора L≈tc/2~0,1 м, при которой резко падает усиление и КПД компрессора, где c - скорость света, L≤5λ.
3
2
3
2
2
2
max
max
max
a
Второе ограничение связано с тем, что объем бокового плеча должен быть не более величины, при которой плазменный канал быстро обеспечивает изменение собственной частоты плеча не менее чем в несколько полос пропускания резонатора - плеча. В этом случае фаза отраженной от плеча волны меняется практически на 180°. Собственная частота плеча при появлении канала длиной ℓ меняется на величину, определяемую соотношением δf/f≈-377ℓE/360Vlg(2ℓ/r) [Штейншлейгер В.Б. Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах. Гос. Издат-во Оборон. Пром. М. 1955, С. 113], где E - напряженность электрического поля в месте плазменного канала, выраженная в единицах нормирования поля на объем резонатора V, r - радиус канала. Если принять, что n полос пропускания достаточно для инверсии фазы, то из соотношения для изменения частоты получаем выражение для величины b≈377?QE/360naλlg(2ℓ/r), где Q - добротность бокового плеча. Кроме того, плазменный канал должен развиться за время порядка 0,1 Т. Поэтому окончательно для предельной величины сверхразмерной стенки получаем b≈3,77(0,02L)QE/28,8nlg(2ℓ/r). Расчеты показывают, что, например, при реальной добротности плеча Q~300, числе полос пропускания n~5, длине канала ℓ~λ/2 и длине резонатора порядка 50 см размеры b, определенные по максимальному времени пробега и по изменению частоты, сопоставимы. Из приведенных оценок следует, что допустимое увеличение площади в 2-3 десятка раз в 3-см диапазоне длин волн и до 10 раз в 10-см диапазоне может обеспечить повышение мощности компрессоров 3-см диапазона до 100 МВт и 10-см диапазона до 1 ГВт.
2
01
01
Работоспособность и преимущество предлагаемого устройства проверены на макете переключателя 3-см диапазона длин волн в виде волноводного моста из двух H-тройников, изготовленных из сверхразмерного прямоугольного волновода сечением 58×25 мм, не превышающим оценочное допустимое его значение. Рабочей волной резонатора и переключателя являлась волна H. Вектор электрического поля этой волны параллелен сверхразмерной стенке волновода резонатора и переключателя и не зависит от координаты этой стенки. В продольном сечении переключатель идентичен мосту из одномодовых тройников, изготовленных из стандартного прямоугольного волновода, с тем лишь отличием, что стенка волновода переключателя, ортогональная вектору электрического поля, имела величину 25 мм вместо 23 мм. Длина общего бокового плеча тройников составляла 100 мм. Диэлектрическая (кварцевая) трубка СВЧ коммутатора была вмонтирована в узкую стенку волновода этого плеча, т.е. в стенку с размером 25 мм, на расстоянии 10 мм от центра плеча. Это расстояние соответствует четверти длины рабочей H волны в волноводе. Трубка с толщиной стенки 1 мм имела наружный диаметр 6 мм и ориентировалась ортогонально узкой и параллельно сверхразмерной стенке волновода общего плеча.
01
10
01
2
2
При достаточно правильной геометрии переключателя и чистой волне H устройство должно работать идентично обычному одномодовому переключателю в виде волноводного моста из двух стандартных Н-тройников с общим боковым плечом, поскольку физические причины, препятствующие работе переключателя, в этом случае практически отсутствуют. Это подтверждено экспериментально при измерении его переходного ослабления в режиме «закрыто». На частоте 9480 МГц с длиной волны в волноводе 40 мм и числом вариант поля вдоль плеча, равным 6, переходное ослабление составило 41 дБ, что практически равно ослаблению моста из одномодового волновода или обычного тройника с короткозамкнутым плечом. Подвод СВЧ мощности к мосту с таким числом вариант осуществлялся через боковое плечо стандартного E-тройника, что обеспечивало противофазность волн во входных плечах. Прямые плечи E-тройника с подсоединенным к ним 90° волноводным поворотам в H-плоскости подключались к прямым входным плечам моста. Подключение осуществлялось через пирамидальные рупорные переходы с сечения 23×10 мм на сечение 58×25 мм. Переходы согласовывали сверхразмерный и одномодовый волноводы и осуществляли взаимное преобразование H и H волн. Волноводный тракт, идентичный тракту входному, был организован и на выходе моста. К боковому плечу выходного E-тройника через прецизионный аттенюатор подключалась детекторная секция. Переходное затухание измерялось методом сравнения.
01
Подтверждено и свойство практически полного открывания моста с H волной при незначительном изменении параметров общего бокового плеча тройников. Такой результат получен при имитации плазменного канала разряда введением в общее боковое плечо тонкой медной проволоки в месте максимума электрического поля рабочей волны (10 мм от центра бокового плеча, т.е. на расстоянии четверти длины рабочей волны в волноводе). Проволока диаметром 0,5 мм и длиной ~10 мм вводилась параллельно силовой линии электрического поля. Идентично отрезку проволоки действовал и диэлектрик в виде кварцевой трубки диаметром 6 мм и толщиной стенки 1 мм. Введение трубки до середины волновода, т.е. на глубину ~30 мм, полностью открывало тройник. Частота запирания при этом смещалась на ~100 МГц.
21
Таким образом, предлагаемый переключатель продемонстрировал характеристики, практически идентичные характеристикам аналогичного переключателя в виде волноводного H-тройника. Однако, поскольку предлагаемый переключатель имеет площадь сечения входных плеч, в два раза превышающую площадь сечения входного плеча переключателя в виде H-тройника, а условия в боковом плече мост и тройника идентичны, то при прочих равных условиях рабочая мощность предлагаемого переключателя будет в два раза выше. По сравнению с переключателем-прототипом, у которого предельный диаметр волновода определяется критическим диаметром для H волны, составляющим около 1,57 см на частоте 9,48 ГГц, площадь сечения волновода предлагаемого переключателя практически также в два раза больше, чем у прототипа. При прочих равных условиях это обеспечит такое же превышение рабочей мощности переключателя. Более того, в приведенном примере исполнения предлагаемого переключателя сечение волновода не является предельным и может быть увеличено, тогда как для прототипа указанный выше диаметр волновода, а, следовательно, и площадь сечения является предельной.
Сохранение основной волны прямоугольного волновода в качестве рабочей обеспечивается рабочей волной переключателя и геометрией волновода, из которого переключатель выполнен.
Таким образом, предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора обеспечивает повышение уровня коммутируемой или рабочей мощности переключателя. По сравнению с прототипом повышение мощности может составлять не менее, чем в два раза, поскольку площадь сечения волновода исследованного переключателя может более чем в два раза превышать площадь сечения волновода прототипа. Кроме того, вывод энергии через предлагаемый переключатель осуществляется практически только на основной волне прямоугольного волновода.
2
По оценкам, при достижимой плотности потока мощности в волноводе 5-10 MW/см, в 3-см диапазоне длин волн переключатель может позволить формировать наносекундные СВЧ импульсы мощностью ~0,1-0,2 ГВт. В 10-см диапазоне длин волн переключатель может обеспечить формирование таких же импульсов мощностью ~1-2 ГВт.