ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО СВЧ КОМПРЕССОРА
INTERFERENCE SWITCH FOR RESONANCE MICROWAVE COMPRESSOR

Изобретение 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 ряд интерференционных переключателей резонансных СВЧ компрессоров на основе Т-образного волноводного Н-тройника. Наиболее распространенный вариант такого переключателя представляет собой Н-тройник из прямоугольного волновода с прямым входным плечом и короткозамкнутым боковым либо вторым прямым плечом с СВЧ коммутатором тригатронного типа, расположенным на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя [А.Н.Диденко, Ю.Г.Юшков. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.112]. При этом разрядник подсветки разрядного промежутка СВЧ коммутатора, как правило, расположен на широкой стенке волновода в максимуме электрической составляющей поля рабочей моды переключателя. Из-за ограниченной площади сечения и ограниченной электрической прочности изолирующей среды волновода переключатель имеет естественный предел рабочей мощности. Так, например, в 10-см диапазоне длин волн этот предел не превышает 200 МВт. Кроме того, повышенная напряженность поля вблизи элементов конструкции разрядника подсветки 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 амплитуды и длительности выходных импульсов СВЧ компрессора.
Известен интерференционный СВЧ переключатель резонансного СВЧ компрессора [RU патент №2328062] на основе Н-тройника, в котором разрядник подсветки расположен не на широкой стенке волновода, а в короткозамыкателе коммутирующего плеча, где электрическое поле практически отсутствует. Кроме того, на узких стенках этого плеча на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя и в плоскости, параллельной короткозамыкателю, выполнены щелевидные отверстия. Через щели осуществляется продув разрядного промежутка СВЧ переключателя. При этом в одну из широких стенок волновода коммутирующего плеча, в плоскости симметрии плеча на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя, электрически плотно вмонтирована неоднородность из тугоплавкого металла. Неоднородность локализует место развития разряда. Такая конструкция обеспечивает повышение стабильности срабатывания переключателя, но не повышает рабочую мощность.
Известен также интерференционный СВЧ переключатель, выполненный на основе Т-образного Н-тройника из круглого одномодового волновода [В.А.Августинович, С.Н.Артеменко, В.Ф.Дьяченко, В.Л.Каминский, С.А.Новиков, Ю.Г.Юшков. Исследование переключателя СВЧ компрессора с коммутацией в круглом волноводе. ПТЭ, 2009, №4, с.106-109; RU патент №2387055]. В короткозамкнутом плече тройника переключатель также содержит СВЧ коммутатор тригатронного типа, который включает в себя разрядник подсветки, диэлектрическую трубку, расположенную по диаметру волновода в плоскости симметрии плеча на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя. Кроме того, он включает в себя патрубки для продува промежутка, вмонтированные в стенки плеча. Такое исполнение устройства повышает стабильность срабатывания, а также предельный уровень коммутируемой мощности и, следовательно, предельную мощность компрессора. Однако в силу ограниченной площади сечения одномодового круглого волновода и ограниченной электрической прочности заполняющей волновод изолирующей среды он также имеет ограниченный уровень рабочей мощности, не превышающий в 10-см диапазоне длин волн 500-600МВт.
В [Августинович В.А., Артеменко С.Н., Новиков С.А. Волноводный мост как элемент вывода энергии резонансного СВЧ компрессора. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2008, т.LI, №3, с.216-222] предложена иная конфигурация СВЧ переключателя, представляющая собой волноводный мост, выполненный из двух лежащих в одной плоскости Т-образных Н- тройников из прямоугольного волновода с общим полуволновым боковым плечом. Переключение устройства осуществляется СВЧ коммутатором, расположенным в центре общего плеча либо на расстоянии четверти длины волны в волноводе от центра, в зависимости от того, синфазны или противофазны волны на входах моста, к которым подсоединены выходы двух накопительных резонаторов. Вывод энергии одновременно из двух резонаторов обеспечивает двукратное повышение рабочей мощности при неизменном уровне коммутируемой мощности.
Известен переключатель [RU патент на полезную модель №108218], содержащий два Т-образных Н-тройника, лежащих в одной плоскости, выполненных из круглого волновода диаметром D с общим боковым плечом полуволновой длины, и СВЧ-коммутатор, расположенный в коммутирующей секции этого плеча. Коммутирующая секция общего бокового плеча выполнена с переменным сечением и включает полуволновой отрезок, торцы которого сопряжены с волноводами боковых плеч тройников через плавные волноводные переходы. Этот интерференционный переключатель в силу большей площади сечения волновода может обеспечить более высокую рабочую мощность. Вместе с тем, такие переключатели также имеют естественное ограничение площади сечения волноводов и прочности изолирующей среды и, соответственно, ограничение уровня рабочей мощности. Однако они допускают возможность увеличения рабочей мощности при практически неизменном уровне коммутируемой мощности либо повышение стабильности срабатывания при неизменной рабочей мощности путем увеличения количества каналов вывода энергии. По технической сущности переключатель на основе волноводного моста является наиболее близким к предлагаемому устройству, и он взят за прототип.
Задачей изобретения является повышение уровня рабочей мощности и (или) достижение более высокой стабильности срабатывания переключателя.
Технический результат заключается в увеличении рабочей мощности переключателя при неизменной стабильности срабатывания либо в повышении стабильности срабатывания при неизменной рабочей мощности за счет увеличения количества каналов, через которые осуществляется вывод накопленной энергии из большего числа резонаторов.
1. Указанный результат достигается тем, что интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора, содержащий, как и прототип, два волноводных Н-тройника, лежащих в одной плоскости, с входными и выходными прямыми плечами и объединенными боковыми плечами полуволновой длины, и СВЧ коммутатор с газоразрядной трубкой и разрядником подсветки, в отличие от прототипа, дополнительно содержит два волноводных Н-тройника, лежащих в одной плоскости, при этом плоскости, в которых попарно расположены Н-тройники, ортогональны между собой, боковые плечи Н-тройников объединены через окна связи в полное сечение волновода в цилиндрической стенке проходного резонатора, длина L которого равна максимальному поперечному размеру волновода d боковых плеч, а радиус R удовлетворяет условию
2
2
0,5
R≈2dλ/3,413(4d -λ),
где d - максимальный поперечный размер волновода боковых плеч;
λ - длина рабочей волны и λ≈1,4d,
°
причем СВЧ коммутатор выполнен в проходном резонаторе и газоразрядная трубка расположена на полувысоте проходного резонатора по его диаметру под углом 45к направлению боковых плеч, а разрядник подсветки расположен в центре одного из торцов газоразрядной трубки.
Целесообразно, чтобы рабочая частота проходного резонатора бала равной частоте, на которой боковые плечи Н-тройников имеют полуволновую электрическую длину.
1
1
2
2
Целесообразно, чтобы внешний диаметр газоразрядной трубки dсоставлял d≈λ/6, а ее внутренний диаметр d составлял d≈λ/10.
°
На Фиг.1,2 изображена схема предлагаемого переключателя. Интерференционный переключатель содержит волноводный мост в виде четырех Т-образных Н-тройников 1 с входными 2 и выходными 3 прямыми плечами и полуволновыми боковыми плечами 4. Боковые плечи 4 объединены через окна связи в полное сечение волновода в цилиндрической стенке проходного цилиндрического резонатора 5 радиусом R и длиной L, равной максимальному поперечному размеру d волновода. СВЧ коммутатор 6 расположен в проходном резонаторе и представляет собой газоразрядный СВЧ переключатель тригатронного типа. Он выполнен с газоразрядной трубкой 7, расположенной по диаметру проходного резонатора 5 на полувысоте этого резонатора и ориентированной под углом 45 к боковым плечам тройников. По центру одного из торцов трубки 7 смонтирован разрядник подсветки 8.
111
°
Переключатель работает следующим образом. На входы 2 подается, например, четыре синфазные волны, имеющие одинаковые амплитуды. Эти волны делятся тройниками 1 на волны, отраженные от тройников, волны, поступающие в боковые плечи 4, и волны, следующие к выходам переключателя 3. Синфазные волны, поступающие в боковые плечи 4, возбуждают проходной резонатор 5. Размеры проходного резонатора 5 выбраны таким образом, что в резонаторе 5 возбуждается Н вид колебаний. В резонаторе 5 в максимуме электрического поля расположена кварцевая трубка 7 СВЧ коммутатора 6. Поскольку окна связи этого резонатора 5 с боковыми плечами 4 выполнены в полное сечение волноводов плеч и высота и диаметр резонатора 5 сопоставимы с максимальным поперечным размером этих волноводов, то резонатор 5 сильно пересвязан и его коэффициент усиления практически приближается к единице. При этом площадь сечения резонатора 5 в несколько раз превышает площадь сечения каждого из четырех волноводов боковых плеч 4 Н-тройников 1, что обеспечивает сопоставимость напряженности поля в волноводах боковых плеч 4 и резонаторе 5 и, следовательно, сопоставимость электрической прочности. Кроме того, т.к. для рабочей частоты переключателя электрическая длина боковых плеч 4 выбрана полуволновой, то Н-тройники 1 закрыты и подводимые к входам 2 переключателя волны отражаются от тройников и в нагрузку практически не поступают. Включение СВЧ коммутатора 6 приводит к быстрому развитию СВЧ разряда в трубке 7 и скачкообразному изменению резонансной частоты проходного резонатора 5. Это обеспечивает изменение фазы отраженных от резонатора волн на 180, так как характер нагрузки боковых плеч при включении СВЧ коммутатора 6 меняется от соответствующего режиму холостого хода до соответствующего режиму короткого замыкания. В результате Н-тройники 1 открываются и подводимые к переключателю волны через выходные плечи 3 моста поступают в нагрузку.
Более детальное описание работы переключателя сводится к следующему. Волна, поступающая на вход 2 каждого Н-тройника 1, делится им на три волны - отраженную обратно к генератору, ответвленную в боковое плечо 4 и прошедшую в выходные плечи 3. При этом согласно известному свойству тройника, согласованного со стороны бокового плеча, четверть мощности подводимой волны отражается, половина ответвляется и четверть проходит на выход. Если боковое плечо короткозамкнуто и имеет полуволновую длину, то волна, отраженная от короткозамыкателя и пришедшая к каждому из Н-тройников со стороны бокового плеча, делится Н-тройником на две волны, идущие к входу и выходу. В силу выбора длины бокового плеча 4 полуволновой и в силу известных свойств Т-образных H-тройников 1, волны, поступающие в выходные плечи 3 устройства из боковых плеч 4 и со стороны входа 2, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ- энергии в нагрузку через переключатель в режиме «закрыто». Волна, излучаемая из бокового плеча 4 в сторону входа 2 переключателя, синфазно суммируется с волной, отраженной от Н-тройника 1. В результате волны, поступающие на вход 2 переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражаются от Н-тройников 1. После срабатывания СВЧ коммутатора 6, которое приводит к инверсии фазы волн в боковых плечах 4, обеспечивается синфазное суммирование волн на выходе 3 переключателя, а также противофазное на входе 2. Таким образом, переключатель переходит в режим «открыто» и накопленная энергия синхронно поступает в выходные плечи Н-тройников, где она может быть просуммирована. После этого цикл накопления и вывода повторяется.
Повышение рабочей мощности переключателя достигается за счет распределения мощности волны между большим количеством каналов при практически неизменном уровне коммутируемой мощности. Поэтому при фиксированном уровне коммутируемой мощности входная и выходная мощность предлагаемого переключателя может в два раза превышать рабочую мощность прототипа. Наоборот, при фиксированной мощности входной волны распределение мощности по большему числу каналов понижает уровень коммутируемой мощности, что способствует повышению стабильности срабатывания переключателя. Другими словами, при фиксированном уровне входной мощности более стабильная работа переключателя обеспечивается более низкой напряженностью поля в коммутирующей секции и соответствующим уменьшением количества сбросов на самопробой. В то же время, при заданной стабильности срабатывания понижение напряженности из-за увеличения количества каналов позволяет повысить уровень рабочей мощности.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение уровня рабочей мощности и (или) стабильности срабатывания переключателя.
Работоспособность предлагаемого изобретения была проверена экспериментально на низком уровне мощности, на макете переключателя 3-см диапазона длин волн.
2
Четыре Н-тройника переключателя были изготовлены из стандартного прямоугольного волновода сечением 23×10 мм. В качестве входных и выходных плеч устройства служили прямые плечи тройников длиной около 80 мм. Н-тройники попарно и симметрично были расположены в двух ортогональных плоскостях и боковыми плечами объединены через проходной цилиндрический резонатор. Длина боковых плеч 4 до окна связи с проходным резонатором составляла 61 мм и на частоте 9280 МГц была полуволновой. Это было установлено в экспериментах, проведенных на каждом тройнике отдельно. При короткозамкнутом боковом плече тройники на этой частоте закрыты.
111
2
Проходной резонатор 5 с рабочей частотой Н вида колебаний 9280 МГц был изготовлен из цилиндра диаметром 26 мм и имел высоту 23 мм. Его окна связи с боковыми плечами тройников были выполнены в полное сечение стандартного прямоугольного волновода, т.е. размерами 23×10 мм.
Для определения работоспособности переключателя было измерено его переходное ослабление в режимах «закрыто» и «открыто».
Мощность на входы переключателя подавалась попарно и симметрично через два идентичных согласованных со стороны бокового плеча волноводных Н-тройника из стандартных прямоугольных волноводов. К боковым плечам этих тройников мощность подводилась от прямых плеч третьего тройника, который также был согласован со стороны бокового плеча и использовался для деления входной мощности. Прямые плечи этого тройника, одно через волноводную скрутку, другое через фазовращатель, подсоединялись к боковым плечам тройников, питающих входы переключателя.
Перед подсоединением к входам переключателя контролировалась мощность и фаза на каждом выходе питающих тройников. Мощность определялась по показаниям калиброванного детектора. Выравнивание мощности по выходам тройников осуществлялось регулируемым ослаблением волны в плечах питающих тройников. Фаза контролировалась по амплитуде суммарного выходного сигнала с каждой из двух пар тройников. Суммирование осуществлялось поочередно в четвертом, выходном, Н-тройнике. Суммируемые волны подавались в его прямые плечи, суммарный сигнал фиксировался на выходе бокового плеча. Дисбаланс фаз устранялся фазовращателем.
После выравнивания мощности и устранения дисбаланса фаз по четырем выходам питающих Н-тройников к этим выходам подсоединялись входы переключателя, и методом сравнения измерялось переходное ослабление переключателя по каждому его выходу. Процедура сравнения заключалась в индикации и фиксировании на экране осциллографа амплитуды сигнала, снимаемого с СВЧ детектора по каждому выходу переключателя. Затем СВЧ детектор с каждого выхода переключателя поочередно через калиброванный регулируемый аттенюатор подсоединялся к каждому выходу питающего тракта переключателя. Далее, регулируя ослабление аттенюатора, обеспечивали равенство сигнала с детектора на каждом выходе питающего тракта сигналу на соответствующем выходе переключателя. На рабочей частоте переключателя 9280 МГц в режиме «закрыто» ослабление по всем выходам составило 43±2 дБ. Таким образом, различие ослабления по выходам не превышало 4 дБ при абсолютном его значении, сопоставимом с ослаблением обычного интерференционного переключателя.
°
Перевод переключателя в режим «открыто» осуществлялся имитатором плазмы разряда. В роли имитатора использовался отрезок медной проволоки диаметром 0,3 мм и длиной 10 мм. Отрезок вводился в проходной резонатор 5 на его полувысоте по диаметру, ориентированному под углом±45 к боковым плечам 4 Н-тройников 1 переключателя. Один из этих углов совпадал с направлением плоскости поляризации рабочей волны проходного резонатора 5. В этом месте в центре объема проходного резонатора 5 находится максимум электрической составляющей поля его рабочего вида колебаний. Взаимодействие проводника с полем приводило к переходу переключателя в режим «открыто». В этом режиме более 90% подводимой мощности передавалось в выходные плечи переключателя.
Таким образом, результаты экспериментального исследования четырехканального интерференционного переключателя подтвердили его работоспособность. Возможность повышения рабочей мощности переключателя, по сравнению с мощностью прототипа, обусловлена двукратным увеличением количества каналов, через которые может быть осуществлен синхронный вывод энергии. При фиксированном уровне мощности коммутируемой волны двукратное увеличение числа каналов позволяет двукратно увеличить запас энергии в резонаторе и сохраняет время вывода. Увеличение запаса энергии, при сохранении времени вывода, означает возможность пропорционального увеличения мощности выходных импульсов компрессора, что эквивалентно повышению рабочей мощности переключателя. Увеличение числа каналов при неизменной рабочей мощности ведет к понижению напряженности поля в переключателе и, как следствие, к повышению стабильности его работы.