ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО СВЧ-КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в резонансных СВЧ компрессорах в качестве элемента вывода энергии для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности с высокой частотой следования.
в
Известен интерференционный переключатель формирователя СВЧ импульсов (резонансного СВЧ компрессора) в виде волноводного моста из двух Т-образных Н-тройников с общим боковым плечом, выполненного из стандартного одномодового прямоугольного волновода [SU №1302995, Н03К 12/00, Бюлл. №11, 1985]. Переключение устройства из режима накопления в режим вывода осуществляется электронным коммутатором, расположенным в общем плече моста на расстоянии λ/4 от центра плеча. Вывод энергии одновременно через два окна выходной связи обеспечивает повышение коэффициента усиления формирователя. Однако такой переключатель имеет ограниченный уровень рабочей мощности из-за ограниченности площади сечения стандартных прямоугольных волноводов и ограниченной электрической прочности изолирующей среды, заполняющей волновод. Повышение рабочей мощности переключателя за счет увеличения площади сечения волновода невозможно из-за падения переходного ослабления Н-тройника в режиме «закрыто» при переходе к многомодовому прямоугольному волноводу. Известен также аналогичный переключатель из круглого волновода [RU, полезная модель №94062, Н01Р 7/06, Н03К 12/00, Бюлл. №13, 2010], который в силу большей площади сечения круглого волновода, по сравнению с прямоугольным, может обеспечить более высокий уровень рабочей мощности. Вместе с тем, интерференционные переключатели на основе Н-тройников из круглого волновода также имеют ограниченную площадь сечения [RU №2387055, Н01Р 1/14, Бюлл. №11, 2010] и, соответственно, ограниченный уровень рабочей мощности.
в
в
01
21
01
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора описанный в [RU, полезная модель №94062, Н01Р 7/06, Н03К 12/00, Бюлл. №13, 2010] и он взят за прототип. Переключатель выполнен в идее волноводного моста из двух Т-образных Н-тройников из круглого волновода, содержащих два прямых входных плеча, два прямых выходных плеча и общее боковое плечо, в котором расположен СВЧ-коммутатор на расстоянии λ/4 от центра общего бокового плеча, где λ- длина волны в волноводе. Такой переключатель имеет определенные преимущества по сравнению с известными аналогами, как по уровню рабочей мощности, так и по стабильности. Преимущества достигаются за счет увеличения площади сечения волновода, из которого изготовлен тройник, и локализации коммутирующего СВЧ разряда не на поверхности волновода, а в его объеме у оси волновода. Вместе с тем, как отмечалось, уровень рабочей мощности и такого переключателя ограничен прочностью изолирующей среды и предельной площадью сечения волновода, диаметр которого не может превышать величину, равную отношению λ/1,03, где λ - длина волны в свободном пространстве. Ограничение диаметра D волновода величиной D<λ/1,03, обусловлено тем, что при большем диаметре, кроме рабочей и Е волны, по волноводу начинает распространяться и волна Н, а ее присутствие, в отличие от волны Е, приводит к падению переходного ослабления тройника в режиме «закрыто» до недопустимо низкого уровня (<40 дБ).
Задачей полезной модели является создание интерференционного переключателя резонансного СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение уровня коммутируемой мощности.
Технический результат разработки заключается в увеличении рабочей мощности переключателя при неизменной стабильности срабатывания, а также в повышении стабильности срабатывания при неизменной рабочей мощности за счет увеличения площади сечения коммутирующей секции. Кроме того, результат заключается в расширении функциональных возможностей переключателя за счет варьирования длины общего плеча тройников и положения СВЧ коммутатора в коммутирующей секции.
1
1
Указанный результат достигается тем, что в интерференционном СВЧ переключателе, содержащем, как и прототип, два Т-образных Н-тройника, лежащих в одной плоскости, выполненных из круглого волновода диаметром D с общим боковым плечом полуволновой длины и СВЧ коммутатор, расположенный в коммутирующей секции этого плеча, в отличие от прототипа, коммутирующая секция общего бокового плеча выполнена с переменным сечением и включает полуволновый отрезок диаметром D, удовлетворяющим условию D<D<λ/0,82, торцы которого сопряжены с волноводами боковых плеч тройников диаметром D через плавные волноводные переходы длиной L≈0,5Λ, где λ - длина волны в свободном пространстве; Λ - длина волны в волноводе диаметром D на минимальной частоте полосы пропускания перехода, равной 1/t, где t - длительность выходного сигнала СВЧ компрессора.
в
о
1
о
1
в
1
Целесообразно, чтобы при длине общего бокового плеча тройников равной четному числу полуволн λ, СВЧ коммутатор был расположен на расстоянии λ/4 от центра полуволнового волноводного отрезка диаметром D, где λ - длина волны в волноводном отрезке диаметром D. А при длине общего бокового плеча тройников равной нечетному числу полуволн λ, СВЧ коммутатор должен быть расположен в центре полуволнового волноводного отрезка диаметром D.
На фиг.1 представлена схема примера выполнения предложенного интерференционного переключателя резонансного СВЧ компрессора; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - поперечное сечение А-А фиг.1.
в
в
1
1
о
в
в
Интерференционный переключатель содержит волноводный мост в виде двух Т-образных Н-тройников 1 из круглого волновода диаметром D с общим боковым плечом 2, имеющим длину L равную nλ или (2n+1) λ/2, где n=1,2 и СВЧ коммутатор. Общее боковое плечо включает в себя боковые плечи 3 тройников диаметром D и часть с переменным сечением 4, которая состоит из волноводного отрезка 5 увеличенного диаметра D и двух плавных переходов 6 длиной 0,5Λ, по одному с каждого торца отрезка 5. СВЧ коммутатор может включать в себя разрядник подсветки 7, вмонтированный в один из патрубков 8 системы продува разрядного промежутка, формируемого диэлектрической трубкой 9. СВЧ коммутатор расположен в отрезке волновода диаметром D на расстоянии λ/4 от центра плеча в случае длины плеча nλ или в центре плеча в случае длины (2n+1) λ/2.
Переключатель работает следующим образом. На его входы подаются две синфазные либо противофазные волны, имеющие одинаковые амплитуды. Эти волны делятся тройниками 1 на волны, отраженные от тройников, волны, поступающие в боковое плечо 2, и волны, следующие к выходам переключателя. Волны, поступающие в боковое плечо, проходят его, приобретая определенный фазовый набег. Величина набега регулируется выбором длины общего плеча тройников. Для синфазных волн эта длина берется равной нечетному числу полуволн, а для противофазных - четному. Далее, волна, пришедшая к каждому из тройников со стороны общего плеча, делится тройником на две волны, идущие к входу и выходу. В силу выбора длины общего плеча полуволновой, четной либо нечетной, и в силу известных свойств Т-образных Н-тройников, волны, поступающие на выход устройства из плеча 2 и со стороны входа переключателя, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ-энергии в нагрузку через переключатель в режиме «закрыто». Волна, излучаемая из бокового плеча в сторону входа переключателя, суммируется с волной, отраженной от тройника, синфазно. В результате волны, поступающие на вход переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражаются от тройников. После подачи на разрядник 7 импульса высокого напряжения происходит пробой между высоковольтным электродом разрядника 7 и корпусом патрубка 8, в котором расположен разрядник подсветки 7 и который находится под нулевым (земляным) потенциалом. Искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка волновода, инициируя в нем свободные электроны и провоцируя, таким образом, развитие СВЧ разряда в электрически наиболее слабом месте промежутка - месте максимума напряженности поля рабочей моды переключателя - у оси волновода. СВЧ разряд приводит к образованию в этом месте плазменного канала, который быстро «закорачивает» плечо, что обеспечивает инверсию фазы волн с обеих сторон плазменного канала. Это приводит к синфазному суммированию волн на выходе переключателя, излучаемых из бокового плеча и со стороны входа устройства, а также противофазному суммированию на входе, и, следовательно, переходу переключателя в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. При этом в силу того, что плавные переходы 7 согласованы в широкой полосе частот δf (δf≈1/t, где t - длительность выходного импульса СВЧ компрессора) волна из бокового плеча вытекает без отражений, что обеспечивает полное открывание переключателя. Разрядный промежуток непрерывно продувается потоком газа через трубку 9, одно из отверстий которой является входным, а другое выходным. Поток способствует удалению продуктов разряда из промежутка и восстановлению электрической прочности промежутка. После этого цикл повторяется.
1
1
1
2
2
Повышение уровня коммутируемой мощности или стабильности срабатывания достигается за счет повышения электрической прочности разрядного промежутка, обеспечиваемого увеличением площади сечения коммутирующей секции в виде волноводного отрезка 5 части 4 бокового плеча 2 с переменным сечением, при переходе от диаметра D к диаметру D. Увеличение составляет значение, равное отношению D /D≈1,65. При этом напряженность поля в секции падает в D/D раз. Поэтому при фиксированном уровне коммутируемой мощности более стабильная работа переключателя обеспечивается более низкой напряженностью поля в коммутирующей секции и соответствующим уменьшением количества сбросов на самопробой. Локализация искры в трубке у оси волновода устраняет ее «блуждание» по поверхности электродов промежутка и таким образом ликвидирует значительные флуктуации амплитуды и фазы волны, отраженной от плазмы, и, как следствие, снижает нестабильность амплитуды и длительность выходных сигналов компрессора. В то же время, при заданной стабильности срабатывания понижение напряженности позволяет повысить уровень рабочей мощности. Расширение функциональных возможностей обеспечивается варьированием длины общего плеча тройников моста, что позволяет использовать переключатель в качестве элемента вывода энергии из одномодовых либо крупногабаритных резонаторов, как с противофазными волнами на входах моста, так и с синфазными.
Таким образом, предлагаемая модель переключателя обеспечивает повышение уровня коммутируемой мощности или стабильности срабатывания, а также расширение его функциональных возможностей.
1
11
11
11
01
21
11
21
Соображения, которые обосновывают выбор диаметра D волноводного отрезка 5 коммутирующей секции, сводятся к следующему. Очевидно, что увеличение диаметра волновода понижает напряженность поля в нем, а, значит, понижает вероятность СВЧ самопробоя и, следовательно, обеспечивает возможность повышения рабочей мощности компрессора при заданном уровне мощности или повышения стабильности срабатывания при фиксированном уровне мощности. С другой стороны, увеличение диаметра означает переход волновода в многомодовый режим работы с соответствующими сопутствующими проблемами. Предлагаемый переключатель работает на волне типа Н, поэтому плазма коммутирующего СВЧ разряда развивается у оси волновода по диаметру сечения, совпадающему с силовой линией электрического поля рабочей волны. При этом представляется наиболее вероятным, что существенное преобразование основной волны в паразитные возможно только в случае появления в волноводе распространяющихся волн со структурой поля в области разряда, близкой к структуре Н волны. Взаимодействие с такими волнами может привести к проблемам с балансом фаз и амплитуд в переключателе, а значит к проблемам эффективности его работы. Первой волной, в ряду таких нежелательных волн, является волна типа Е с критическим диаметром, равным отношению λ/0,82, что и определяет предельный диаметр коммутирующей секции. При таком диаметре кроме основной волны по волноводу могут распространяться только E и Н типы волн, сильное взаимодействие с которыми Н волны маловероятно. Резонансное преобразование рабочей волны в эти волны устраняется соответствующим выбором длины коммутирующей секции с одновременным сохранением полуволновой длины общего плеча тройников. Диаметр волновода, из которого изготовлены тройники моста, взят меньше критического для Н волны в силу того, что распространение этой волны в волноводе приводит к падению переходного ослабления плеч моста в режиме «закрыто» до недопустимо низкого уровня (<40 дБ).
11(5)
4
Работоспособность и преимущества предлагаемой модели переключателя были проверены в сравнительных экспериментах на резонансном СВЧ компрессоре 10-см диапазона длин волн с предлагаемой конструкцией коммутирующей секции переключателя и секцией переключателя-прототипа. Накопительные резонаторы были изготовлены из круглого медного волновода диаметром 90 мм. Они имели длину 365 мм и на частоте 2804 МГц работали на Н виде колебаний. Добротность резонансной системы, состоящей из двух входных плеч моста и общего бокового, составляла ~2.5×10, а время двойного пробега волны вдоль входного плеча, определяющее длительность выходных сигналов компрессора и ширину их спектра, составляло ~3.4 нс. В качестве источника входных сигналов использовался импульсный магнетрон мощностью 2 МВт при длительности генерируемых импульсов 3.2 мкс. При такой длительности и указанной добротности эффективность накопления составляла 0.4. Таким образом, запас энергии в системе был близок к 2.6 Дж, а эквивалентная мощность цуга бегущей волны системы, как отношение накопленной энергии к времени двойного пробега, превышала 250 МВт. Подвод энергии к системе осуществлялся через согласованный со стороны бокового плеча входной Н-тройник, который обеспечивал синфазность и приблизительное равенство амплитуд волн на входе каждого из входных плеч моста. Более точное выравнивание амплитуд обеспечивалось прецизионным подбором размера окон связи, которые были исполнены в виде индуктивных диафрагм.
в
Интерференционные переключатели были выполнены в виде волноводного моста из двух Н-тройников из круглого волновода диаметром 90 мм. К боковому плечу тройников подсоединялась либо коммутирующая секция диаметром 90 мм и длиной 88 мм, соответствующая секции переключателя-прототипа, либо коммутирующая секция, соответствующая предлагаемой модели переключателя и составленная из плавных переходов с волновода диаметром 90 мм на волновод диаметром 125 мм и полуволнового отрезка короткозамкнутого волновода диаметром 125 мм. Длина каждого перехода равнялась 85 мм, что близко к половине нижней граничной длины волны для перехода с полосой пропускания ~300 МГц в волноводе диаметром 90 мм. Длина полуволнового отрезка волновода диаметром 125 мм равнялась 55 мм. Укорочение этого отрезка по сравнению с полуволновой его длиной для регулярного волновода обусловлено диэлектрической трубкой. Таким образом, полная длина общего бокового плеча тройников равнялась 394 мм в прототипе и 365 мм в предлагаемой модели. С учетом провисания поля в волновод прямых плеч моста на такой длине общего плеча укладывалось пять вариант поля рабочей моды. Это соответствует длине общего плеча 5λ/2. При этом подвод энергии к плечам моста осуществлялся через Н-тройник, в силу чего поля в плечах были синфазными. Поэтому СВЧ коммутатор располагался в центре общего бокового плеча.
На коммутирующей секции с волноводным отрезком 5 диаметром 125 мм снаружи по диаметру, проходящему через его центр, были смонтированы два патрубка системы продува, в одном из которых располагался разрядник подсветки 7, осуществлявший ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка секции. Разрядное пространство промежутка ограничивалось продуваемой диэлектрической (кварцевой) трубкой 9. Трубка 9 имела наружный диаметр 12 мм при толщине стенки 2 мм и длине 180 мм. К патрубкам 8 подсоединялись трубопроводы системы продува. Такой переключатель был испытан на высоком уровне мощности в СВЧ компрессоре с оценочным уровнем коммутируемой мощности не менее 250 МВт. При частоте следования формируемых СВЧ импульсов до 100 Гц переключатель обеспечивал среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов не более 3%. При этом максимальная суммарная мощность формируемых сигналов составляла около 400 МВт. Суммирование осуществлялось в выходном суммирующем Н-тройнике. Такой результат был получен при коммутации в аргоне, находящемся в диэлектрической трубке под избыточным давлением около 5ати, что было возможно благодаря относительно низкой напряженности поля в волноводном отрезке 5 диаметром 125 мм из-за сравнительно большой площади его поперечного сечения. При этом резонатор заполнялся смесью азота с 10-15% элегаза под давлением около 6ати. Такой же переключатель-прототип с коммутирующей секцией диаметром 90 мм обеспечивал уровень мощности выходных сигналов не более 320 МВт, где коммутация осуществлялась в смеси аргона с элегазом. Среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов составляло около 5%. Отличие в достигнутых уровнях мощности и стабильности связано с возможностью использования в волноводном отрезке 5 большего диаметра переключения в среде чистого аргона, обладающего более хорошими коммутационными характеристиками, чем смесь аргона с элегазом. Применение чистого аргона при коммутации в волноводном отрезке диаметром 90 мм было невозможно, так как приводило к частому СВЧ самопробою из-за более высокой напряженности поля. Одновременно в проведенных экспериментах была подтверждена работоспособность переключателя при синфазном возбуждении резонаторов. Работоспособность при противофазном возбуждении подтверждена в аналоге и прототипе.