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 [Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат. 1984. 112 с.], основанные на накоплении СВЧ-энергии в резонансных объемах с последующим быстрым ее выводом в нагрузку. В качестве нагрузки формирователя могут выступать антенные устройства штатных РЛС (радиолокационные системы), что дает возможность их использования для решения радиолокационных задач [Юшков Ю.Г., Бадулин Н.Н., Бацула А.П. и др. Наносекундный радиолокатор с временной компрессией СВЧ-импульсов передатчика. Электромагнитные волны & электромагнитные системы.-1997.-Т.2, №6.-С.71-76].
в
в
Известна конкретная реализация данного типа формирователей [Новиков С.А., Разин С.В., Сулакшин А.С., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирователь СВЧ-импульсов. Авторское свидетельство СССР №1626365, Н01P 7/04, публ. 1990], содержащая резонатор, подключенный через элемент возбуждения к СВЧ-генератору и выполненный в виде закороченного с обеих концов отрезка цилиндрического волновода, газоразрядный коммутатор, размещенный в резонаторе и элемент связи с нагрузкой, выполненный в виде N отверстий (N-целое число), которые расположены в боковой стенки резонатора и размещены равномерно по окружности, отстоящей на расстоянии к(λ/2) от торцевой стенки резонатора, где λ - длина волны в волноводе, k - целое число. Через указанные отверстия к резонатору радиально подключены N отрезков прямоугольного волновода, широкие стенки которых расположены вдоль образующей цилиндрической поверхности резонатора.
в
01m
в
Устройство работает следующим образом. Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора поступает через элемент возбуждения во внутренний объем цилиндрического резонатора. Длина резонатора выбирается из условия: L=m(λ/2), где L - длина резонатора, m - целое число, показывающее сколько длин полуволн укладывается вдоль резонатора. При этом в резонаторе возбуждаются и начинают нарастать колебания типа H. В процессе накопления энергии ее излучение через отверстия не происходит, так как они находятся на расстоянии k(λ/2) от закорачивающей стенки резонатора, т.е. в минимуме продольной составляющей магнитного поля. Когда амплитуда напряженности поля достигает величины, достаточной для СВЧ-пробоя, срабатывает газоразрядный коммутатор, при этом эффективная плоскость короткого замыкания с закорачивающей торцевой стенки резонатора переносится на плоскость расположения газоразрядного коммутатора. При этом отверстия оказываются в области максимального продольного магнитного поля, а накопленная в резонаторе энергия электромагнитного поля через N отрезков прямоугольных волноводов передается в нагрузку.
Наличие в устройстве N каналов вывода электромагнитной энергии позволяет использовать данный формирователь в качестве источника питания нескольких нагрузок, в частности, пассивных фазированных антенных решеток.
вых
К недостаткам рассмотренного формирователя относится то, что он имеет ограничение на минимально возможную длительность СВЧ-импульса, которую можно получить на выходе формирователя. Так длительность импульса на выходе формирователя t задается временем двойного пробега электромагнитной волны вдоль резонатора и определяется соотношением:
где v - скорость переноса электромагнитной энергии в волноводе. С другой стороны известно [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Из-во «Высшая школа».-1970.-T.1.-С.41], что волноводы с любой формой сечения могут передавать по пространству внутри волновода только волны с дисперсией со скоростью движения энергии по волноводу:
кр
01
кр
кр
где с - скорость света; ε, µ - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, заполняющей волновод; λ - критическая длина волны в волноводе; λ-длина волны в свободном пространстве. Таким образом, в волноводе скорость переноса энергии электромагнитной волной всегда меньше скорости волны  распространяющейся в безграничной среде. Поэтому, как следует из соотношений (1) и (2), дисперсия накладывает ограничение на минимально возможную длительность СВЧ-импульса, которую можно получить на выходе формирователя и, как следствие, на функциональные возможности данного формирователя в случае, например, использования его в качестве источника излучения импульсных РЛС, поскольку, чем короче длительность импульса СВЧ-излучения, тем выше разрешающая способность РЛС по дальности. Причем с ростом длины волны излучения λ растет длительность на выходе данного формирователя. Более того, применение его в метровом диапазоне длин волн требует увеличения геометрических размеров поперечного сечения цилиндрического волновода, из которого изготовлен резонатор, поскольку для волн типа H, на которых возбуждается резонатор, выполняется соотношение λ=1.64r, где r - радиус цилиндрического резонатора. Поскольку в волноводе могут распространяться волны с длиной волны только меньше λ, то продвижение в диапазон длинных волн требует увеличения радиуса резонатора. Так, если радиус волновода в десятисантиметровом диапазоне длин волн составляет ≈17 см, то в метровом диапазоне длин волн не менее 170 см. Такие размеры формирователя становятся недопустимо большими с точки зрения условий его эксплуатации.
p
в
б
б
вых
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели, принятым в качестве прототипа, является коаксиальный формирователь 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, соединенный элементом возбуждения с коаксиальным накопительным резонатором длиной L=n(λ/2), где n - целое число, коаксиальный тройник, с разрядным промежутком в боковом плече, и элементом связи формирователя с нагрузкой в выходном плече. Известно [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Из-во «Высшая школа».-1970.-T.1.-С.38], что коаксиальные линии передач могут возбуждаться на волнах не обладающих дисперсией. Данный формирователь работает на низшем типе колебаний, соответствующего волнам, распространяющимся в коаксиальной линии без дисперсии. При отсутствии дисперсии фазовая скорость и скорость переноса электромагнитной энергии совпадают и равны скорости волны V в безграничной среде. При воздушном заполнении коаксиала (ε=µ=1)V=с и рабочая длина волны данного типа формирователя равна длине волны СВЧ-колебаний λ в свободном пространстве. В этом случае при заданной λ возможно достижение минимальной длительности импульса на выходе формирователя t=λ/с=Т(n=1), где Т - период СВЧ-колебаний. Кроме того, работа формирователя на низшем типе колебаний требует выполнения условия  [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Из-во «Высшая школа».-1970.-T.1.-С.93], где D и d - диаметры наружного и внутреннего проводников коаксиала, соответственно. Таким образом, при работе формирователя в длинноволновом диапазоне не требуется увеличение поперечных размеров резонатора и тройника. Минимальные размеры диаметра D наружного проводника определяют допустимые величины накапливаемой в резонаторе СВЧ мощности из-за появления электрических пробоев. Геометрическая длина бокового плеча тройника 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 бокового плеча тройника. Зазор обеспечивает разницу в набеге фазы при распространении электромагнитной волны в боковом 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. Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора поступает во внутренние объемы резонатора и тройника. В процессе накопления электромагнитные волны, распространяющиеся в боковом плече, поступают в выходное плечо тройника, складываются в противофазе с волнами, распространяющимися вдоль резонатора, взаимно погашая друг друга, и электромагнитная энергия в нагрузку не поступает, накапливаясь в объеме резонатора. В конце процесса накопления происходит СВЧ-пробой в боковом плече тройника между торцевой поверхностью отрезка внутреннего проводника и закорачивающей стенкой. После этого электрическая длина бокового плеча принимает значение  где  - фазовая постоянная, тогда фаза волны, отраженной от закорачивающей стенки бокового плеча тройника и поступающей в точку ветвления коаксиального соединения, изменится на те и будет складываться в фазе с волной, поступающей из резонатора. Это означает, что накопленная в резонаторе энергия передается в выходное лечо тройника. При подключении выходного плеча тройника к согласованной нагрузке, накопленная энергия передается в нагрузку. Элементом связи формирователя с согласованной нагрузкой является поперечное сечение выходного плеча тройника.
Реализация устройства позволяет существенно снизить поперечные размеры резонатора и тройника и получать на выходе формирователя наносекундные СВЧ-импульсы длительностью, сопоставимой с периодом СВЧ-колебаний, возбуждаемых в накопительном резонаторе, и мощностью в десятки мегаватт при диаметре внешнего проводника D=9 см.
Недостатком устройства - прототипа является ограниченность его функциональных возможностей при использовании его в качестве источника питания нескольких нагрузок. Так подключение его к таким многоканальным нагрузкам, как, например, пассивные фазированные антенные решетки, требует включения между элементом связи формирователя с нагрузкой дополнительных делителей мощности и согласующих элементов, что значительно усложняет волноводную систему устройства.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в расширении эксплуатационных характеристик коаксиального формирователя, позволяющих использовать его в качестве источника питания нескольких нагрузок.
Указанный технический результат достигается тем, что в формирователе импульсов, включающем, как и прототип, СВЧ-генератор, соединенный элементом возбуждения с коаксиальным резонатором, коаксиальный тройник, имеющий разрядный промежуток в боковом плече и элемент связи формирователя с нагрузкой в выходном плече, в отличие от прототипа, элемент связи с нагрузкой содержит проводящую стенку и N сопротивлений связи, включенных параллельно в коаксиальный тройник на расстоянии λ/4 от проводящей стенки, при этом каждое сопротивление связи выполнено в виде индуктивного витка, где N -целое число.
Величина входного сопротивления каждого сопротивления связи Z в месте подключения его в коаксиальную линию определяется соотношением:
CB
CB
Л
N
где Z - сопротивление каждого элемента связи, R - сопротивление нагрузки каждого канала. Полное входное сопротивление N параллельно включенных сопротивлений связи  Волновое сопротивление коаксиальной линии определяется соотношением  Подбором величины Z получаем Z=Z. Тогда в выходном плече тройника от точки его ветвления до элемента связи будет режим бегущих волн. Для передачи максимальной мощности W, поступающей на выход формирователя в нагрузку, согласующие сопротивления элемента связи выполнены из реактивных элементов (т.е. без омических потерь) в виде индуктивного витка связи каждый.
Пример 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. В боковом плече 5 тройника находится разрядный промежуток 6. В выходном плече 7 тройника расположен элемент связи 8, содержащий проводящую стенку 9 и N сопротивлений связи 10, каждое из которых выполнено в виде индуктивного витка и соединено со своей нагрузкой 11.
Л
N
i
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 6 в конце процесса возбуждения достигает величины, достаточной для самопробоя искрового СВЧ-разряда, закорачивающего разрядный промежуток 6. Электрическая длина бокового плеча 5 тройника 4 становится равной π/2. Начиная с этого момента электромагнитные волны, формируемые в боковом плече 5 совместно с волнами, распространяющимися вдоль оси резонатора 1, синфазно возбуждают выходное плечо 7 тройника 4. Вдоль выходного плеча 7 от точки ветвления тройника до входа элемента связи в соответствии с условием Z=Z распространяется бегущая волна. В самом элементе связи от плоскости включения его в коаксиальную линию до проводящей стенки 9 получается режим смешанных волн. Связь с нагрузкой осуществляется сопротивлениями связи 10, выполненными в виде индуктивными витков помещенных в пучность магнитного поля смешанных волн. Поэтому точка включения каждого витка связи в коаксиальную линию расположена на расстоянии ≤λ/4 от проводящей стенки 9. Поскольку омические потери на сопротивлениях связи минимальны, устройство связи создает на входе суммарной нагрузки формирователя  напряжение  где W - мощность, передаваемая в нагрузку по каждому каналу связи.
Л
3
-6
-9
5
5
5
Достижение технического результата иллюстрируется следующим примером. Требуется распределить СВЧ-мощность на выходе формирователя на шесть нагрузок величиной 50 Ом каждая. Параметры формирователя устройства-прототипа составляют: длина накопительного резонатора 153,4 см, длина бокового плеча 25,6 см, D=9 см, d=3 см, волновое сопротивление коаксиальной линии Z=66 Ом, импульсная мощность СВЧ-генератора 11·10 Вт, длительность импульса 3·10 с, частота следования импульсов 150 Гц. На выходе формирователя длительность СВЧ-импульсов составляет 10·10 с при импульсной мощности 7,8·10 Вт. В предлагаемой полезной модели в выходном плече тройника на расстоянии 23 см от точки ветвления установлена проводящая стенка. На проводящей стенке на диаметре 6 см расположены шесть индуктивных витков связи, соединенные с центральным электродом коаксиала на расстоянии 8,5 см от внутренней поверхности проводящей стенки. Каждый индуктивный виток связи подключен к отдельному сопротивлению нагрузки величиной 50 Ом. Измерение СВЧ-мощности на выходе каждого канала термисторным мостом Я2М-64 с использованием термисторной головки М5-89 показало, что для каждого канала средняя СВЧ-мощность составляет ≈0,2 Вт, что соответствует импульсной мощности ≈1,3·10 Вт и суммарной СВЧ-мощности на выходе формирователя ≈7,8·10 Вт.
Следовательно, использование предлагаемой полезной модели в качестве источника питания, работающего на несколько нагрузок, не требует включения между формирователем и нагрузками дополнительных делителей мощности и согласующих элементов, что значительно улучшает эксплуатационные характеристики рассматриваемых формирователей импульсов. Таким образом, предлагаемая полезная модель может иметь большое значение для техники получения и использования мощных наносекундных СВЧ-импульсов.