СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КВАЗИНЕПРЕРЫВНОГО УЗКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
METHOD FOR FORMING QUASI-CONTINUOUS NARROW-BAND RADIATION OF DECIMETER WAVE-LENGTH RANGE

Изобретение относится к области радиофизики, ВЧ (высокочастотной) и СВЧ (сверхвысокочастотной) техники, сильноточной электроники и т.д., и может быть использовано для формирования мощного узкополосного электромагнитного излучения дециметрового диапазона длин волн при проведении практических научных исследований.
Из предшествующего уровня техники известен способ формирования СВЧ импульсов субнаносекундной длительности [1], основанный на преобразовании энергии ускоренного пучка электронов в энергию электромагнитного излучения при прохождении пучка через компактную электродинамическую структуру. Такой способ позволяет получать высокую пиковую мощность излучения и реализуется в некоторых импульсных генераторах СВЧ-излучения.
Одним из недостатков данного способа формирования СВЧ-излучения, ограничивающим его применение, является отсутствие возможности регулировки частотных и мощностных параметров формируемого электромагнитного излучения в широких пределах.
Известен другой способ формирования квазинепрерывного СВЧ-излучения, реализованный в устройствах на основе систем с виртуальными катодами. Эти устройства содержат источники электронов, выполненные в виде вакуумных камер с катодом и анодом, дрейфовые камеры и рупорные антенны для вывода излучения в открытое пространство [2, 3]. В качестве накопителей энергии используются сборки из высоковольтных конденсаторов. СВЧ-излучение в таких системах порождается колебаниями электронов в промежутке между реальным и виртуальным катодом, его временные характеристики задаются геометрическими параметрами дрейфовой камеры, а мощностные параметры определяются величиной зарядного напряжения конденсаторных батарей.
Основными недостатками этого способа формирования СВЧ-излучения являются низкий КПД генерации (≈1%), а также узкий диапазон регулирования мощности излучения, ограниченный с одной стороны минимальным зарядным напряжением конденсаторных батарей, необходимым для поддержания горения газового разряда в вакуумной камере, а с другой - максимальным напряжением, по превышению которого начинают происходить электростатические пробои в различных элементах генераторов СВЧ-излучения.
Также известен способ формирования квазинепрерывного СВЧ-излучения, реализованный в устройствах, выполненных на основе релятивистских клистронов с взрывоэмиссионными катодами [4, 5]. Настоящие устройства помимо клистронов содержат системы вакуумирования, высоковольтные емкостные накопители энергии и специальные модуляторы, формирующие пакеты синусоидальных импульсов высокой мощности длительностью порядка 1 мкс с частотой следования пакетов импульсов порядка 1 кГц.
Главным недостатком этого способа является крайне узкий диапазон регулирования жадности излучения, который огранивается необходимостью поддержания строго определенной величины напряжении на емкостных накопителях энергии.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ формирования квазинепрерывного узкополосного излучения дециметрового диапазона длин волн, отображенный в [6]. Этот способ включает в себя использование источника исходного СВЧ сигнала, усилителя СВЧ-излучения и передающей антенны. С помощью источника исходного СВЧ сигнала формируют задающий слаботочный сигнал, который транслируют на вход усилителя СВЧ-излучения. Затем усиленный сигнал с выхода усилителя СВЧ-излучения транслируют на вход передающей антенны, посредством которой осуществляют направленный вывод излучения в окружающее пространство.
Недостатками этого способа являются большие потери мощности в линиях передачи задающего слаботочного и усиленного сигнала, волновые сопротивления которых могут быть не согласованы с сопротивлениями входов/выходов источника исходного СВЧ сигнала, усилителя СВЧ-излучения и передающей антенны, а также регулировка мощности формируемого электромагнитного излучения посредством изменения только выходного напряжения усилителя СВЧ-излучения без возможности изменения сопротивления его нагрузки. Перечисленные недостатки существенно снижают максимально достижимую мощность излучения и, как следствие, сужают диапазон регулирования мощности электромагнитного излучения, формируемого с помощью данного способа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа формирования квазанепрерывного узкополосного излучения дециметрового диапазона длин волн с более широким диапазоном регулирования мощности электромагнитного излучения.
Техническим результатом предложенного изобретения является расширение диапазона регулирования мощности формируемого квазинепрерывного узкополосного электромагнитного излучения дециметрового диапазона длин волн за счет совершенствования способа передачи мощности к излучающей антенне.
a
a
Технический результат достигается тем, что по сравнению со способом формирования излучения, реализованном в известном источнике СВЧ-излучения, включающим следующие этапы: с помощью источника исходного СВЧ сигнала формируют задающий слаботочный сигнал, далее с помощью линии передачи транслируют задающий сигнал на вход усилителя СВЧ-излучения, где усиливают его мощность, затем усиленный сигнал посредством линии передачи транслируют на вход передающей антенны, посредством которой осуществляют направленный вывод излучения в окружающее пространство, новым является то, что обеспечивают равенство выходного сопротивления источника исходного СВЧ сигнала, волнового сопротивления линии передачи задающего сигнала и входного сопротивления усилителя СВЧ-излучения, а усиленный сигнал транслируют на вход передающей антенны посредством линии передачи, волновое сопротивление которой обеспечивают равным импедансу антенны Z, через воздушный конденсатор, который подключают последовательно непосредственно к входу антенны, причем емкость конденсатора выбирают таким образом, чтобы его реактивное сопротивление было менее 2×Z.
a
Обеспечение равенства выходного сопротивления источника исходного СВЧ сигнала, волнового сопротивления линии передачи задающего сигнала и входного сопротивления усилителя СВЧ-излучения, а также трансляция усиленного сигнала на передающую антенну посредством линии передачи, волновое сопротивление которой равно импедансу антенны Z, позволяет согласовать линии передачи задающего и усиленного сигналов с подключенными к ним приемо-передающими устройствами и, тем самым, максимально снизить потерю мощности, входящей в усилитель СВЧ-излучения и передающую антенну, что в свою очередь позволяет поднять верхнюю границу диапазона регулирования мощности и, как следствие, расширить диапазон регулирования мощности формируемого электромагнитного излучения.
a
Трансляция усиленного сигнала на вход передающей антенны через подключенный последовательно непосредственно к входу антенны воздушный конденсатор, реактивное сопротивление которого менее 2×Z, позволяет компенсировать реактивную компоненту сопротивления антенны и, соответственно, уменьшить сопротивление нагрузки усилителя СВЧ-излучения. Уменьшение сопротивления нагрузки дает возможность получать на входе передающей антенны сигналы большей мощности при одном и том же напряжении усилителя СВЧ-излучения и, тем самым, позволяет поднять верхнюю границу диапазона регулирования мощности и, как следствие, расширить диапазон регулирования мощности формируемого узкополосного электромагнитного излучения.
Использование воздушного конденсатора позволяет исключить зависимость относительной диэлектрической проницаемости заключенного между его обкладками диэлектрика от частоты рабочего сигнала и, тем самым, гарантировать постоянство электроемкости конденсатора, что в свою очередь позволяет обеспечить корректность компенсации реактивной компоненты сопротивления передающей антенны и, как следствие, расширить диапазон регулирования мощности формируемого электромагнитного излучения.
На Фиг. 1 представлена схема устройства, позволяющая реализовать заявляемый способ, где 1 - источник исходного СВЧ сигнала, 2 - линия передачи задающего сигнала, 5 - усилитель СВЧ-излучения, 4 - линия передачи усиленного сигнала, 5 - воздушный конденсатор, 6 - передающая антенна.
a
a
a
y
На Фиг. 2 приведены осциллограммы напряжений U и токов I входного сигнала передающей антенны 6 с частотой 500 МГц без воздушного конденсатора 5 а) и с конденсатором 5 б), реактивное сопротивление которого примерно равно Z, при одном и том же напряжении U, усилителя СВЧ-излучения 3.
Заявляемый способ формирования квазинепрерывного узкополосного излучения дециметрового диапазона длин волн осуществляется в примере устройства, приведенном на фиг. 1, следующим образом. Сначала на источник исходных СВЧ сигналов 1, представляющий собой промышленно выпускаемый высокочастотный аналоговый генератор сигналов, подают команду запуска, после получения которой источник исходных СВЧ сигналов 1 формирует на своем выходе, сопротивление которого составляет 50 Ом, задающий сигнал в виде квазинепрерывной последовательности биполярных синусоидальных сигналов мощностью ~1 мВт с одной установленной частотой. Затем с выхода источника исходных СВЧ сигналов 1 задающий сигнал посредством линии его передачи 2 с волновым сопротивлением 50 Ом и длиной три метра, изготовленной из коаксиального кабеля марки РК 50-3-26, транслируют на вход усилителя СВЧ-излучения 3, представляющего собой промышленно выпускаемый широкополосный высокочастотный полупроводниковый усилитель мощности. Входное сопротивление усилителя СВЧ-излучения 3 также составляет 50 Ом. Благодаря равенству сопротивлений выхода источника исходных СВЧ сигналов 1, линии передачи исходною сигнала 2 и входа усилителя СВЧ-излучения 3 достигается их согласованность и тем самым обеспечивается максимально эффективная передача задающего сигнала к усилителю 3.
После прохождения через усилитель СВЧ-излучения 3 мощность задающего сигнала усиливаемся на установленную величину - как правило, на несколько десятков децибел. Далее усиленный сигнал с выхода усилителя 3 с сопротивлением 50 Ом с помощью линии передачи 4 с волновым сопротивлением 50 Ом и длиной два метра, изготовленной из высокочастотного силового коаксиального кабеля марки РК 50-4-21, транслируют на передающую антенну 6 через воздушный конденсатор 5, который подключают последовательно непосредственно к входу антенны 6. Затем с помощью антенны 6 в прилегающем к ней открытом пространстве формируют квазинепрерывное узкополосное электромагнитное излучение, соответствующее частотным параметрам задающего сигнала источника исходных СВЧ сигналов 1. Равенством сопротивлений выхода усилителя 3, линии передачи 4 и входного импеданса антенны 6 обеспечивают их согласованность.
a
В качестве передающей антенны 6 используется направленная промышленно выпускаемая широкополосная комбинированная логопериодическая антенна, входной импеданс которой составляет Z=50 Ом. В качестве конденсатора 5 используется сборка из двух одинаковых плоскопараллельных медных пластин квадратной формы со стороной 4 см, разделенных слоем атмосферного воздуха толщиной 2 мм. Емкость такого конденсатора 5 составляет 7 пФ, его реактивное сопротивление при частоте 500 МГц - 45 Ом. При трансляции усиленного сигнала к антенне 6 через конденсатор 5 компенсируют потребляемую ею реактивную мощность, при этом полное сопротивление нагрузки усилителя СВЧ-излучения 3 уменьшается, благодаря чему увеличивается его выходная мощность. Как следствие, в одном и том же интервале регулировок выходного напряжения усилителя 3 диапазон регулирования его мощности расширяется.
a
a
a
a
Следует отметить, что максимальная компенсация реактивной мощности антенны 6 достигается, когда реактивное сопротивление конденсатора 5 равно Z. При сопротивлениях конденсатора 5 менее Z и более Z реактивная мощность антенны 6 компенсируется частично, а при сопротивлениях более 2×Z полное сопротивление нагрузки усилителя СВЧ-излучения 3 становится больше, чем импеданс антенны 6 и выходная мощность усилителя 3 уменьшается.
a
a
a
a
a
a
a
В примере конкретного исполнения при проведении научно-исследовательской экспериментальной деятельности посредством заявляемою способа многократно формировалось направленное квазинепрерывное узкополосное электромагнитное излучение с частотами порядка 1 ГГц и напряженностью электрического поля порядка 1 кВ/м на расстоянии нескольких метров от передающей антенны 6. На фиг. 2 приведены осциллограммы напряжений U и токов I входного сигнала передающей антенны 6 с частотой 0,5 ГГц, иллюстрирующие эффект применения конденсатора 5, компенсирующего реактивное сопротивление передающей антенны 6: без использования конденсатора 5 амплитуды величин U и I составляют, соответственно, 0,65 и 0,0077 отн. ед. (фиг. 2 а); с конденсатором 5, сопротивление которого на данной частоте примерно равно Z, U=0,85 отн. ед., I=0,01 отн. ед. (фиг. 2 б), а коэффициент стоячей волны по напряжению практически равен единице.
Источники информации:
[1] Ельчанинов А.С., Коровин С.Д., Месяц Г.А. и др. Генерация мощного СВЧ излучения с использованием сильноточных электронных миниускорителей. Доклады АН СССР. 1984. Т 279, №3.
[2] М. Haworth, В. Anderson, et. el. «Operation of repetitively pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser» // IEEE Trans. on Plasma Science, 1991, vol. 19, N 4, pp. 655-659.
[3] H. Sze. J. Benford. et. el, «Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pinched diode»// Phys. Fluids. 29 (11), Nov. 1986, pp. 3873-3880.
[4] Патент RU №2343584, приор. 17.07.2007, опубл. 10.01.2009, Степанов Н.В., Селемир В.Д., Воронин В.В., Алехин Б.В., Клистрон.
[5] Патент RU №2507625, приор. 01.08.2012, опубл. 20.02.2014, Птицын Б.Г., Селемир В.Д.. Ячный А.В., Клистрон.
[6] Патент RU №186470, приор. 23.04.2018, опубл. 22.01.2019, Масленников О.Ю., Источник СВЧ излучения высокой мощности.