УСТРОЙСТВО ВРЕМЕННОЙ КОМПРЕССИИ ИМПУЛЬСОВ СВЧ-ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR TIME COMPRESSION OF MICROWAVE ENERGY PULSES

Изобретение относится к технике СВЧ, конкретно к области формирования импульсов СВЧ-энергии. Оно может быть использовано в системах питания электрофизической аппаратуры, например ускорителей заряженных частиц, и предназначено для повышения уровня выходной мощности.
В настоящее время известны аналоги предлагаемого устройства, получившие название компрессоров энергии радиоимпульсов. Среди них особый интерес представляют компрессоры с прямоугольной формой огибающей выходного импульса, в которых энергия первичного источника радиосигнала запасается в резонаторе на основе отрезка передающей линии [1]. В данной работе резонатор-накопитель энергии представляет закороченный на конце отрезок прямоугольного волновода, а полезная нагрузка подключается через волноводный тройник в плоскости Н, боковое плечо которого коммутируется разрядником. Главным недостатком данного устройства являются относительно невысокие энергоемкость накопителя и предельное значение выходной мощности.
в
в
1
1
в
2
в
Этот недостаток преодолен во временном компрессоре импульсов СВЧ, описанном в [2]. Он наиболее близок к предлагаемому устройству и принят в качестве прототипа. Схема компрессора-прототипа показана на фиг.1. Он содержит прямоугольный, призматический резонатор-накопитель (поз.1, 2), узел согласования с нагрузкой 3, узел связи с генератором-источником (поз.4, 5, 6) и высокочастотный коммутатор 7. Резонатор-накопитель разделен металлической перегородкой на две части 1 и 2, каждая из которых представляет прямоугольный волновод длиной L в нечетное число четвертей длины волны λ, при этом с одного конца волноводы закорочены, а на противоположном конце, в месте подключения узла согласования с нагрузкой, размеры поперечного сечения резонатора совпадают с размерами согласующего призматического волновода 3. Толщина d металлической перегородки в месте подключения много меньше чем λ. Узел связи с генератором выполнен в виде полуволнового прямоугольного призматического резонатора 4, который соединен своей широкой стенкой с узкими стенками обоих волноводов и имеет на своих противоположенных концах два отверстия связи 5, расстояние l которых от закороченного конца волноводов определяется соотношением l=(2k+1)/λ/4, где k - целое число, кроме того, высокочастотный коммутатор установлен внутри одного из волноводов на расстоянии l=λ/4 от закороченного конца.
На этапе накопления энергии в волноводах 1 и 2 существует стоячая волна, причем в сечении подключения нагрузки электрические поля в них направлены в противоположные стороны, и возбуждения волновода нагрузки не происходит. Срабатывание коммутатора приводит к изменению фазы одной из волн на противоположную. При этом энергия, запасенная в резонаторе-накопителе, передается в нагрузку в виде радиоимпульса прямоугольной формы, длительность которого равна удвоенному времени задержки распространения сигнала по волноводам накопителя.
Недостатком указанного устройства является то, что в процессе накопления энергии на металлической перегородке в месте подключения согласующего волновода нагрузки имеет место сильное электрическое поле, напряженность которого кратно превышает аналогичный параметр в пучностях волны на регулярном участке волноводов, - см. диаграмму фиг.2. Это снижает электрическую прочность резонатора-накопителя и ограничивает предельный уровень мощности выходного импульса.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в существенном сокращении перенапряжения электрического поля в устройстве вывода энергии и повышении вследствие этого электрической прочности резонатора-накопителя с соответствующим увеличением предельной выходной мощности.
в
в
в
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известном устройстве, которое содержит резонатор-накопитель, узел связи с генератором, высокочастотный коммутатор и узел согласования резонатора-накопителя с волноводом нагрузки на основе призматического волноводного перехода, резонатор-накопитель составлен из двух прямоугольных волноводов, которые в области узла согласования с нагрузкой расположены соосно между собой и перпендикулярно к волноводам нагрузки и призматического перехода. При этом противоположные узлу согласования концы волновода закорочены. Узел согласования на внутренней стенке, противоположной волноводу нагрузки, имеет выступ, который в частном случае выполнен в виде симметричной призмы или цилиндрического сегмента. Высота волноводов резонатора-накопителя составляет b=(0,4-0,45)λ, а их длина равна L=(2n+1)λ/4+ΔL, где n - целое число, a ΔL=(0,24-0,245)λ.
На фиг.3,а 3,б даны схематические чертежи возможных вариантов предлагаемого устройства. Здесь резонатор-накопитель состоит из волноводов 1 и 2; узел связи с генератором содержит волноводы питания 3, 4 с отверстиями связи 5, 6; узел согласования содержит призматический переход 7, имеет внутренний выступ 10, который расположен напротив волновода нагрузки 8 симметрично относительно его медианной плоскости; роль СВЧ-коммутатора выполняет разрядник 9.
Работа устройства происходит следующим образом. На этапе накопления энергии благодаря специальному подбору длин волноводов и симметрии конструкции внутри узла согласования с нагрузкой электрические поля направлены встречно, возбуждения волновода нагрузки 8 не происходит, а энергия, поступающая от генератора, накапливается в резонаторе.
и
По окончании накопления производится включение разрядника 9, что изменяет фазу отражаемой волны на 180°. Это приводит к тому, что энергия электромагнитного поля, запасенная в обоих волноводах накопителя, передается в нагрузку в виде прямоугольного радиоимпульса, длительность t которого существенно меньше времени накопления. Тем самым обеспечивается временная компрессия энергии СВЧ-волны. Предельный коэффициент компрессии равен , где τ - постоянная времени резонатора-накопителя.
a
2
в
в
в
в
в
Благодаря предложенным конструктивным изменениям, а именно иному (в сравнении с прототипом) взаимному расположению волноводов 1, 2 и 8, применению выступа 10 в узле согласования и специальному выбору соотношения высоты b волноводов накопителя, размеров l и z узла согласования с нагрузкой, а также размеров c и ν (r и ν) выступа, на частоте f=6 ГГц в предлагаемой конструкции с волноводами ×b=40×27,5 мм, l≈0,34λ, z≈0,51λ, с≈0,31λ, ν≈0,14λ, ΔL=0,242λ достигается одновременно:
- снижение коэффициента перенапряжения в узле согласования на этапе накопления с 3,96 до 1,09;
- уменьшение максимальной напряженности поля на регулярном участке волноводов (по сравнению с волноводами стандартного поперечного сечения) на 30-40%;
- обеспечение коэффициента отражения на этапе вывода энергии не хуже -30÷-35 дБ.
2
На фиг.4 для рассмотренного примера показано распределение напряженности электрического поля в медианной плоскости волноводов накопителя в компрессоре фиг.3,а. Представленные данные означают повышение предельной мощности выходного сигнала предлагаемого устройства временной компрессии по сравнению с прототипом примерно в 18 раз. Если конструктивное решение фиг.3,а сравнить по эксплуатационным характеристикам с компрессором, описанным в [1], то на рабочей длине волны λ=16 см (стандартный волновод 120×56 мм) оба решения обеспечат одинаковый коэффициент компрессии около 22 дБ, в то время как предельное значение выходной мощности в известном устройстве составляет 1 ГВт [1], а в предлагаемом варианте при равных прочих условиях - 2,6÷2,8 ГВт.
Источники информации
1. Диденко А.Н. и др. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.112.
2. Пономаренко А.Г. Патент на изобретение «Устройство временной компрессии импульсов СВЧ-энергии» RU 2293404 С1, опубл. 10.02.2007. Бюл. №4.