УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОЩНЫХ УЛЬТРАКОРОТКИХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1998 года по МПК H03B9/00 

Изобретение относится к области формирования сверхмощных СВЧ-импульсов, длительность которых составляет несколько периодов электромагнитных колебаний. Такие сигналы находят применение в высокоинформативных радиоизмерениях, при локации объектов природной среды с высоким разрешением по дальности, в том числе малозаметных объектов, для подповерхностной радиолокации подземных сооружений, коммуникаций, при аэроледомерных съемках больших акваторий и т.д.

Классические способы формирования наносекундных и субнаносекундных радиоимпульсов используют либо импульсную модуляцию СВЧ- генераторов и усилителей, либо ударное возбуждение как активных, так и пассивных СВЧ-устройств (см., например, Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Методы теоретического и экспериментального исследования нестационарного рассеяния и излучения электромагнитных волн. Зарубежная радиоэлектроника, 1981, N 9, с. 3). Существует множество разнообразных устройств, реализующих тот или иной способ. Однако для всех устройств, основанных на указанных методах, свойственно ограничение мощности формируемых радиоимпульсов на уровне возможностей традиционных СВЧ-приборов.

Подняться выше этого уровня можно, используя метод накопления СВЧ-энергии в высокодобротном резонаторе с последующим ее быстрым выводом (см. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М,: Энергоатомиздат, 1984). В таком устройстве традиционный СВЧ- генератор соединен с резонатором-накопителем через элемент связи. Между резонатором-накопителем и нагрузкой включен волноводный коммутатор. Во время накопления энергии волноводный коммутатор обеспечивает небольшую связь между резонатором-накопителем и выходной нагрузкой, а при срабатывании коммутатора связь с нагрузкой увеличивается до максимальной и обеспечивается быстрое вытекание энергии из резонатора-накопителя в виде более короткого и более мощного СВЧ- импульса по сравнению с импульсом, поступающим на вход резонатора от СВЧ-генератора. Таким способом достигается усиление импульса по мощности за счет сжатия его во времени. При этом коэффициент усиления выходной мощности и степень сжатия приближенно равны отношению нагруженных добротностей резонатора в процессе накопления энергии и в процессе вывода. При накоплении энергии нагруженная добротность определяется, в основном, диссипативными потерями, так что для несверхпроводящих резонаторов она составляет 1000-10000. При выводе энергии нагруженная добротность зависит от конструктивных средств обеспечения максимальной связи с нагрузкой и может достигать значений 10-100. Таким образом, пиковая мощность формируемых импульсов может превышать мощность используемого генератора в тысячу раз.

Сверхмощные ультракороткие импульсы можно получать, если для накопления СВЧ-энергии использовать не традиционные генераторы, а мощные релятивистские СВЧ-приборы, в которых применяют сильноточные электронные пучки с энергией частиц, сравнимой и большей энергии покоя (0.511 МэВ), и токами в единицы и десятки килоампер. Сочетание релятивистского источника СВЧ и способа накопления энергии в резонансном объеме было предложено и опробовано в работе Диденко А. Н., Жерлицын А.Г., Мельников Г.В., Разин С.В., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирование мощного когерентного электромагнитного излучения наносекундной длительности в триоде с виртуальным катодом, ДАН СССР, 1989, т. 309, N 5, с. 1117. В указанной работе этим способом была получена пиковая мощность 400 МВт при длительности импульса 11 нс на частоте 2.83 ГГц. Легко видеть, однако, недостатки, обусловленные применением для накопления слишком мощных СВЧ-сигналов от релятивистских источников.

В первую очередь, это проблемы, связанные с электрической прочностью резонаторов. Из-за возникновения СВЧ-пробоя время накопления энергии в резонаторе ограничено, тогда как время вывода фиксировано для данной конструкции резонатора-накопителя и волноводного коммутатора; следовательно, не может быть достигнута высокая степень сжатия импульса, а значит и коэффициента усиления мощности. В упомянутой работе Диденко А.Н. и др. Формирование..., ДАН СССР, 1989, т. 309, N 5, с. 1117) был получен коэффициент усиления 13 дБ. С увеличением частоты ограничения на входную мощность становится еще более жестким из-за уменьшения геометрических размеров резонатора. Уже в трехсантиметровом диапазоне длин волн подача на вход резонатора мощности более 1 МВт практически не имеет смысла.

Кроме того, смысл использования сверхмощных релятивистских источников для формирования импульсов в значительной степени теряется из-за того, что в тракт возбуждения резонатора-накопителя удается завести лишь малую часть излучаемой мощности. Так, в эксперименте (см. Диденко А.Н. и др. Формирование. .., ДАН СССР, 1989, т. 309, N 5, с. 1117) релятивистский триод с виртуальным катодом генерировал СВЧ-импульс мощностью 350 МВт, однако максимальная мощность на входе резонатора составляла только 20 МВт. Релятивистский триод работал в режиме излучения в свободное пространство, а попытки его соединения с трактом возбуждения резонатора приводили к срыву генерации. В результате уровень выходной мощности оказывается практически таким же, как и генерируемый в триоде.

Известно устройство (см. Стрюков Б.А., Лукьянчиков А.В. Нестационарные процессы при видеоимпульсном возбуждении лампы бегущей волны типа О. - Радиотехника и электроника, 1985, т. 30, N 11, с. 2217), которое может служить прототипом настоящего изобретения. В нем видеоимпульс в несколько вольт с длительностью фронта от нескольких десятков до сотен пикосекунд от возбуждения генератора ступенчатого напряжения подавался на вход усилителя, выполненного на основе спиральной лампы бегущей волны 10-ти или 3-х сантиметрового диапазонов. Поскольку спектр входного сигнала простирается до диапазона СВЧ, а спиральная ЛБВ обладает достаточной широкополосностью, на выходе формируется радиоимпульс длительностью в несколько периодов высокочастотного заполнения.

Цель изобретения состоит в повышении пиковой мощности выходного СВЧ-импульса до сверхвысокого уровня.

Задача повышения мощности решается следующим образом. Устройство, как и прототип, содержит возбуждающий генератор и СВЧ-усилитель. В отличие от прототипа, возбуждающий генератор входных импульсов выполнен на основе традиционного СВЧ-генератора, соединенного с резонатором-накопителем, имеющим на выходе волноводный коммутатор, а усилитель выполнен в виде релятивистского СВЧ-прибора, имеющего мгновенную полосу усиления не менее ширины полосы частот гармонических составляющих возбуждающих входных импульсов.

Сущность изобретения выражается следующей структурной схемой устройства для получения сверхмощных ультракоротких СВЧ-импульсов, изображенной на чертеже.

В этой схеме ультракороткий импульс длительностью в несколько периодов колебаний и в то же время достаточно мощный (до единиц МВт) формируется путем накопления в резонаторе и быстрого вывода СВЧ-энергии от традиционного, нерелятивистского генератора. Мощность этого генератора сравнительно невысокая (единицы киловатт), и при времени накопления СВЧ-энергии порядка микросекунды проблемы пробоя не возникает. Все технические вопросы формирования ультракоротких импульсов при таких уровнях мощности отработаны в настоящее время достаточно хорошо (см. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. - М.: Энергоатомиздат, 1984). А приращение мощности до сверхвысоких уровней (порядка единиц ГВт) за счет кинетической энергии сильноточного релятивистского электронного пучка происходит в релятивистском СВЧ-усилителе. Подача импульса на вход усилителя осуществляется после его заполнения электронным потоком. Поскольку длительность усиливаемого сигнала уже очень мала, вопросы электрической прочности электродинамической системы усилителя, а также системы вывода излучения тоже не являются существенными.

Важное значение в предлагаемом устройстве имеют полосовые свойства релятивистского усилителя. СВЧ-импульс длительностью в несколько периодов колебаний является широкополосным сигналом. Поэтому мгновенная полоса усиления должна быть значительно больше по крайней мере не менее ширины полосы частот гармонических составляющих усиливаемого СВЧ-импульса. В противном случае неизбежны искажение формы и затягивание выходного импульса во времени, а также снижение коэффициента усиления.

В нерелятивистской СВЧ-электронике наиболее широкополосным усилителем является спиральная ЛБВ. По целому ряду причин спиральная замедляющая система не может быть применена с пучком электронов с энергией несколько сот кэВ и килоамперным уровнем тока. В релятивистской электронике широкополосные СВЧ-усилители пока что еще не разработаны и не исследованы экспериментально. Однако в недавней работе (см. Чирко К.А., Шлапаковский А.С. Диэлектрический черенковский мазер как сверхширокополосный мощный СВЧ усилитель, - Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, N 19, с. 4) было указано на то, что при определенном выборе геометрии диэлектрической замедляющей системы и параметров (энергии и тока) электронного пучка, широкая полоса усиления может быть реализована в диэлектрическом черенковском мазере, - релятивистской ЛБВ с замедляющей системой в виде волновода, нагруженного диэлектриком с небольшим значением диэлектрической проницаемости. Расчеты показывают, что значение относительной ширины полосы по уровню -3 дБ может достигать 40 - 50% при максимальном усилении в 40 дБ при обычных, доступных значениях энергии и тока пучка (300 - 600 кэВ, 2-10 кА) в трехсантиметровом диапазоне длин волн и при более высоких частотах. Такие значения ширины полосы вполне приемлемы для усиления ультракоротких импульсов. Возможно осуществлять широкополосное усиление также и в других приборах релятивистской электроники, например в мазерах на циклотронном авторезонансе или убитронах.

Использование в качестве возбуждающего усилитель сигнала радиоимпульса, сформированного в резонаторе-накопителе, также отличает заявляемый генератор от прототипа (см. Стрюков Б.А., Лукьянчиков А.В. Нестационарные процессы при видеоимпульсном возбуждении лампы бегущей волны типа О. - Радиотехника и электроника, 1985, т. 30, N 11. с. 2217), в котором ЛБВ возбуждается от генератора ступенчатого напряжения. Это отличие обусловлено сверхвысокими уровнями выходной мощности, что при относительно небольших коэффициентах усиления (20-30 дБ), характерных для релятивистских усилителей, подразумевает достаточно высокую мощность входного сигнала. Реализовать такую мощность на фронте ступенчатого видеоимпульса технически очень сложно. К тому же, конкретная конструкция релятивистского усилителя может и не предусматривать коаксиальный ввод, как для спиральной ЛБВ.

Таким образом, по сравнению с прототипом (см. Стрюков Б.А., Лукьянчиков А. В. Нестационарные процессы при видеоимпульсном возбуждении лампы бегущей волны типа О. - Радиотехника и электроника, 1985, т. 30, N 11, с. 2217) достигается сверхвысокая пиковая мощность СВЧ- импульса длительностью в несколько периодов колебаний за счет применения сверхмощного электронного пуска в релятивистском усилителе и достаточно мощного возбуждающего импульса, получаемого путем временной компрессии СВЧ-энергии в резонаторе. В отличие от аналога (см. Диденко А.Н., Жерлицын А.Г., Мельников Г.В., Разин С. В. , Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирование мощного когерентного электромагнитного излучения наносекундной длительности в триоде с виртуальным катодом, - ДАН СССР, 1989, т. 309, N 5, с. 1117) предлагаемое устройство позволяет устранить ограничения как на мощность, так и на длительность СВЧ-импульсов, связанные с электрической прочностью. Кроме того, здесь полностью используется та часть кинетической мощности сильноточного электронного потока, которая отбирается в релятивистском СВЧ-усилителе. Важно заметить, что особенно резкое увеличение мощности выходного импульса возможно для коротковолновых диапазонов, при несущей частоте 10 ГГц и выше, где из-за малых геометрических размеров резонаторов ограничения на допустимый уровень мощности очень жесткие.

Рассмотрим пример конкретной реализации предлагаемого устройства для получения сверхмощных ультракоротких СВЧ-импульсов. От магнетронного генератора типа МИ-268, работающего в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн и генерирующего микросекундные СВЧ-импульсы мощностью 10 кВт возбуждается резонатор-накопитель, выполненный в виде резонансной волноводной линии прямоугольного сечения с внутренним размером 28х12х110 мм, ограниченной с одной стороны элементом возбуждения, выполненным в виде диафрагмы с отверстием, через которое осуществляется возбуждение линии, а с другой - волноводным коммутатором, выполненным в виде волноводного тройника, одно плечо которого подсоединено к резонатору, другое - к выходной нагрузке, а третье - короткозамкнутое. В короткозамкнутом плече на расстоянии четверти длины волны в волноводе от плоскости короткого замыкания в широкой или узкой стенках сделано отверстие диаметром, много меньшим длины волны, через которое осуществляется импульсная электронная или ультрафиолетовая подсветка внутренней полости волновода. После накопления СВЧ-энергии в резонансной линии и короткозамкнутом плече тройника эта подсветка вызывает искровой СВЧ-разряд, который приводит к переносу плоскости короткого замыкания и изменению электрической длины короткозамкнутого плеча, что увеличивает связь между входным и выходным плечами тройника и обеспечивает вытекание накопленной энергии за время, приблизительно равное одной наносекунде. В итоге на выходе резонатора-накопителя формируется радиоимпульс с частотой несущей 10 ГГц, длительностью 1 нс и пиковой мощностью 2 МВт, который подается на вход диэлектрического черенковского мазера. Замедляющая система диэлектрического черенковского мазера представляет собой круглый волновод с полиэтиленовой втулкой, внутри которой транспортируется внешним магнитным полем трубчатый электронный пучок, формируемый в сильноточном наносекундном ускорителе. Геометрия замедляющей системы рассчитывается так, чтобы фазовая скорость рабочей моды на частоте 10 ГГц приближенно равнялась скорости электронов. Сильноточный наносекундный ускоритель запускается за 5 - 10 нс до осуществления коммутации в резонаторе-накопителе, чтобы сигнал пришел на вход усилителя после того, как пройдут фронты импульса напряжения и тока ускорителя, и замедляющая система заполнится однородным по энергии электронным потоком. Рабочие параметры электронного пучка диэлектрического черенковского мазера - энергия 600 кэВ, ток 9 - 10 кА, полоса усиления по уровню - 3 дБ - 50%. При коэффициенте усиления 28 дБ и КПД усилителя 17-20% выходная мощность будет достигать 1 ГВт.

Изобретение относится к получению сверхмощных СВЧ импульсов малой длительности, которые могут найти применение в высокоинформативных радиоизмерениях при локации с высоким разрешением малозаметных объектов. Предлагается получать такие импульсы при накоплении СВЧ энергии от традиционного СВЧ генератора в резонаторе, имеющем на выходе волноводный коммутатор, после срабатывания которого накопленная энергия в виде короткого импульса СВЧ поступает на вход сверхмощного релятивистского сильноточного прибора, где усиливается, при этом мгновенная полоса усиления этого прибора должна быть не менее полосы частот гармонических составляющих усиливаемого СВЧ импульса на его входе. Техническим результатом является повышение пиковой мощности выходного СВЧ импульса. 1 ил.

Устройство для получения мощных ультракоротких СВЧ-импульсов, содержащее СВЧ-генератор, соединенный с резонатором-накопителем высокочастотной энергии, имеющим на выходе волноводный коммутатор, отличающееся тем, что выход резонатора-накопителя предназначен для передачи сформированного радиоимпульса на вход усилителя, который выполнен в виде релятивистского сильноточного прибора с мгновенной полосой усиления не менее ширины полосы частот гармонических составляющих возбуждающего входного СВЧ-импульса.