РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ КОМПРЕССОР
RESONANT MICROWAVE COMPRESSOR

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.
Известна оригинальная конструкция резонансного СВЧ компрессора с одномодовым коаксиальным резонатором, СВЧ коммутатором в виде разрыва внутреннего проводника линии, образующего укорачивающую емкость, с элементом ввода энергии, а также элементом вывода в виде интерференционного переключателя на основе коаксиального тройника [SU №1487776, МПК Н03К 3/53, Н01Р 1/24]. В качестве накопительного объема в компрессоре используется одно из прямых плеч тройника. При этом СВЧ коммутатор в виде разрыва внутреннего проводника располагается в короткозамкнутом боковом плече тройника и вывод осуществляется через второе прямое плечо. Рабочая мощность такого компрессора или мощность его выходных сигналов определяется электрической прочностью СВЧ коммутатора и не превышает мощность бегущей волны резонатора.
С целью увеличения мощности выходных сигналов при неизменном уровне коммутируемой мощности в [R.A.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v.57, №10, p.2475-2480] предложен СВЧ компрессор с симметричным накопительным резонатором из прямоугольного волновода и устройством ввода-вывода энергии на основе двойного волноводного тройника. Ввод энергии осуществляется через элемент ввода на основе Е-тройника, а вывод - через элемент вывода на основе Н-тройника. СВЧ коммутатор располагается в одном из плеч резонатора на расстоянии четверти длины волны от короткозамыкателя плеча. Такое исполнение устройства позволяет выводить энергию одновременно из обоих плеч через один общий выходной волновод. Теоретически в случае коммутации без потерь такое устройство может обеспечить двукратное повышение мощности выходных сигналов по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора при пропорциональном укорочении сигналов по сравнению с временем двойного пробега волны вдоль резонатора.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является СВЧ компрессор с коаксиальным накопительным резонатором [Новиков С.А., Разин С.В. Формирование сверхкоротких СВЧ импульсов в коаксиальных резонаторах. Изв. ВУЗов Радиофизика, 1995, т.XXXVIII, №12, с.1250-1254], который и взят за прототип. Известное устройство содержит одномодовый коаксиальный резонатор с элементом ввода энергии, СВЧ коммутатором и укорачивающей на λ/4 емкостью, образованной разрывом внутреннего проводника резонатора и являющейся разрядным промежутком СВЧ коммутатора, где λ - рабочая длина волны, а также элемент вывода энергии в виде интерференционного переключателя на основе коаксиального тройника. Энергия в этом компрессоре накапливается в прямом плече коаксиального тройника. Вывод энергии осуществляется в боковое плечо. Основным недостатком компрессора-прототипа является ограниченный уровень рабочей мощности, определяемый электрической прочностью СВЧ коммутатора. В таком компрессоре мощность выходных сигналов не может превышать мощность бегущей волны накопительного резонатора.
Задачей изобретения является создание СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности.
Технический результат заключается в увеличении мощности выходных сигналов компрессора за счет уменьшения времени вывода энергии путем синхронного ее вывода через два выходных волновода и синфазного суммирования сигналов этих волноводов.
1
1
Указанный результат достигается тем, что в резонансном СВЧ компрессоре, содержащем, как и прототип, одномодовый коаксиальный резонатор с короткозамыкателями, элементы ввода и вывода энергии, СВЧ коммутатор и укорачивающую на λ/4 емкость, которая является разрядным промежутком СВЧ коммутатора и образована разрывом внутреннего проводника резонатора, где λ - рабочая длина волны, в отличие от прототипа резонатор выполнен симметричным, длиной L=(4n+1/2)λ/2, где n>1, элемент ввода расположен в центре резонатора, а элемент вывода выполнен в виде двух коаксиальных выходных тройников, лежащих в одной плоскости с элементом ввода и включенных симметрично в короткозамкнутые плечи резонатора, по одному в каждое плечо, на расстоянии L=nλ/2 от соответствующего короткозамыкателя и расстоянии L+λ/8=(n+1/4)λ/2 от центра резонатора, и к боковым плечам выходных тройников симметрично прямыми плечами подсоединен суммирующий коаксиальный тройник, при этом укорачивающая емкость расположена в центре резонатора и делит резонатор на две равные части, а в сочетании с выходными тройниками элемента вывода энергии - на четыре примерно равные части.
На Фиг. приведена схема предложенного СВЧ компрессора.
1
1
СВЧ компрессор представляет собой симметричный одномодовый коаксиальный резонатор 1 длиной L=(4n+1/2)λ/2 с плечами, ограниченными короткозамыкателями 2, и с элементом ввода энергии 3, который выполнен по центру резонатора. Компрессор содержит элемент вывода энергии, организованный на основе двух выходных коаксиальных тройников 4, компланарных с элементом ввода энергии 3 и включенных симметрично в плечи накопительного резонатора на расстоянии L=nλ/2 от короткозамыкателя 2 соответствующего плеча и расстоянии L+λ/8=(n+1/4)λ/2 от центра резонатора. К выходам тройников 4 симметрично прямыми плечами подсоединен выходной суммирующий коаксиальный тройник 5, являющийся составной частью элемента вывода энергии. Резонатор 1 выполнен из четырех отрезков коаксиальной линии. Отрезки сопрягаются с прямыми плечами тройников 4 элемента вывода, по одному на каждое плечо. СВЧ коммутатор 6 образован разрывом внутреннего проводника линии в центре резонатора 1. Разрыв одновременно служит укорачивающей емкостью и делит резонатор на две равные части, а в сочетании с тройниками 4 элемента вывода - на четыре практически равные части.
СВЧ компрессор работает следующим образом. В коаксиальном накопительном резонаторе 1 через элемент ввода энергии 3 накапливается СВЧ энергия. Так как выходные волноводы выходных тройников 4 в режиме накопления расположены в узлах стоячей волны резонатора, то в режиме накопления энергия в выходные плечи тройников не поступает. После завершения процесса накопления включается СВЧ коммутатор 6 (зажигается плазма газового СВЧ разряда), который расположен в максимуме электрической составляющей поля в центральной варианте рабочей моды резонатора. В результате внутренний проводник резонатора замыкается. Это приводит к тому, что при неизменной геометрической длине резонатора электрическая длина меняется на π/2, так как укорачивающая емкость практически исчезает. При этом суммарный сдвиг фазы встречных волн составляет π. В результате слева и справа от центра резонатора в сторону выходных тройников с групповой скоростью ТЕМ (основной) волны начинает распространяться волна смены узлов стоячей волны на пучности. В момент прихода такой волны в места подсоединения выходных плеч выходных тройников 4 в плоскости симметрии тройников устанавливается пучность стоячей волны резонатора и резонатор открывается, т.к. оказывается сильно связанным с выходами этих тройников. В силу этого накопленная энергия поступает в выходные линии и начинается процесс вывода энергии. Этот процесс продолжается до тех пор, пока со стороны короткозамыкателей 2 к выходам тройников 4 поступает рабочая волна резонатора. Время поступления равно времени двойного пробега этой волны от короткозамыкателя каждого плеча до выхода ближайшего к короткозамыкателю выходного тройника 4. Поскольку это время равно времени пробега рабочей волны от коммутатора до выхода тройников 4 и равно четвертой части времени пробега вдоль всего резонатора, то через такой промежуток времени энергия из резонатора выводится полностью в выходные (боковые) плечи выходных тройников 4. При этом волны из этих плеч поступают в прямые плечи суммирующего тройника 5 и в нем суммируются и поступают в выходное плечо этого тройника. Такое развитие процесса вывода обусловлено известным свойством тройников, согласованных со стороны бокового плеча. Оно заключается в полном суммировании синфазных волн одинаковой амплитуды, подводимых к тройнику через его прямые плечи. Поскольку переключение из режима накопления в режим вывода осуществляется одним коммутатором, то процесс вывода через два выходных тройника 4 осуществляется синхронно и синфазно, что обеспечивает практически полное их суммирование в суммирующем тройнике 5. Таким образом, энергия выводится за время, в четыре раза меньшее времени двойного пробега волны вдоль резонатора, что обеспечивает четырехкратное повышение мощности выходного сигнала по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора. В прототипе получение выходного сигнала с уровнем мощности выше мощности бегущей волны резонатора невозможно в принципе.
00(9)
3
В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим СВЧ компрессор 30-см диапазона длин волн и результаты выполненных на нем сравнительных экспериментов. Для накопления энергии в компрессоре использовался коаксиальный медный резонатор с внешним и внутренним проводниками диаметром 90 и 30 мм соответственно. Резонатор работал на частоте 880 МГц на ТЕМ виде колебаний. Выходные тройники компрессора также были изготовлены из медных проводников такого же диаметра, к которым подсоединялись конические коаксиальные переходы с проводников тройника на стандартный коаксиальный кабель высокого уровня мощности. Длина резонатора равнялась 144,5 см, а расчетное время двойного пробега на рабочей частоте составляло ~10 нс. Измеренная добротность на рабочем виде колебаний равнялась ~9×10. Энергия в системе накапливалась от импульсного магнетрона мощностью 0.3 МВт при длительности импульсов 2 мкс. Ввод энергии осуществлялся в центре резонатора по коаксиальному кабелю через элемент ввода, выполненный в виде петли связи. При указанной длительности входного импульса и оптимальной входной связи расчетная эффективность накопления составляла -0,5. Таким образом, в резонаторе накапливалось около 0,3 Дж СВЧ энергии. При таком запасе энергии расчетная мощность бегущей волны резонатора достигала -30 МВт, а коэффициент усиления составлял ~20 дБ. Это означает, что в случае коммутации без потерь на выходе предлагаемой системы можно получать сигналы мощностью ~120 МВт, длительностью ~2,5 нс и усилением ~26 дБ. Переключение резонатора из режима накопления в режим вывода осуществлялось СВЧ коммутатором, который организовывался разрывом внутреннего проводника резонатора. Зазор разрыва составлял немногим менее 1 см. Емкости такого зазора было достаточно, чтобы обеспечить укорочение геометрической длины коммутирующей секции резонатора на λ/4 и соответственно электрической длины на π/2. В экспериментах на компрессоре-прототипе энергия накапливалась в одном из прямых плеч тройника длиной около 145 см, а коммутирующая секция располагалась в короткозамкнутом втором прямом плече интерференционного переключателя на расстоянии около 4 см от короткозамыкателя и вывод осуществлялся в боковое плечо. В предлагаемом компрессоре коммутатор располагался в центре резонатора, а вывод шел в боковые плечи двух выходных тройников, которые располагались на расстоянии λ≈34 см от короткозамыкателей и λ+λ/8≈38 см от центра резонатора. В этом месте находится максимум электрической составляющей поля в центральной варианте рабочего вида колебаний. Резонатор заполнялся азотом под избыточным давлением 6 ати с добавлением ~10% элегаза. При таком давлении в компрессоре-прототипе обеспечивалась достаточно стабильная работа коммутатора в результате СВЧ самопробоя. Были получены импульсы СВЧ мощностью чуть менее 20 МВт при длительности, близкой к 10 нс. Коэффициент усиления, таким образом, составлял около 18 дБ. В экспериментах с выводом энергии через два тройника система, в принципе, работала идентично компрессору-прототипу. Измеренный коэффициент усиления по каждому из выходов составил около 21 дБ, а мощность ~35 МВт, что соответствует усилению суммарных сигналов ~23,5дБ и суммарной мощности ~70 МВт. Таким образом, получено увеличение мощности выходных сигналов по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора, превышающее двукратное его значение. Длительность сигналов составляла ~2,5 нс. Суммирование сигналов в тройнике приводило к некоторому увеличению их длительности и незначительному снижению усиления. Скорее всего, это связано с неидеальным согласованием суммирующего тройника и возможным отличием длины волноводных трактов от выходов компрессора до места суммирования. Так как управление выводом осуществлялось одним СВЧ коммутатором, то это практически исключало проблемы с суммированием.