СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GENERATING SUBNANOSECOND MICROWAVE PULSES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования серии мощных СВЧ импульсов субнаносекундной длительности с высокой частотой следования в пределах входного микросекундного СВЧ импульса, генерируемого в частотно-периодическом режиме.
6
7
Известен способ формирования мощных СВЧ импульсов субнаносекундной длительности [Ельчанинов А.С., Коровин С.Д., Месяц Г.А. и др. Генерация мощного СВЧ излучения с использованием сильноточных электронных мини-ускорителей. Доклады АН СССР. 1984. Т 279, №3. С.824-826], основанный на преобразовании энергии ускоренного пучка электронов в энергию электромагнитного излучения при прохождении пучка через компактную электродинамическую структуру. Такой способ осуществляется, например, в релятивистских СВЧ генераторах и усилителях. Отличаясь высокой пиковой мощностью выходных сигналов, источники такого типа имеют низкую частоту следования (~100 Гц) и ограниченный рабочий ресурс (~10-10 импульсов).
Известны также способы с применением для получения коротких СВЧ импульсов полупроводниковых приборов [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. М.: Радио и Связь. 1981. С.271]. Основными недостатками полупроводниковых устройств являются относительно невысокий уровень рабочей мощности, составляющий, как правило, не более единиц киловатт, а также низкая частота следования, равная единицам килогерц и обусловленная проблемой отвода тепла.
Известен способ формирования СВЧ импульсов субнаносекундной длительности [Диденко А.Н., Новиков С.А., Разин С.В. и др. Формирование мощных сверхширокополосных радиоимпульсов при последовательной временной компрессии СВЧ энергии. Доклады АН СССР. 1991. Т 321. №3. С.518-520], основанный на последовательной резонансной компрессии микросекундных СВЧ импульсов в цепочке резонаторов. Способ использует эффект повышения электрической прочности цепочки накопительных резонаторов при укорочении от ступени к ступени сжимаемых СВЧ импульсов. В трехступенчатой системе 10-см диапазона длин волн сформированы импульсы длительностью ~0.35 нс с пиковой мощностью ~630 МВт. Вместе с тем, реализация такого способа требует применения в первой ступени компрессии накопительного резонатора достаточно большой длины (~2-3 м). В комплексе со второй и третьей ступенью это делает систему достаточно громоздкой. Кроме того, из-за применения в каждой ступени плазменных газоразрядных СВЧ коммутаторов с большим временем восстановления система имеет невысокую частоту следования (~0.1-1.0 кГц). По физической сущности такой способ формирования субнаносекундных СВЧ импульсов наиболее близок к предлагаемому способу и взят за прототип.
Прототипом предлагаемого устройства формирования субнаносекундных СВЧ импульсов выбран резонансный СВЧ компрессор, представленный в [патент RU на полезную модель №89285, опубл. 27.11.2009, Бюл. №33], который по техническому содержанию наиболее близок к реализующему способ устройству. СВЧ компрессор-прототип содержит цилиндрический многомодовый резонатор с расположенным на его входной торцовой стенке элементом ввода энергии и СВЧ переключателем в виде волноводного Т-образного Н-тройника с полуволновым короткозамкнутым боковым плечом, полуволновым прямым плечом, соединяющим тройник и резонатор, и четвертьволновым выходным прямым плечом, ограниченным подвижным короткозамыкателем. В боковом плече тройника размещен электронный СВЧ коммутатор с электродом, подсоединенным к источнику управляющих сигналов. СВЧ компрессор содержит также элемент вывода энергии, который выполнен как выходная торцовая стенка резонатора, изготовленная в виде плавного перехода с цилиндра резонатора на одномодовый выходной волновод. В этот волновод последовательно встроен второй СВЧ переключатель в виде Т-образного Н-тройника с полуволновым короткозамкнутым боковым плечом, электронным СВЧ коммутатором в этом плече с электродом коммутатора, подсоединенным к источнику управляющих сигналов. Входное прямое плечо этого тройника связано с элементом вывода энергии, второе прямое плечо является выходом резонатора. СВЧ переключатель на входной торцовой стенке резонатора используется для преобразования рабочей моды колебаний, на которой энергия накапливается, в моду, на которой она выводится. Переключатель в выходном волноводе обеспечивает регулирование связи второй моды с выходной нагрузкой резонатора. Размеры резонатора выбираются так, что на рабочей частоте первая и вторая мода вырождены. Такой компрессор имеет значительный коэффициент усиления и высокую пиковую мощность выходных сигналов. Однако из-за использования плазменных газоразрядных СВЧ коммутаторов в двух функционально разделенных СВЧ переключателях и из-за выбранных длин плеч тройников переключателей он не способен обеспечить формирование субнаносекундных СВЧ импульсов, следующих с частотой повторения выше 1 кГц. Газоразрядные СВЧ коммутаторы ограничивают частоту следования, а выбранные длины плеч определяют длительность выходных импульсов прототипа, которая снизу ограничена временем двойного пробега волны второй рабочей моды вдоль резонатора. Это время как минимум составляет единицы наносекунд.
Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства формирования субнаносекундных СВЧ импульсов, обеспечивающих достижение технического результата, заключающегося в повышении частоты следования импульсов.
0
0
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе, как и в прототипе, основанном на резонансной компрессии входного СВЧ импульса длительностью Т посредством накопления энергии импульса в объемном резонаторе и быстрого, по сравнению с временем накопления, вывода энергии в нагрузку, в отличие от прототипа, накопленную энергию выводят дискретно путем периодической и кратковременной трансформации одной рабочей моды резонатора, на которой энергию накапливают в течение первой половины длительности входного импульса СВЧ, в другую моду, на которой накопленную энергию порциями выводят в течение второй половины длительности входного импульса СВЧ через фиксированные интервалы времени Δt, удовлетворяющие неравенствам Т/2>Δt>>Т, где Т - время двойного пробега волны первой рабочей моды вдоль резонатора.
в
в
Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве для осуществления способа формирования субнаносекундных СВЧ импульсов, содержащем, как и прототип, многомодовый объемный резонатор с элементом ввода энергии, расположенным на входной торцевой стенке и элементом вывода энергии, которым является выходная торцовая стенка резонатора, выполненная в виде плавного перехода с сечения резонатора на сечение одномодового волновода, СВЧ переключатели на основе волноводных Т-образных Н-тройников, причем в каждом тройнике одно прямое плечо связано с резонатором, а в полуволновом короткозамкнутом боковом плече каждого тройника на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя установлен СВЧ коммутатор, подключенный к источнику управляющих сигналов, в отличие от прототипа, СВЧ переключатели подсоединены к входной торцовой стенке резонатора и их количество n принято из условий 1<n<[Т/2Δt], второе прямое плечо каждого тройника выполнено полуволновым и короткозамкнутым, а размеры резонатора выбраны обеспечивающими работоспособность на выбранной частоте на моде колебаний, на которой энергия накапливается, где λ - длина волны в волноводе.
1
Целесообразно, чтобы для резонаторов диаметром D, выбранным из условия 2d≤D≤3d, где d - диаметр выходного одномодового круглого волновода, количество СВЧ переключателей составляло n=n=[π(D-a)/b]≥3, где а, b - ширина и высота стандартного прямоугольного волновода соответствующего диапазона частот, а СВЧ переключатели и элемент ввода энергии были расположены на входной торцовой стенке резонатора равномерно по окружности диаметром, равным радиусу резонатора.
2
1
1
1
Также целесообразно, чтобы для резонаторов диаметром D, выбранным из условия D>>3d, количество СВЧ переключателей составляло n=n=[π(D-a)/b], а СВЧ переключатели были расположены на входной торцовой стенке резонатора равномерно по окружности диаметром, равным радиусу резонатора, и элемент ввода энергии был выполнен из круглого волновода диаметром d, выбранным из условий λ/1,64<d<λ/0.9 и d<<D, где λ - длина волны в свободном пространстве, и подсоединен к центру входной торцовой стенки резонатора.
Кроме того, СВЧ переключатели и элемент ввода энергии могут быть расположены равномерно по всей площади входной торцовой стенки резонатора, если элемент ввода энергии будет выполнен в виде секции стандартного прямоугольного волновода, а резонатор будет выполнен прямоугольным.
На Фиг.1 приведена схема примера выполнения устройства формирования субнаносекундных СВЧ импульсов. На фиг.2 показана входная торцовая стенка формирователя импульсов, при выполнении резонатора диаметром 2d≤D<3d, а элемента ввода энергии в виде секции стандартного прямоугольного волновода. На фиг.3 - торцовая стенка формирователя импульсов, при выполнении резонатора диаметром D>>3d, а элемента ввода энергии из круглого волновода.
1
2
01
10
01
01
01
11
Устройство содержит многомодовый цилиндрический резонатор 1 с элементом ввода энергии 2 в виде стандартного прямоугольного (Фиг.2) либо круглого (Фиг.3) волновода на входной торцовой стенке. Элемент вывода 3 выполнен как выходная торцовая стенка в виде плавного перехода, сопрягающего цилиндр резонатора 1 диаметром D с выходным одномодовым круглым волноводом 4 диаметром d. Устройство также содержит n=[π(D-a)/b]≥3 либо n=[π(D-a)/b] интерференционных СВЧ переключателя на основе волноводных Н-тройников 5. Переключатели равномерно размещены на входной торцовой стенке по окружности диаметром, равным радиусу резонатора 1. Входные прямые плечи 6 Н-тройников 5 связаны с резонатором 1 через окна связи 7, их выходные прямые плечи 8 короткозамкнуты подвижным короткозамыкателем 12, а в боковых короткозамкнутых плечах 10 расположены СВЧ коммутаторы 9. СВЧ коммутатор 9 каждого из переключателей размещен на расстоянии четверти длины волны в волноводе от короткозамыкателя бокового плеча 10 и соединен с источником управляющих сигналов 11. Фиг.2 и 3 демонстрируют возможные варианты размещения элемента ввода энергии 2 и Н-тройников 5 переключателей на входной торцовой стенке резонатора 1. Варианты отличаются способом возбуждения основной рабочей моды и используются в зависимости от диаметра резонатора 1. В первом случае, пригодном для резонаторов 1 с диаметром, ненамного превышающем критический диаметр для H волны, возбуждение осуществляется с помощью Н волны прямоугольного волновода через окно связи 7 на половине радиуса резонатора 1. Во втором случае, когда диаметр резонатора 1 в разы больше критического для H волны, возбуждение идет по центру резонатора H волной круглого волновода. Место расположения Н-тройников 5 СВЧ переключателей выбирается так, что в режиме вывода энергии обеспечивается сильная связь H моды резонатора 1, на которой энергия накапливается, в моду Н, на которой энергия выводится.
01(m)
01(m)
01(m)
11
1
1
1
2
11
11
Приведенное в качестве примера устройство, реализующее способ, работает следующим образом. В цилиндрическом многомодовом резонаторе 1 через элемент ввода энергии 2 на первой рабочей моде колебаний Н накапливается энергия. Выходной волновод для этой моды запределен, и поэтому в режиме накопления энергия в нагрузку не поступает. Высокая добротность H моды обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности входной волны, а большая площадь поперечного сечения многомодового резонатора 1 - высокий уровень мощности бегущей волны резонатора 1, то есть значительный запас СВЧ энергии. Длина резонатора 1 выбирается из условия, что на рабочей частоте возбуждается только Н мода колебаний. Остальные моды, для которых выходной плавный переход 3 также запределен, резонируют далеко от резонанса первой рабочей моды. В то же время, плавный переход 3 выполняется согласованным для второй рабочей моды Н в широкой полосе частот, составляющей величину не менее отношения 1/Т, где T - время двойного пробега волны вдоль прямых плеч 6, 8 Н-тройника 5. Длина входного плеча 6 Н-тройников 5 выбирается такой, что в режиме накопления связь между первой и второй, а также первой и паразитными модами практически отсутствует. Поэтому излучение в выходной волновод 4 в режиме накопления также практически отсутствует. После завершения процесса накопления источник управляющих сигналов 11 включает СВЧ коммутатор 9 первого Н-тройника 5 из n или n Н-тройников 5, подсоединенных к входной торцовой стенке резонатора 1. Первый Н-тройник 5 открывается, и вдоль его плеч начинает распространяться волна. Это приводит к изменению электрической длины входного плеча 6 и, как следствие, к изменению картины поля на окне связи 7 этого плеча с резонатором 1, а значит, к изменению связи первой моды со второй модой и другими модами, взаимодействие с которыми возникает на окне 7 и которые могут распространяться по резонатору 1. Величина этой связи регулируется размером и местом расположения окна 7. В предлагаемом устройстве элемент межмодовой связи в виде окна 7, место его расположения и вторая мода целенаправленно выбираются так, что первая рабочая мода наиболее эффективно преобразуется в рабочую моду Н. В результате начинается передача энергии от первой моды, главным образом, к моде второй. Так как вторая мода практически полностью связана с выходным волноводом 4 и нагрузкой, то на этой моде начинается вывод энергии. Остальные моды, в которые также идет некоторое преобразование, отражаются от перехода 3 полностью либо частично, возвращаются к окну 7 на входной стенке резонатора 1 и претерпевают обратное частичное преобразование в первую и вторую моду. Поскольку электрическая длина входного плеча 6 выбрана равной электрической длине короткозамкнутого плеча 8, то через интервал времени, равный времени двойного пробега волны от окна 7 до короткозамыкателя 12 плеча 8, структура поля на окне 7 возвращается к исходной и преобразование волны первой моды в другие волны прекращается. Часть энергии, преобразованная во вторую моду, поступает в нагрузку в виде импульса с длительностью, сопоставимой с временем двойного пробега волны вдоль прямых плеч первого Н-тройника 5. Паразитные моды, преобразовавшиеся в моду вторую, с небольшим запаздыванием либо через время, равное времени пробега вдоль резонатора 1, излучаются в нагрузку в виде «хвоста» основного импульса. Из-за разной групповой скорости мод хвост состоит из нескольких импульсов относительно малой амплитуды. Малая амплитуда этих импульсов и малое их количество обусловлено исходно относительно слабым преобразованием первой моды в моды паразитные и еще более слабым повторным преобразованием. Это связано с тем, что к моменту прихода волн этих мод к окну 7 окно 7 приобретает свое прежнее качество, присущее ему до срабатывания СВЧ коммутатора 9, то есть теряет способность преобразовывать первую моду в другие моды. Таким образом, резонатор 1 снова закрывается, теряя связь с нагрузкой. Поэтому длительность первого выходного импульса СВЧ, главным образом, определяется временем двойного пробега волны вдоль прямых плеч 6, 8 первого Н-тройника 5. Хвост импульса, формируемый паразитными модами, за время нескольких пробегов вдоль резонатора 1 затухает из-за потерь в стенках резонатора 1, обратного преобразования и излучения в нагрузку на Н волне. В силу инерционности высокодобротной колебательной системы (резонатора с переключателями) и быстрого возврата ее электрофизических характеристик практически к исходным значениям, система возвращается в прежнее равновесное состояние, имевшее место до срабатывания СВЧ коммутатора 9. Добротность многомодового резонатора при сильной связи с тройниками существенно не изменится, поскольку в режиме накопления входные плечи переключателей представляют собой относительно слабую деформацию стенки резонатора, несущественно нарушающую геометрический фактор колебательной системы. В режиме вывода порций энергии плазма разряда в СВЧ коммутаторе будет включаться в цепь потерь в резонаторе только на время порядка времени пробега волны вдоль короткозамкнутого прямого плеча переключателя. Это обусловлено тем, что через такое время боковое плечо с плазмой разряда будет практически отключено от цепи потерь из-за установления в плоскости симметрии этого плеча узла стоячей волны. Поэтому подавая после затухания хвоста первого импульса очередной управляющий сигнал на СВЧ коммутатор 9 второго Н-тройника 5, можно повторить процесс вывода очередной порции накопленной энергии. Затем осуществить этот процесс третий, четвертый и т.д. раз, включая коммутатор 9 третьего, четвертого и т.д. тройника до тех пор, пока не будет практически полностью выведена накопленная энергия. Поскольку время затухания хвоста каждого импульса сопоставимо с временем двойного пробега паразитных волн вдоль резонатора 1, которое обычно составляет не более десяти-двадцати наносекунд, то частота включения коммутаторов 9 может составлять не менее 10 МГц. Возможности современной электроники позволяют осуществлять работу блока управления СВЧ коммутаторами с соответствующей частотой следования. Количество импульсов в серии будет определяться длительностью входного импульса компрессора, запасом энергии в резонаторе 1, энергией одной порции, а также количеством Н-тройников 5, которое технически может быть размещено на входной торцовой стенке резонатора с первой рабочей модой. По оценкам это количество может составлять 3-10. При этом формируемые серии импульсов из трех-десяти субнаносекундных СВЧ импульсов в пределах входного микросекундного СВЧ сигнала компрессора будут следовать с частотой повторения входного сигнала. Их амплитуда будет определяться амплитудой бегущей волны первой моды и величиной межмодовой связи на окне 7. Регулирование связи тройников с резонатором 1 и длины их прямых плеч может позволить варьировать такие параметры формируемых импульсов, как амплитуда и длительность.
Формирование импульсов с частотой следования свыше 1 кГц при использовании плазменного газоразрядного СВЧ коммутатора только в одном устройстве межмодовой связи практически невозможно. Это связано с большим временем восстановления рабочих характеристик коммутатора, обычно составляющим для газоразрядных коммутаторов высокого давления значения порядка несколько десятых долей миллисекунды.
01
11
11
01
21
11
В качестве примера, подтверждающего работоспособность предлагаемого способа и устройства, приведем результаты демонстрационных экспериментов, которые были выполнены на макете устройства 3-см диапазона длин волн. Устройство было изготовлено на основе умеренно многомодового цилиндрического резонатора 1 диаметром 44 мм и длиной 210 мм. В таком резонаторе 1 на рабочей частоте может распространяться две моды Е типа (Е, Е) и три Н типа (Н, H и Н). К входной торцовой стенке резонатора 1 на расстоянии 11,5 мм от ее центра крепился элемент ввода энергии 2 в виде отрезка стандартного прямоугольного волновода сечением 23×10 мм с окном связи с резонатором 1. Диаметр окна был равен 10 мм. В одной плоскости с элементом ввода 2 на противоположном радиусе на расстоянии 11,5 мм от центра торцовой стенки крепился первый волноводный Н-тройник 5 интерференционного переключателя. Еще два Н-тройника 5 интерференционного переключателя симметрично крепились на таком же расстоянии от центра торцовой стенки в плоскости, ортогональной плоскости расположения первого Н-тройника 5 и элемента ввода 2. Как и элемент ввода 2, Н-тройники 5 были выполнены из стандартного прямоугольного волновода сечением 23×10 мм. С резонатором 1 Н-тройники 5 были связаны через окна связи 7 в полное сечение волновода. Н-тройники 5 состояли из входного прямого плеча 6, короткозамкнутого выходного прямого плеча 8 и короткозамкнутого бокового плеча 10. На расстоянии 11,5 мм от короткозамыкателя бокового плеча 10 каждого из Н-тройников 5 располагался СВЧ коммутатор 9. Длина входных прямых плеч 6 Н-тройников 5, соединяющих тройники с резонатором 1, была полуволновой и составляла 45 мм. Длина выходных прямых плеч 8 Н-тройников 5 также была полуволновой и составляла 45 мм. Для прецизионной подстройки плечи 8 ограничивались подвижным короткозамыкателем 12, в качестве которого использовалась деформируемая мембрана из отожженной медной фольги толщиной 0.3 мм. Выходная торцовая стенка или элемент вывода энергии 3 резонатора 1 была выполнена в виде плавного перехода с диаметра 44 мм на диаметр 26 мм, согласованного для Н моды круглого волновода в полосе частот ~1 ГГц. Длина перехода равнялась 54 мм. Переход заканчивался выходным круглым волноводом 4 диаметром 26 мм. К этому волноводу под углом 45° относительно плоскости поляризации входной волны резонатора последовательно подсоединялся направленный волноводный ответвитель и согласованная нагрузка. Это позволяло одновременно регистрировать субнаносекундные СВЧ импульсы, формируемые при поочередном включении трех СВЧ переключателей и имеющие плоскость поляризации, совпадающую с плоскостью поляризации волны в соответствующем переключателе.
01(6)
11
11
21
21
11
10
4
Энергия в резонаторе накапливалась на первой рабочей моде H на частоте 9178 МГц. В качестве источника входных импульсов СВЧ служил импульсный магнетрон мощностью 50 кВт при длительности импульсов ~1 мкс. Полуволновая длина входных прямых плеч 6 Н-тройников 5 обеспечивала в режиме накопления практически полное отсутствие преобразования основной моды в моды паразитные. Это проявлялось в том, что добротность основной моды при таких плечах оставалась неизменно высокой, достигавшей значения около 4×10, что практически совпадает с добротностью резонатора 1 без тройников. Кроме того, подтверждением отсутствия заметного преобразования служило отсутствие сигнала в выходном волноводе на рабочей частоте основной моды. После завершения процесса накопления и поочередной подачи управляющего сигнала с блока управления 11 включались СВЧ коммутаторы 9 в короткозамкнутых боковых плечах 10 Н-тройников 5. В демонстрационных экспериментах поочередность включения СВЧ коммутаторов осуществлялась одновременной подачей высоковольтного импульса длительностью 30 нс и амплитудой 16 кВ на электрод СВЧ коммутатора каждого из трех переключателей по трем включенным параллельно фидерным линиям различной длины. Различная длина фидерных линий и статистический разброс момента развития СВЧ разряда обеспечивали определенную очередность включения СВЧ коммутаторов. В результате Н-тройники 5 открывались с определенным временным разбросом, и это приводило к изменению структуры поля с таким же разбросом во времени на окнах 7 каждого из тройников на время двойного пробега волны от окна 7 до короткозамыкателя 12 прямого плеча 8. При этом из-за изменения структуры поля на окне 7 переключателя, коммутатор 9 которого сработал первым, включалась связь между первой рабочей модой и другим модами, имеющими идентичную структуру поля в области окна связи с тройником. В результате начинался процесс передачи энергии от первой моды ко второй моде и другим, распространяющимся и связанным с первой рабочей модой, модам колебаний. Кроме вспомогательной Н моды, достаточно заметно энергия могла передаваться к модам Е и H. Причем в отличие от Н мода Е имеет определенную связь с выходным волноводом. Однако поскольку электрическая длина прямых плеч через время пробега волны от окна связи 7 до короткозамыкателя 8 возвращалась к исходной ее величине, то это приводило к восстановлению структуры поля на окне 7 и отключению межмодовой связи. При этом за время действия этой связи определенная порция энергии выводилась в нагрузку. На выходе компрессора были получены основные импульсы длительностью 0.8 нс с максимальным коэффициентом усиления от 1 до 3 дБ и пиковой мощностью до 100 кВт. Длительность основных импульсов была сопоставима с временем двойного пробега волны Н моды вдоль прямых плеч Н-тройника. Интервал времени между тремя сформированными выходными субнаносекундными СВЧ импульсами достигал 20-30 нс. Время затухания хвоста одиночного импульса не превышало 30 нс, что подтверждает возможность работы компрессора с частотой следования 10 МГц и более. Хвост состоял практически из трех импульсов, следующих друг за другом через 1-2 нс. Их амплитуда была на 8-9 дБ меньше основного импульса. Быстрый возврат колебательной системы к равновесному состоянию подтверждался осциллограммами огибающей отраженного от резонатора сигнала, а также сигнала с резонатора. Характерной особенностью отраженного сигнала были кратковременные всплески амплитуды сигнала в момент включения очередного переключателя, т.е. в момент вывода очередной порции энергии. Сигнал с резонатора 1, наоборот, в этот момент фиксировал кратковременный провал на огибающей с монотонным понижением, по мере роста количества выведенных порций энергии, амплитуды сигнала между провалами. Верхний предел частоты включения переключателей, очевидно, задается длительностью хвоста очередного сформированного импульса, поскольку хвост отражает время восстановления структуры поля первой рабочей моды после кратковременного включения межмодовой связи.