КОМПРЕССОР СВЧ-ИМПУЛЬСОВ
COMPRESSOR OF MICROWAVE PULSES

Изобретение относится к технике СВЧ, предназначено для формирования высокочастотных импульсов и может быть использовано в радиолокации, в системах связи, исследовании газового разряда и плазмы.
Работа компрессоров СВЧ импульсов основана на усилении возбуждающего электромагнитного поля в резонансном накопительном объеме и последующем быстром выводе накопленной электромагнитной энергии [Yu.G.Yushkov, V.A.Avgustinovich, S.N.Artemenko. Powerful microwave compressors of RF-pulses. Proc. of the Intern. Workshop "Strong microwaves in plasmas", v.2, p.911-925, Nizhny Novgorod, 1997], [M.I.Petelin. Microwave pulse compressors. Там же, p.903-910].
10
в
в
в
Известен СВЧ компрессор [Р.А.Альварес, Д.Биркс. Подавление предимпульса в СВЧ резонаторах со сжатием импульса. "Приборы для научных исследований". 1986, №10, с.61], включающий в себя СВЧ генератор накачки, накопительный резонансный объем, подключенный к СВЧ генератору, и блок запуска. Резонансный объем образован отрезком прямоугольного волновода и ограничен с одной стороны элементом возбуждения, с другой - волноводным тройником с короткозамкнутым плечом. В волноводе на рабочей частоте может распространяться только H волна, длина отрезка прямоугольного волновода mλ/2, где λ - длина волны в волноводе. В короткозамкнутом плече тройника на расстоянии λ/4 от закорачивающей стенки размещен коммутатор. Выходной волновод подключен к тройнику и имеет такое же поперечное сечение, как резонансный объем и короткозамкнутое плечо тройника.
в
Коммутатором является отрезок регулярного прямоугольного волновода, в широкой стенке которого в области максимальной напряженности электрического поля, как указывалось на расстоянии λ/4 от закорачивающей стенки, установлен зазор пускового разрядника. Зазор устанавливается или в стенке или за пределами внутреннего объема волновода.
К недостаткам устройства относится необходимость перекрытия плазмой СВЧ разряда волноводного зазора между широкими стенками для коммутации электромагнитной энергии. Расстояние между широкими стенками определяется рабочим диапазоном частот, и для 3 ГГц минимальное расстояние составляет примерно 3 см, а для 1 ГГц ~10 см. Неполная коммутация означает неполное отражение электромагнитной волны от области сформированной плазмы разряда и уменьшение связи резонатора с нагрузкой во время вывода.
в
2
Известен компрессор СВЧ импульсов [Новиков С.А., Разин С.В., Юшков Ю.Г. Формирователь наносекундных СВЧ импульсов с резонатором 30 см диапазона. ПТЭ, 1988. - №1. - С.129-131], в котором для уменьшения разрядного зазора в волноводе был использован резонансный разрядник, состоящий из диафрагм и встречных штырей, размещенный на расстоянии λ/4 от закорачивающей подвижной стенки. Минимальное расстояние между штырями было 4 мм в волноводе сечением 107×233 мм.
При расчетной длительности выходных импульсов 25 нс длительность выходных импульсов составила более 50 нс, причем за 50 нс выводилось 70% накопленной энергии. Причина увеличения длительности выходных импульсов и, как следствие, уменьшения выходной импульсной мощности по сравнению с расчетной, заключается в неполной коммутации или слишком медленном формировании плазмы разреза. В данном случае большое время формирования отражающей плазменной области СВЧ разряда связано с реактивными параметрами диафрагм и штырей.
Известен компрессор СВЧ импульсов (Патент РФ №1487776, МПК5 H03K 3/53, H01P 1/24, опубл. 15.10.90, выданный в качестве прототипа), содержащий выходной коаксиальный тройник, с одним из плеч которого соединен коаксиальный накопительный резонатор, третье плечо является выходным, а во втором плече размещен СВЧ коммутатор, образованный разрядным промежутком в виде зазора в центральном проводнике на расстоянии λ/8 от короткозамыкателя, и размер зазора зависит от диаметров поперечного сечения коаксиала и рабочей резонансной частоты. К накопительному резонатору подключен СВЧ генератор.
Электромагнитные колебания СВЧ генератора, работающего в непрерывном или импульсном режиме, поступают к накопительному резонатору. Во внутренних объемах резонатора и тройника возбуждается СВЧ поле. Длина короткозамкнутого плеча подобрана так, что во время возбуждения отраженная волна из короткозамкнутого плеча и волна, падающая из резонатора, в выходном плече складываются в противофазе, т.е. излучения в нагрузку не происходит. В конце переходного процесса возбуждения СВЧ поле в зазоре центрального проводника достигает высокого уровня и зазор пробивается. Электрическая длина закороченного плеча изменяется на π/4, и тогда с учетом двойного пробега фаза отраженной волны из закороченного плеча инвертируется и в выходном плече она складывается в фазе с волной, падающей из резонатора. Тройник не вносит переходное затухание на рабочей резонансной частоте, и накопленная в резонаторе энергия в виде СВЧ импульса поступает в нагрузку.
0
гр
гр
н
В данной конструкции в качестве коммутатора используется емкостной зазор в центральном проводнике, и вследствие этого время коммутации сокращается в несколько раз по сравнению с переключателями, выполненными из полых волноводов. Минимальное время вывода t=2L/v, где L - длина резонатора, v - групповая скорость, практически достигается в устройствах данного типа. За счет быстрой коммутации форма импульса приближается к прямоугольной [Новиков С.А., Разин С.В., Юшков Ю.Г. Резонансный формирователь наносекундных СВЧ импульсов. ПТЭ. - 1991, №3. - С.239-240]. К недостаткам устройства относится низкий коэффициент усиления, который определяется низким значением нагруженной добротности Q коаксиального резонатора во время возбуждения. В указанном устройстве в 30 см диапазоне длин волн коэффициент усиления был 50 при длительности выходных импульсов 10 нс, что совпадает с оценками параметров коаксиального резонатора, проведенными с учетом потерь в разряде при переключении. Расчетное значение для полых волноводных резонаторов для тех же условий 350.
Задачей изобретения является повышение коэффициента усиления и коэффициента полезного действия.
Компрессор СВЧ импульсов, так же как и в прототипе, содержит СВЧ генератор, подключенный к накопительному резонатору, коаксиальный тройник, к первому плечу которого подсоединен накопительный резонатор, во втором короткозамкнутом плече размещен коммутатор, выполненный в виде зазора в центральном проводнике, третье плечо является выходом СВЧ компрессора.
в
В отличие от прототипа накопительный резонатор выполнен полым цилиндрическим длиной λ·n/2, где
- длина волны в накопительном цилиндрическом резонаторе,
n - целое число,
λ - длина волны,
кр
λ=2.62R - критическая длина волны,
R - радиус поперечного сечения резонатора.
Первое плечо выполнено в виде коаксиального рупора с диаметром поперечного сечения внешнего проводника, равным диаметрам поперечного сечения накопительного резонатора и внешнего коаксиального тройника.
На фиг.1 представлено схематическое изображение заявляемого устройства, на фиг.2 - заявляемое устройство с эпюрами полей в накопительном цилиндрическом резонаторе и коаксиальном тройнике.
Компрессор СВЧ импульсов содержит (фиг.1) СВЧ генератор 1(Г); 2 - элемент связи; накопительный цилиндрический резонатор 3; коаксиальный тройник 4; первое плечо 5 тройника; второе плечо 6 тройника; закорачивающая стенка 7; выходное плечо 8 тройника.
Выход СВЧ генератора 1(Г) соединен с элементом связи 2 накопительного цилиндрического резонатора 3. Резонатор 3 ограничен коаксиальным тройником 4 за счет того, что соосно подключен к первому плечу 5 тройника 4. Во втором плече 6 тройника 4, закороченном стенкой 7, размещен коммутатор в виде зазора в центральном проводнике коаксиала. Полость симметрии зазора находится на расстоянии λ/8 от закорачивающей стенки.
01
Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания питающего СВЧ генератора 1(Г), работающего в непрерывном или импульсном режиме, поступают на элемент связи 2. Во внутренних объемах резонатора 3, первого плеча 5, являющегося входным, и закороченного второго плеча 6 коаксиального тройника 4 возбуждается СВЧ поле. Конструкция и местоположение элемента связи 2 выбраны таким образом, что в объемном резонаторе 3 возбуждается симметричная цилиндрическая волна E. Длина волны электромагнитных колебаний удовлетворяет условию
кр
λ<λ,
кр
01
где λ=2.62R - критическая длина E волны,
R - внутренний радиус резонатора 3.
01
01
01
-4
На фиг.2 представлены эпюры полей E волны в полом объеме и TEM в коаксиальной части. Пространственное распределение электрического (E) и магнитного (H) полей оказывается идентичным. Поэтому для бегущей E волны в резонаторе 3, как компоненты стоячей волны, область перехода от объемного резонатора 3 к коаксиальной линии не будет являться отражающей. Это свойство E и TEM волн известно и используется во вращающихся проходных волноводных сочленениях [Д.М.Сазонов, А.Н.Гридин. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1981. С.295 (см.226-228)]. Даже при ступенчатом изменении диаметров внешних размеров полого объемного и коаксиального элементов, также соединенных последовательно, коэффициент бегущей волны превышает 0.95. Это соответствует коэффициенту отражения по напряжению 0.025 или по мощности 6.4·10, т.е. отражается от области соединения менее 0.06% падающей мощности.
в
При выборе длин объемного резонатора 3 и первого плеча 5 коаксиального тройника резонансными n·λ/2 и λ/2 соответственно,
где n - целое число,
в
01
λ - длина волны E в волноводе,
λ - длина волны электромагнитных колебаний,
, рабочая длина волны X становится резонансной, и внутренний объем возбуждается с усилением поля падающей на него волны.
01
кр
При условии распространения в коаксиальном тройнике только низшей ТЕМ волны, что является необходимым для его работоспособности, а в накопительном резонаторе - симметричной E волны при λ<λ, соотношение диаметров внешнего проводника коаксиала и поперечного сечения накопительного резонатора может превышать 0.5. Оценки можно произвести на основании критических длин волн соответствующих видов колебаний [И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ, т.1, М.: Высш. школа, 1970, см. стр.78-93]. Поэтому накопительный резонатор и коаксиальный тройник целесообразно соединить коаксиальным рупором. Для этого первое плечо тройника выполняется в виде коаксиального рупора с внешним проводником с диаметром раскрыва, равным диаметру поперечного сечения накопительного резонатора, переходящим к диаметру внешнего проводника коаксиального тройника. Такие рупоры известны, и они не вызывают отражений [СВЧ энергетика. Под ред. Э.Окресса. М.: Мир, 1971. См. с.297-301].
В конце переходного процесса возбуждения зазор в закороченном втором плече пробивается, и электрическая длина второго плеча изменяется на π/4. Отраженная волна из второго плеча 6 складывается в фазе в выходном третьем плече коаксиального тройника 4 с волной, падающей из цилиндрического резонатора, и энергия электромагнитного поля резонатора 3 излучается в выходной тракт.
Усиление мощности поля в резонаторе при малой связи можно оценить как:
2
0
M=Q/ωT,
0
где Q - собственная добротность,
T - время двойного пробега волны вдоль резонатора,
ω - круговая частота. Максимально достижимый коэффициент усиления
,
T
где α - затухание волны при двойном пробеге [Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат. 1984. 112 с., см. с.70-77].
01
01(m)
-4
-4
Выполнение накопительного объема в виде полого цилиндрического резонатора 3 уменьшает потери по сравнению с конструкцией с коаксиальным резонатором. Расчеты, а также сведения из многочисленных справочников показывают, что, например, для частоты 1 ГГц потери бегущей волны E в цилиндрическом полом волноводе соответствующего поперечного сечения 1.69·10 1/м, затухание ТЕМ волны в коаксиальном тракте, удовлетворяющем условию одномодовости, 8.86·10 1/м. Очевидно выполнение накопительного цилиндрического резонатора 3 цилиндрическим при возбуждении в нем E вида колебаний, m - целое число вариаций поля вдоль оси симметрии цилиндра, согласно приведенным формулам увеличит коэффициент усиления резонатора по мощности по крайней мере в 4 раза по сравнению с конструкцией устройства прототипа коаксиальным резонатором.
Увеличение коэффициента усиления при сохранении параметров возбуждающего импульса означает и увеличение коэффициента полезного действия, определяемого как
,
где A - коэффициент усиления,
Г
P - мощность импульса возбуждения генератора 1(Г),
t - длительность выходного импульса,
W - энергия импульса возбуждения генератора 1(Г).
кр
Сравнение приведем также на примере конкретного исполнения. Для частоты 1 ГГц (λ=30 см) λ>30 см. Диаметр D=280 мм полого цилиндрического резонатора 3 позволяет удовлетворить этому условию
кр
01
λ(E)=2.26R≈36.7 см.
в
01
λ(E)≈52 см.
T
к
к
к
-4
2
Выберем для резонатора 3 n=3, т.е. общая длина резонирующего объема с учетом длины входного плеча тройника составит L=170 см. Постоянная потерь для двойного пробега α для данного устройства составляет 8.6·10 и коэффициент усиления при формировании импульса ≈12 нс с учетом потерь в коаксиальном тройнике 4 составит M=580. В конструкции необходимо учесть следующее. Внешний диаметр коаксиалов тройника должен позволять распространяться только TEM волне. Значение диаметра D=90 мм удовлетворяет этому условию. Соотношение внешнего и внутреннего диаметра D/d можно выбрать равным 3, при котором потери близки к минимальным. Поэтому первое входное плечо тройника 3 должно быть выполнено в виде коаксиального рупора с внешним входным диаметром, равным диаметру накопительного резонатора, т.е. 280 мм, и выходным внешним диаметром 90 мм.
0
2
Длина накопительного цилиндрического резонатора 3 составит 3·52 см=156 см. Длина рупора ≈10.5 см в входным диаметром 280 мм и выходным 90 мм. При этом общая длина входного первого плеча 5 тройника 4 (длина центрального проводника) составляет ≈15 см. Расчетные значения собственной добротности Q=20654 и коэффициента усиления M=580.
к
к
T
0
-3
2
Устройство-прототип с аналогичными параметрами имеет в своем составе коаксиальный резонатор длиной 170 см и выходной тройник. Соотношение диаметров поперечного сечения составляет D/d=90 мм/30 мм. Постоянная потерь при двойном пробеге вдоль резонатора составляет α=2·1·7 (м)·α=3·10. Соответствующие значения собственной добротности и коэффициента усиления составят Q=5900 и M=166.
В расчетах не учитывались потери в торцевой стенке и потери в разряде при переключении, которые имеют одинаковые значения как для прототипа, так и для заявляемого устройства. Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает коэффициент усиления, в 3.5 раза больший, чем устройство-прототип.