Зеркальный резонатор сумматор и коммутатор квазиоптических волновых пучков

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 2 (1), с. 84-88

УДК 53.082.54

ЗЕРКАЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР - СУММАТОР И КОММУТАТОР КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВЫХ ПУЧКОВ

© 2010 г. В.Г. Павельев 1, Ю.И. Кошуринов 1, Е.В. Копосова 2, Л.В. Лубяко 2

1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

2 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

pav@rf.unn.ru

Поступила в редакцию 14.07.2009

Представлены результаты эксперимента по сложению двух волновых потоков с помощью резонаторного диплексера, работающего на 34 ГГц. Измеренные значения коэффициентов передачи составляют 0.97 для нерезонансного канала и 0.93 для резонансного, ширина резонансной кривой 18 МГц. Результаты согласуются с теоретическими, полученными операторным методом. Опробованная процедура настройки позже была использована в эксперименте по сложению и последующей коммутации излучения двух 140 ГГц гиротронов.

Ключевые слова: диплексер, сложение мощности, передача миллиметровых волн.

Интерес к созданию диплексеров [1, 2] для управления волновыми потоками мощного (до нескольких MW) излучения коротковолновой части миллиметрового диапазона волн в значительной мере связан с исследованиями на установках управляемого термоядерного синтеза (УТС), в частности с возможностью повышения мощности систем электронно-циклотронного (ЭЦ) нагрева плазмы путем сложения излучения от нескольких источников при сохранении числа подводящих линий и с реализацией нового метода подавления одного из типов магнитогидродинамической неустойчивости плазмы. Обе задачи представляют интерес для проекта экспериментального токамака - реактора (ИТЭР), что повышает их важность.

Предлагаемые конструктивные решения ди-плексера, по существу, сводятся к использованию устройства (восьмиполюсника), частотные свойства которого таковы, что различие частот поступающего на вход излучения приводит к изменению направления распространения излучения, т.е. сигналы с различными частотами поступают на разные выходы. В силу обратимости направления распространения это же устройство может служить и для сложения на общем выходе двух разночастотных сигналов, поступающих на разные входы. В диплексере в качестве базового элемента могут использоваться двулучевые или многолучевые интерферометры, выбор параметров которых позволяет обеспечить необходимую селективность [2].

Требование высокой электропрочности, очевидно, может быть удовлетворено только при использовании квазиоптических устройств [1].

По этой же причине привлекательно использование отражательных дифракционных фазовых решеток в качестве элементов связи. Такие решетки могут работать при высокой плотности излучения и позволяют создать квазиоптические аналоги различных волноводных элементов.

Предложенная в [3] конструкция диплексера на основе открытого резонатора с гофрированными зеркалами оказалась удачной. Она, по существу, впервые позволила продемонстрировать [2] возможность управления мощным потоком излучения. Селективные свойства предложенного диплексера (см. рис.1) определяются параметрами высокодобротного четырехзеркального резонатора бегущей волны и степенью его связи с линией. Два плоских зеркала (1 и 3, см. рис. 1) с гофрированной поверхностью являются общими для резонатора и запитываю-щей его зеркальной линии и служат элементами связи с трактом, а вторая пара (2 и 4) фокусирующих зеркал обеспечивает формирование циркулирующего в резонаторе потока в виде гауссова пучка.

Связь резонатора с линией через общее гофрированное зеркало обеспечивается за счет дифракции на синусоидальной (в нашем случае) металлической поверхности. Период и ориентация гофры подбираются с тем расчетом, чтобы помимо нулевого в направлении зеркального отражения возникал еще единственный (-1-й) дополнительный дифракционный максимум, который и используется для возбуждения резонатора на резонансной частоте. Величина связи выбрана достаточно большой, чтобы потери на связь были доминирующими в резонаторе. «Пе-

регруженный» связью с трактом резонатор при идентичности входного и выходного зеркал связи полностью прозрачен на резонансной частоте.

Нерезонансное излучение, поступающее на вход 1, зеркально отражается и поступает на выход. На этот же выход придет и резонансное излучение, поступающее на вход 2. Таким образом, произойдет суммирование двух сигналов разной частоты на общем выходе. Вследствие симметрии, если поменять резонансный и нерезонансный входы местами, то суммарное излучение придет на второй выход.

В данном сообщении обсуждаются результаты по суммированию излучения двух маломощных источников, полученные при подготовке эксперимента по сложению мощного излучения. Эксперименты проводились на частоте 34 GHz с использованием лабораторного макета резонаторного диплексера [3]. Работа имела целью уточнение методики юстировки установки и проверку нового подхода к расчету диплексера. Этот расчет отличается тем, что квазиоптическое интегральное уравнение строится на основе операторного метода, предложенного в работе [4], а решается методом итераций, так же как в работе [5].

Рис. 1. а) Общий вид макета резонансного диплексера; Ь) блок-схема стенда для измерения параметров диплексера: 1-4 зеркала резонатора, 5 - волноводно-рупорный переход, 6 - корректирующее зеркало, 7 - детектор, 8 -генератор без модуляции, 9 - свипируемый по частоте генератор Г анна

Измерительный стенд (рис. 1) позволял измерить коэффициенты передачи диплексера в каждом из каналов, а в режиме сложения - наблюдать результат сложения. Он включал в себя: исследуемый диплексер, два источника сигнала диапазона 34 GHz (9 - генератор на диоде Ганна с электронной перестройкой частоты, 8 - генератор типа Г-114), а также детекторы (7), снабженные калиброванными аттенюаторами. Сигналы с выходов детекторов индицировались на экране двухканального осциллографа.

СВЧ-часть стенда (рис. 1а) - открытый четырехзеркальный кольцевой резонатор и тракт высокой частоты - смонтирована на единой платформе. Резонатор установлен так, что осевые лучи циркулирующего потока (плоскость циркуляции) лежат в вертикальной плоскости. Для коллимации использованы зеркала, представляющие собой вырезки эллиптических параболоидов. Параметры зеркал (параметры резонатора приведены в таблице 1) обеспечивают формирование и циркуляцию волнового потока в резонаторе в виде несимметричного гауссова

Таблица 1

резонатора

Параметр Величина

Рабочий диапазон частот, GHz 33.5 - 34.5

Поперечные размеры фокусирующих зеркал, mm | | -184, 1 - 223

Радиусы кривизны фокусирующих зеркал, mm | | -1018, 1 - 6003

Поперечные размеры гофрированных зеркал, mm | | -156, 1 - 221

Период гофра, mm 8.75

Амплитуда гофра, mm 0.76

Длина резонатора, mm 808

Радиационная (нагруженная) добротность резонатора 2000

Собственная добротность резонатора (1/ + 1/ 0_Омин, )-1 50000

Frequency, GHz

Рис. 2. Коэффициенты передачи диплексера

Рис. 3. Результат сложения двух сигналов (Рг и Рп) на общем выходе диплексера - 1, линейное напряжение, управляющее частотой генератора, - 2

пучка. Гофрированные зеркала 1 и 3 установлены вертикально. Направление канавок гофрировки составляет 45о с плоскостью циркуляции. Для излучения, поступающего на «нерезонансный» (в обозначениях рис. 1 - In 1) вход, направление (-1-го) дифракционного максимума совпадает с одним из направлений циркуляции волнового потока в резонаторе, что и обеспечивает его связь с линией. Ввод и вывод излучения осуществлены с помощью идентичных систем, каждая из которых представляет собой переход с прямоугольного волновода основного сечения с волной Яш на зеркальную линию, в которой распространяется гауссов пучок с линейной поляризацией (вектор электрического поля параллелен направлению канавок гофры).

Расчетные характеристики коэффициентов передачи для резонансного и нерезонансного каналов приведены на рис. 2. Частотная зависимость коэффициента передачи для резонансного канала представляет собой последовательность резонансных максимумов, отстоящих (при данной длине резонатора) на 370 MHz друг от друга. Ширина полосы по уровню -3 dB составляет 15 MHz, а потери в максимуме не более 7%. При отстройке от резонанса более чем на 100 MHz потери в «широко полос-

ном» нерезонансном канале не превышают (2-3)%. При суммировании можно ожидать, что контраст суммарного канала будет более 10.

На рис. 3 приведен индицируемый на экране осциллографа результат сложения двух сигналов: поступающего на нерезонансный вход сигнала, отстроенного по частоте на 160 MHz, и линейно перестраиваемого по частоте сигнала, прошедшего через резонансный канал. По существу, это характеристика резонансного канала, смещенная на величину, пропорциональную сигналу из второго канала. Экспериментальные значения коэффициента передачи составляют

0.97 для нерезонансного канала (в середине межмодового расстояния) и 0.93 для резонансного. Ширина резонансной кривой соответствует расчетной и составляет не более 18 МГ ц.

Таким образом, практика работы с 34 GHz диплексером позволила выработать приемы и методику юстировки, которые были использованы [6] в эксперименте с 140 GHz диплексе-ром по суммированию (с последующим переключением) мощного излучения от двух гиротронов. Успешность экспериментов по сложению и коммутации высокой (до 1 MW) мощности позволяет предлагать диплексер данной конструкции для использования в системах

электронно-циклотронного нагрева существующих и проектируемых установок У ТС.

Авторы выражают благодарность М.И. Петелину за постоянное внимание и полезные замечания в ходе выполнения работы.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 08-02-01233, и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», шифр 2009-1.1-219-005, по теме: «Новые мощные источники и квазиоптические структуры СВЧ-диапазона».

Список литературы

1. Petelin M.I., Garyotakis G., Tolkachev A.A. et al. // Proc. Amer. Institute of Physics Conf. 474. N.Y.: Woodbury, 1998. P. 304.

2. Kasparek W., Petelin M.I., Erckmann V. et al. Fast switching and power combination of high-power electron cyclotron wave beams: principles, numerical results and experiments // Fusion Sci. Technol. 2007. 52. Р. 281-290.

3. Кошуринов Ю.И., Павельев В.Г., Петелин М.И. и др. Диплексер на основе открытого резонатора с гофрированными зеркалами // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31, вып. 16. С. 73-79.

4. Таланов В.И. Операторный метод описания волновых пучков в комбинированных квазиоптиче-ских системах // Изв. вузов. Радиофизика. 1965. Т. 8, № 2. С. 260.

5. Власов С.Н., Копосова Е.В. Открытые резонаторы, возбуждаемые волновым пучком // Изв. вузов. Радиофизика. 2001. Т. 44, в. 11. С. 940-952.

6. Erckmann V., Kasparek W., Koshurinov Y. et al. Power Combination of Two 140 GHz Gyrotrons and Fast Switching of the Combined Beam // Fusion Sci. Technol. 2009. 55. 1. Рр. 23-30.

MIRROR RESONATOR - COMBINER AND SWITCHER OF QUASIOPTICAL WAVE BEAMS

V.G. Pavel’ev, Yu.I. Koshurinov, E. V. Koposova, L. V. Lubyako

The results of the experiment on the combining two wave beams by a 34 GHz resonator diplexer have been presented. The measurement values of diplexer transmission coefficients are 0.97 for the non-resonance channel and 0.93 for the resonance channel, the width of the resonance curve is 18 MHz. The results agree with the theoretical ones obtained by the operational method. The diplexer tuning procedure has been used later in the experiment on combining and subsequent switching of two 140 GHz gyrotron emissions.

Keywords: diplexer, power combiner, millimeter wave transmission.