ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к технике СВЧ, конкретно к области формирования импульсов СВЧ-энергии и может быть использована в различных системах ВЧ питания электрофизической аппаратуры, например, ускорителей заряженных частиц, в радиолокации, при исследовании взаимодействия электромагнитных импульсов с различными средами и объектами.
Известны формирователи импульсов, основанные на накоплении СВЧ-энергии в резонансных объемах с последующим быстрым ее выводом в нагрузку [Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984. 112 с.].
p
в
в
в
Известен формирователь СВЧ-импульсов, содержащий СВЧ-генератор, накопительный резонатор и волноводный тройник [Девятков Н.Д., Диденко А.Н. и др. Формирование мощных импульсов при накоплении СВЧ-энергии в резонаторе. - Радиотехника и электроника. - 1980. - 1.25, №6. - С.1227-1230]. Резонатор и тройник выполнены из стандартных волноводов прямоугольного сечения. Длина резонатора выбирается из условия L=n(λ/2), где λ - длина волны в волноводе, n - целое число. С одной стороны резонатор ограничен элементом возбуждения, с другой стороны - тройником. Одно из плеч тройника закорочено проводящей стенкой, другое подключено к согласованной нагрузке. На расстоянии (3/4)λ от закорачивающей стенки находится разрядник, поджигающий электрод которого размещен вне объема тройника в отверстии в широкой стенке волновода.
вых
Длительность импульса на выходе формирователя t задается временем двойного пробега электромагнитной волны вдоль оси резонатора и определяется соотношением:
p
кр
где L - длина резонатора,  - скорость переноса электромагнитной энергии в волноводе, с - скорость света, ε, μ - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, заполняющей волновод, λ - критическая длина волны в волноводе, n - целое число, λ - длина волны в свободном пространстве.
n
Геометрическая длина закороченного плеча L тройника подобрана таким образом,
n
что набег фазы Δφ электромагнитной волны, распространяющейся в нем от точки ветвления тройника до закорачивающей проводящей стенки, составляет величину
где  - фазовая постоянная, m - целое число.
1
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии разрядник не включен. Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора поступает во внутренние объемы волноводов резонатора и тройника. В этом случае набег фазы электромагнитной волны, распространяющейся от точки ветвления тройника до закорачивающей стенки и обратно с учетом сдвига фазы при отражении от стенки на n, составляет φ=2mπ+π.
в
2
1
вых
Таким образом, поступая в выходное плечо тройника, она складывается в противофазе с волнами, распространяющимися вдоль оси резонатора, взаимно погашая друг друга, и электромагнитная энергия в нагрузку не поступает, накапливаясь в объеме резонатора. После завершения процесса накопления подается высоковольтный импульс напряжения на электрод разрядника. В закороченном плече тройника на расстоянии (3/4)λ от закорачивающей стенки, зажигается искровой СВЧ-разряд. Электрическая длина плеча уменьшается на величину . Полный набег фазы электромагнитной волны, после отражения ее от области искрового разряда в точке ветвления тройника составляет φ=φ-2Δφ=2π(m-1). Начиная с этого момента волны, поступающие из закороченного плеча тройника и накопительного резонатора, синфазно возбуждают выходное плечо тройника. Если к последнему подключена согласованная нагрузка, то вся накопленная в резонаторе электромагнитная энергия передается в нее без отражений за время t.
вых
p
в
вых
p
в
-9
2
2
К недостаткам устройства относится следующее. Как видно из соотношения (1) длительность импульса на выходе формирователя t связана линейной зависимостью с длиной резонатора L, которая, в свою очередь, кратна целому числу n полуволн λ/2. Например, при длине волны λ=10 см и длительности СВЧ-импульса на выходе формирователя t=26·10c, длина резонатора L=2.8 м и n=40, т.е. вдоль его оси укладывается сорок длин полуволн λ/2. Применение устройства данной конструкции в метровом диапазоне длин волн дополнительно требует увеличения геометрических размеров поперечного сечения волноводов, из которых изготовлен формирователь. Так, если поперечное сечение волноводов в указанном выше примере составляет 7,2×3,4 см, то в метровом диапазоне длин волн не менее 72×34 см.
Таким образом, существенным недостатком данного устройства являются большие размеры накопительного резонатора, и соответственно, большой вес формирователя в целом при времени вывода энергии, составляющем несколько десятков наносекунд.
n
Наиболее близкими к предлагаемой полезной модели, принятыми в качестве прототипа, являются формирователи импульсов [Новиков С.А., Разин С.В., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирователь импульса. Авторское свидетельство СССР №1752199, МПК Н03К 3/53, Н01Р 1/14, публ. 1992], содержащий СВЧ-генератор, накопительный резонатор и тройник, при этом резонатор и тройник выполнены в виде коаксиально расположенных наружного и внутреннего проводников диаметрами D и d, соответственно. Рабочая длина волны данного типа формирователя равна длине волны СВЧ-колебаний λ в свободном пространстве. Формирователь работает на низшем типе колебаний, что требует выполнение условия  [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Из-во «Высшая школа», 1970. T.1. с.93]. Таким образом, при работе формирователя в длинноволновом диапазоне не требуется увеличение поперечных размеров резонатора и тройника. Минимальные размеры диаметра D внешнего проводника определяют допустимые величины накапливаемой в резонаторе СВЧ мощности из-за появления электрических пробоев. Геометрическая длина закороченного плеча тройника L жестко связана с рабочей длиной волны формирователя λ и составляет величину, равную λ/4. Разрядник в данном устройстве реализован в виде зазора между закорачивающей стенкой и концом внутреннего проводника плеча тройника. Зазор обеспечивает разницу в набеге фазы при распространении электромагнитной волны в закороченном плече в режиме накопления и в режиме вывода накопленной энергии. Эта разница в точке ветвления тройника составляет π.
Величина зазора разрядного промежутка тройника является достаточной, чтобы пробой в этом промежутке происходил при достижении в резонаторе максимальных высокочастотных полей с точки зрения его электрической прочности. Это позволяет получать на выходе формирователя СВЧ-импульсы мощностью в десятки мегаватт.
Устройство-прототип работает следующим образом. Накопление энергии в резонаторе обусловлено процессами, протекающими, как и в предыдущем формирователе. Отличие заключается в том, что в конце процесса накопления СВЧ-пробой в плече тройника происходит между торцевой поверхностью отрезка внутреннего проводника и закорачивающей стенкой. После этого электрическая длина закороченного плеча принимает значение , фаза волны, отраженной от закорачивающей стенки плеча
вых
тройника и поступающая в точку ветвления коаксиального соединения, изменится на π и будет складываться в фазе с волной, поступающей из резонатора. Это означает установление полной связи с нагрузкой, приводящей к передаче в нее энергии из резонатора за время t. Реализация устройства позволяет существенно снизить поперечные размеры резонатора и тройника и получать на выходе формирователя наносекундные СВЧ-импульсы мощностью в десятки мегаватт при диаметре внешнего проводника D=9 см.
вых
p
-9
Недостатком устройства-прототипа является то, что длина накопительного резонатора формирователя и, соответственно, его вес остаются недопустимо большими с точки зрения условий эксплуатации при длительности СВЧ-импульса на выходе устройства десятки наносекунд. Например, при длительности импульса t=26·10c длина резонатора L=3.9 м.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в уменьшении линейных размеров формирователей импульсов.
Указанный технический результат достигается тем, что в формирователе импульсов, содержащем, как и прототип, СВЧ-генератор, соединенный элементом связи с накопительным резонатором и тройником, выполненными в виде коаксиально расположенных наружного и внутреннего проводников, и имеющем разрядный промежуток, расположенный в закороченном плече тройника, согласно предлагаемому решению, внутренний проводник выполнен в виде спирали, при этом длина накопительного резонатора определяется соотношением
а длина закороченного плеча определяется соотношением
где k - коэффициент замедления спирали, n - целое число.
В предлагаемой полезной модели электромагнитная волна, поступающая от генератора на вход резонатора, распространяется со скоростью света вдоль внутреннего проводника, скрученного в спираль. За время, которое волна потратит, обегая один виток спирали длиной , где s - шаг спирали, R - радиус спирали, она продвинется вдоль оси резонатора на расстояние s - равное шагу спирали [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Из-во «Высшая школа», 1970. T.1. с.372]. Таким образом, за один и тот же промежуток времени электромагнитная волна пройдет в предлагаемой полезной модели вдоль оси резонатора и тройника расстояние в
p
n
раз меньше, чем в устройстве-прототипе. Таким образом, при заданной длительности импульса на выходе формирователя, или при заданной длине волны колебаний на выходе СВЧ-генератора, необходимые длины резонатора L и закороченного плеча L в предлагаемой полезной модели в k раз меньше, чем в устройстве-прототипе и определяются соотношениями (3) и (4).
Вариант выполнения предлагаемого устройства представлен на фиг.1.
Устройство содержит коаксиальный резонатор 1, с одной стороны соединенный элементом возбуждения 2 с СВЧ-генератором 3, с другой стороны ограниченный коаксиальным тройником 4. Плечо 5 коаксиального тройника 4 замкнуто закорачивающей стенкой 6. Внутренний проводник 7 резонатора 1 и тройника 4 выполнен в виде спирали. Между торцом отрезка спирального проводника 7, расположенного в закороченном плече 5, и закорачивающей стенкой 6 находится разрядный промежуток 8. К выходному плечу 9 тройника 4 подключается согласованная нагрузка.
n
Устройство работает следующим образом. Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора 3 через элемент возбуждения 2 поступает на вход резонатора 1. Во внутренних объемах резонатора 1 и закороченного плеча 5 тройника 4 возбуждается СВЧ-поле. Напряженность поля в области разрядного промежутка 8 в конце процесса возбуждения достигает величины, достаточной для самопробоя искрового СВЧ-разряда, закорачивающего разрядный промежуток 8. Электрическая длина закороченного плеча 5 тройника 4 становится равной π/2. Начиная с этого момента электромагнитные волны, отраженные от закорачивающей стенки 6 тройника 4, с учетом времени прохождения ими расстояния L закороченного плеча 5 совместно с волнами, распространяющимися вдоль оси резонатора 1, синфазно возбуждают выходное плечо 9 тройника 4. Если к последнему подключена согласованная нагрузка, то вся накопленная электромагнитная энергия передается в нее без отражений.
вых
-9
Достижение технического результата иллюстрируется следующим примером. Требуется получить на выходе формирователя СВЧ-импульс длительностью t=26·10c. Рабочая частота СВЧ-генератора составляет 40 МГц, что соответствует длине волны λ=7.8 м. Геометрические размеры формирователя устройства-прототипа составляли: длина накопительного резонатора равна ≈3.9 м (n=1), а длина закороченного плеча ≈2 м. В конкретной реализации предлагаемой полезной модели зададим для внутреннего проводника следующего значения радиуса и шага спирали: R=25 мм и s=12 мм. В соответствии с соотношением (5) величина коэффициента замедления спирали k=8.
p
n
вых
-9
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет уменьшить в несколько раз геометрические размеры формирователя по отношению к устройству-прототипу при сохранении длительности СВЧ-импульса на его выходе. Так в рассматриваемом примере длина накопительного резонатора L (соотношение (3)) и закороченного плеча L (соотношение (4)) полезной модели при t=26·10c составили ≈48 см и 25 см соответственно.
Следовательно, предлагаемая полезная модель позволяет существенно уменьшить весо-габаритные характеристики рассматриваемых формирователей и тем самым имеет большое значение для техники получения наносекундных СВЧ-импульсов мощностью в десятки мегаватт.