ЛАМПОВЫЙ ГЕНЕРАТОР-ФОРМИРОВАТЕЛЬ НАНОСЕКУНДНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J21/10 H03K12/00 

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию пучка электронов в мощное электромагнитное излучение СВЧ-диапазона, и может быть использовано в ускорительной технике, радиолокации, при проведении исследований в области физики плазмы и т.п.

Ламповые СВЧ-автогенераторы хорошо известны и представляют собой СВЧ-триод или тетрод, включенный в двухконтурную коаксиальную колебательную систему с положительной обратной связью между входным и выходным контурами (см. например, Ионов Ю.А. Ламповые генераторы сверхвысокой частоты. Изд-во ЛГУ, 1973). При этом для обеспечения оптимального режима работы лампы выходной контур, связанный с нагрузкой, работает на основном тоне либо первом обертоне. Одним из основных недостатков таких генераторов является относительно невысокий уровень мощности излучения по сравнению с мощностью бегущей волны и выходном контуре.

Достаточно широко известны формирователи наносекундных радиоимпульсов, работающие на основе накопления и быстрого вывода СВЧ-энергии из объемных резонаторов. В таких устройствах мощность излучения, как правило, сравнима с мощностью бегущей волны в накопительном резонаторе, но при этом они имеют более низкий КПД и худшие массогабаритные характеристики.

Так, например, известен формирователь (Атомная техника за рубежом, 1982, N 11, с.36), в котором цилиндрический либо сферический накопительный резонатор сильно связан с прямоугольным волноводным Е-или Е-тройником, служащим элементом вывода энергии. Переключение такого формирователя из режима накопления в режим вывода осуществляется коммутатором, расположенным в закороченном плече тройника. В режиме накопления тройник закрыт. Имитируя быстрое перемещение закоротки на расстояние четверти длины волны λ от исходного ее положения, коммутатор при поджиге в нем СВЧ-разряда открывает тройник и тем самым создает условия для "вытекания" накопленной энергии в нагрузку в виде короткого и мощного радиоимпульса. После вывода энергии коммутатор отключается и процесс накопления повторяется.

Известны другие формирователи (авт.св. N 862800, 1121776, 1277864) отличающиеся конструктивным исполнением и принципами организации процесса вывода энергии.

Наиболее близким по техническому исполнению к предлагаемому является формирователь импульсов (авт. св. СССР N 1487776), в котором накопление энергии осуществляется в резонаторе, выполненном в виде коаксиального тройника, к первому плечу которого через элемент ввода энергии подключен СВЧ-генератор непрерывных колебаний, второе - боковое плечо снабжено короткозамыкающим поршнем, а третье является выходом формирователя. Коммутатор формирователя выполнен в виде разрядного промежутка, образованного разрывом внутреннего проводника коаксиала бокового плеча тройника на расстоянии oт закоротки этого плеча.

В таком формирователе электромагнитные колебания от питающего генератора через развязывающий элемент (ферритовый вентиль, волноводный мост и т.п. ) и элемент ввода энергии поступают в накопительный резонатор. Расстояние от точки разветвления коаксиального тройника до разрядного промежутка коммутатора выбрано из условия противофазности волн, излучаемых в нагрузку из первого и бокового плеч тройника, в силу чего в режиме накопления излучения энергии из резонатора в нагрузку не происходит. При срабатывании коммутатора электрическая длина бокового плеча изменяется так, что волны, излучаемые в нагрузку из этого плеча тройника и первого прямого плеча, становятся синфазными, и, следовательно, тройник открывается и накопленная энергия выводится в нагрузку. После этого коммутатор отключается и система переходит в режим накопления.

Основными недостатками формирователя-прототипа, как и всех остальных устройств такого типа, является низкая эффективность использования энергии питающего генератора (как известно, эффективность накопления энергии обычно не превышает 0,4-0,5), необходимость применения внешнего по отношению к питающему генератору накопительного резонатора, а также необходимость использования развязывающего элемента между генератором и резонатором. Низкая эффективность использования энергии генератора приводит к низким значениям КПД формирователей η , так как η = η₁ η₂ η₃ η₄ , где η₁ - электронный КПД генератора; η₂ - КПД его выходного контура; η₃ - эффективность накопления; η₄ - эффективность вывода. Обычно для формирователей η≈ 0,1-0,2. Применение внешнего накопительного резонатора и развязывающего элемента увеличивает вес и габариты прибора.

В предлагаемом генераторе-формирователе, содержащем питающий генератор, накопительный резонатоp на основе коаксиального тройника и коммутатор, выполненный в боковом закороченном плече тройника в виде разрядного промежутка, который образован разрывом внутреннего проводника коаксиала на расстоянии λ /8 от закоротки, для повышения КПД и улучшения массогабаритных характеристик накопительный резонатор объединен с выходным резонатором лампового СВЧ-генератора. При этом длина L выходного резонатора взята удовлетворяющей соотношению
L= arctg + ,
где n - целое число от 2 до 8; λ - длина волны; ω - циклическая рабочая частота ; С_о - анодно-сеточная емкость; Z - волновое сопротивление коаксиала.

Возможность создания такого устройства обусловлена тем, что, как известно, любой СВЧ-генератор представляет собой накопительную колебательную систему, в которую энергия поступает от пучка ускоренных электронов и которая достаточно сильно связана с нагрузкой, но в основе своей ничем не отличается от накопительной системы формирователя. Поэтому совмещение генератора накачки и формирователя наносекундных радиоимпульсов в одном приборе представляется вполне логичным. При этом очевидно, что такое совмещение в принципе может позволить создать более компактный и эффективный источник мощного СВЧ-излучения, чем формирователи, так как отпадает необходимость во внешнем накопительном резонаторе, а следовательно, и в развязывающем элементе и КПД приборе определяется только электронным КПД генератора и эффективностью вывода энергии (η = η₁ η₄ = 0,3-0,6). Вместе с тем при таком совмещении для обеспечения оптимального режима работы лампы необходимо соответствующим образом изменить и электрофизические характеристики выходного колебательного контура. Можно показать, что СВЧ-автогенератор с ненагруженным на внешнюю нагрузку выходным контуром работает в оптимальном режиме, если контур возбуждается на обертонах, начина с второго, но не выше пятого-восьмого. Применение более высокого обертонов нежелательно еще и по причине возможности работы автогенератора одновременно на двух соседних частотах.

На фиг.1 изображено предлагаемый ламповый генератор-формирователь наносекундных радиоимпульсов; на фиг.2 - схема экспериментальной установки, на которой была проверена его работоспособность.

Ламповый генератор-формирователь содержит СВЧ-триод 1, катодно-сеточный коаксиальный резонатор 2, анодно-сеточный коаксиальный резонатор 3, играющий роль накопителя СВЧ-энергии, элемент вывода энергии, выполненный в виде коаксиального тройника 4 с завкороченным боковым плечом и встроенным в него коммутатором 5, а также выходную нагрузку 6.

Соотношение размеров генератора-формирователя следующие. Диаметры D и L внешнего и внутреннего проводников коаксиальных резонаторов 2 и 3 удовлетворяют условиям D+d< ; ≈ 2. Длины резонаторов l и L определяется соотношениями
^L=arctg;
L= arctg + , где n = 2,...,8; C_o и C₁ - соответственно анодно-сеточная и катодно-сеточная емкость триода. Длина бокового плеча тройника 4 равна λ , разрядный промежуток расположен на расстоянии от закоротки этого плеча, а величина зазора Δ определяется равенством
Δ= , где ε_o = 8,854.10^-12 Ф/м ; с - скорость света.

Генератор-формирователь работает следующим образом.

При подаче на СВЧ-триод импульсов питающего напряжения в системе контуров 2,3 автогенератора устанавливаются электромагнитные колебания. При этом в силу выбора длины бокового плеча тройника 4 волны, излучаемые в нагрузку 6, суммируются в противофазе и, следовательно, накопительный резонатор 3 закрыт. По достижении в анодном контуре автогенератора пробивной напряженности ВЧ-поля срабатывает коммутатор 5, т.е. происходит пробой разрядного промежутка Δ , и электрическая длина бокового плеча тройника изменяется таким образом, что волны, излучаемые в нагрузка 6 из резонатора 3 и бокового плеча, суммируются синфазно, т.е. тройник отрывается и накопленная энергия поступает в нагрузку. При этом напряженность поля в разрядном промежутке падает и промежуток размыкается, а тройник закрывается. Таким образом устройство возвращается в исходное состояние и может повторяться процесс накопления энергии.

Работоспособность предлагаемого генератора-формирователя СВЧ-импульсов была проверена на устройстве со следующими размерами: диаметры D и d соответственно равнялись 4 и 2,2 см, длина выходного резонатора от анода лампы до оси бокового плеча тройника составляла 88,3 см, а длина катодно-сеточного резонатора равнялась 5,2 см, длина бокового плеча тройника от оси резонатора 3 до закорачивающего поршня составляла 25 см, а ширина зазораΔ ≈ 0,1 см.

Схема экспериментальной установки, на которой проводилась проверка работоспособности формирователя, приведена на фиг.2, где 7 - генератор-формирователь, 8 - источник питающих напряжений, 9 - аттенюатор, 10 - осциллограф.

Анодная модуляция автогенератора осуществлялась подачей на катод импульсов напряжения амплитудой до 5 кВ и длительностью ≈ 5 мкс. Настройка генератора осуществляется изменением высоты разрядного промежутка Δ коммутатора 5. В случае настройки промежутка на максимальное запирание тройника при анодном напряжении 5 кВ и токе 2 А по достижении на промежутке напряжения пробоя на выходе прибора фиксировались радиоимпульсы мощностью до 5 кВт (при колебательной мощности лампы ≈ 3-4 кВт) с длительностью 5 ес по уровню 0,5. Измерения параметров импульсов проводились с помощью осциллографа С9-4 и набора калиброванных аттенюаторов. КПД прибора в целом оценивался как величина ≈ 0,3-0,35, то в -3 раза выше, чем КПД известных формирователей.

Технические преимущества предлагаемого формирователя СВЧ-импульсов по сравнению с прототипом состоят в повышении в 2-3 раза КПД и излучении массогабаритных характеристик.

Использование: в ускорительной технике, радиолокации, при проведении исследований в области физики плазмы. Сущность изобретения: конструкция источника мощных наносекундных радиоимпульсов совмещает в себе ламповый СВЧ-автогенератор и формирователь импульсов на основе коаксиального тройника. Совмещение достигается путем объединения выходного контура автогенератора и накопительного резонатора формирователя. Конструкция позволяет повысить КПД прибора и улучшить его массогабаритные характеристики. 2 ил.

ЛАМПОВЫЙ ГЕНЕРАТОР-ФОРМИРОВАТЕЛЬ НАНОСЕКУНДНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ, содержащий питающий генератор, накопительный резонатор на основе коаксиального тройника и коммутатор, выполненный в боковом закороченном плече тройника в виде разрядного промежутка, который образован разрывом внутреннего проводника коаксиала на расстоянии закоротки плеча, отличающийся тем, что выходной колебательный контур генератора выполнен в виде накопительного резонатора-формирователя с длиной L, удовлетворяющей равенству
L= arctg + ,
где n - целое число от 2 до 8;
W - циклическая рабочая частота;
λ - длина волны;
Z - волновое сопротивление коаксиала;
C_о - анодно-сеточная емкость триода.