УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ СВЧ-ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1999 года по МПК H03B9/00 H01Q13/18 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться для излучения мощных наносекундных СВЧ-импульсов в пространство.

Известно устройство формирования СВЧ-импульсов [С.Н.Артеменко, В.Л.Каминский, Ю. Г. Юшков Вывод энергии из резонансного СВЧ-накопителя. Письма в ЖТФ. т. 7, вып. 24], содержащее СВЧ-генератор накачки, цилиндрический медный многомодовый резонатор 10-см диапазона, возбуждаемый на типе колебания H_01n, разрядник, запредельный волновод, антенну. При формировании импульсов таким способом резонатор играет роль компрессора, преобразующего непрерывные СВЧ-колебания малой мощности в мощные импульсы, длительность которых много меньше времени возбуждения резонатора. Приближенно степень сжатия и коэффициент усиления импульсной мощности определяются как k ≈ Q_Н/Q_В, где Q_Н - добротность резонатора во время накопления энергии, Q_В - добротность резонатора в момент выводы. Следовательно, для получения максимального коэффициента усиления необходимо уменьшить Q_В и увеличить Q_Н. Вывод накопленной СВЧ-энергии происходил через запредельный волновод для волны H₀₁, подключенный к торцевой стенке цилиндрического резонатора. Переключение из режима накопления в режим вывода осуществляется с помощью многозазорного последовательного разрядника, установленного внутри резонатора вдоль силовой линии высокочастотного электрического поля. После подачи на разрядник напряжения и зажигания плазмы разряда между электродами происходит замыкание силовой линии высокочастотного электрического поля вдоль разрядника, и интерференционная картина поля внутри резонатора нарушается. Все это приводит к преобразованию типа колебания H_01n в H₁₁, для которого запредельный волновод перестает быть запредельным, и электромагнитная энергия излучается из резонатора на волне H₁₁ в виде импульса СВЧ.

Известное устройство обладает большим коэффициентом полезного действия η ≈ 0,7 - 0,8, однако обладает низким коэффициентом усиления k ≈ 13 дБ, так как невозможно обеспечить малое значение добротности резонатора при выводе. К недостаткам устройства относятся также его большие габариты и вес, так как необходимо использовать для вывода накопленной энергии запредельный волновод и антенну.

Выберем в качестве прототипа устройство формирования СВЧ-импульсов [Р.А. Альварес. Подавление предимпульса в СВЧ-резонаторах со сжатием импульса. "Приборы для научных исследований". 1986, N 10, с. 61], содержащее СВЧ-генератор, связанный элементом возбуждения с накопительным резонансным объемом, электронный коммутатор и устройство вывода СВЧ-энергии из резонатора. Резонансный объем образован отрезком одномодового регулярного прямоугольного волновода, ограниченного с одной стороны элементом возбуждения, а с другой стороны устройством вывода, выполненным в виде волноводного тройника с короткозамкнутым плечом. Длина резонансного объема mλb/2, где m - целое число; λb - длина волны в волноводе. Поперечные размеры регулярного волновода и волновода тройника одинаковы, сравнимы с рабочей длиной волны λ и обеспечивают распространение H₁₀ волны. Длина короткозамкнутого плеча подобрана так, что в процессе возбуждения резонансного объема излучения из открытого плеча тройника не происходит. Поджигающий электрод электронного коммутатора находится вне объема резонатора в отверстии широкой стенки короткозамкнутого плеча на расстоянии λb/4 от закорачивающей стенки. После возбуждения резонатора на поджигающий электрод подается импульс напряжения. За счет образования искры между электродом и стенкой волновода инициируется СВЧ-разряд, замыкающий противоположные широкие стенки волновода в области расположения поджигающего электрода. Частота отражения тройника изменяется, и накопленная СВЧ-энергия поступает в нагрузку в виде импульса.

Известное устройство имеет большой коэффициент усиления k ≈ 20 дБ, однако обладает большими габаритами, так как для излучения накопленной энергии из резонансного объема необходимо наличие волноводного тройника и дополнительного волноводного тракта.

Таким образом, по-прежнему актуальной остается задача создания источника мощных наносекундных СВЧ-импульсов, имеющего высокий уровень СВЧ-мощности (т.е. высокий коэффициент усиления) и обладающего небольшими весогабаритными характеристиками.

Для решения этой задачи устройство, как и прототип, содержит СВЧ-генератор, связанный элементом возбуждения с накопительным одномодовым резонансным объемом, образованным отрезком регулярного прямоугольного волновода, электронный коммутатор и устройство вывода энергии. В отличие от прототипа устройство вывода выполнено в виде поперечных щелей, прорезанных в широкой стенке волновода, первая щель прореза на расстоянии 3λb/4 от торцевой стенки резонатора, а расстояние между соседними щелями кратно λb/2.
Схематически предлагаемое устройство представлено на фиг. 1, где цифрами обозначено: 1 - накопительный резонатор, 2 - электронный коммутатор, 3 - элемент ввода энергии, 4 - устройство вывода энергии, 5 - источник, возбуждающий колебания; буквами обозначено: a - ширина широкой стенки волновода, l - длина щели (в данном устройстве длина щели l равна ширине широкой стенки), d - ширина щели. Источник возбуждающих колебаний 5 через элемент возбуждения 3, выполненный в виде петли, размещенной на расстоянии a/2 от узкой стенки резонатора, связан с резонатором 1. Накопительный резонансный объем выполнен из прямоугольного регулярного волновода длиной pλb/2, где p - целое число, λb - длина волны в волноводе. Электронный коммутатор 2 выполнен в виде поджигающего электрода, расположенного вне объема резонатора на расстоянии λb/4 от торцевой стенки резонатора, подключенного к источнику поджигающего напряжения. Устройство вывода энергии выполнено в виде поперечных щелей длиной l, шириной d. Первая щель прорезана на расстоянии 3λb/4 от торцевой стенки резонатора, расстояние между соседними щелями кратно λb/2.
Устройство для получения мощных наносекундных импульсов работает следующим образом.

От источника возбуждающих колебаний 5 через элемент 3 ввода энергии поступают СВЧ-колебания. Это приводит к тому, что во внутреннем объема резонатора возбуждается СВЧ-поле H_10р на резонансной длине волны λ и происходит процесс накопления энергии. Конфигурация поля в резонаторе изображена на фиг. 2. Буквой H обозначены силовые линии магнитного поля в резонаторе, а буквой I - токи в широкой стенке резонатора. Щели 4 благодаря выполнению условий, описанных выше, а именно, расстояние от торцевой стенки до первой щели 3λb/4 (она не может находиться на λb/4, так как здесь расположен поджигающий электрод электронного коммутатора), а расстояние между соседними щелями кратно λb/2 (см. фиг. 2), приведет в тому, что они будут расположены симметрично относительно токов, бегущих по широкой стенке резонатора, следовательно, поток электромагнитной энергии, излучаемый с части S поверхности щели, будет противофазным потоку электромагнитной энергии, излучаемой с поверхности S₁, и излучения из щели в процессе накопления происходить не будет. После окончания процесса накопления энергии и подачи напряжения на поджигающий электрод электронного коммутатора 2, установленный на расстоянии λb/4 от торцевой стенки, происходит замыкание силовой линии высокочастотного электрического поля вдоль разрядника. Это приводит к тому, что волна, бегущая от торцевой стенки, отразится в месте разряда, изменив при этом фазу на π/2, и в виде бегущей волны будет распространяться по резонатору. В результате произойдет переориентация токов, бегущих по широкой стенки резонатора, относительно прорезанных щелей 4 (см. фиг. 2) и энергия, накопленная в резонаторе, начнет излучаться из щелей 4. Для того, чтобы энергия излучалась за один проход бегущей волны в резонаторе, длина щели берется как можно больше l = a, а чтобы излучение каждой щели способствовало улучшению общей диаграммы направленности излучения, щели лучше расположить на расстоянии λb/2 между собой.

В качестве примера приведем устройство с резонатором размерами широкой стенки a = 7,2 см, узкой стенки b = 3,4 см, длиной l = 80 см. Генератором (λ = 10,7 см) через элемент связи, выполненный в виде петель, в резонаторе возбуждалось H_mnp волна, где m = 1, n = 0, p = 10. Первая щель прорезается на расстоянии 12 см от торцевой стенки резонатора, расстояние между соседними щелями 16 см, ширина щели d = 2 см, длина щели 7,2 см, число щелей n = 9. После того как электронным коммутатором на расстоянии 4 см от торцевой стенки происходил пробой, фаза поля H₁₀₁₀ меняется на λb/4, происходит переориентация токов относительно прорезанных щелей и энергия, накопления в резонаторе, излучается. Для данного устройства отношение накопленной мощности в резонаторе к излучаемой из одной щели определится из А.З.Фрадин. Антенны сверхвысоких частот. Изд. "Советское радио", Москва - 1957, стр. 442, как

где λ_кр - критическая длина волны (λ_кр= 14,4 см);
c - скорость света;
μ - магнитная постоянная.

Ширина главного лепестка θ на уровне половинной мощности определится из Д. И. Воскресенский. Антенны и устройства СВЧ. Москва, изд. "Радио и связь", 1994, стр. 222:

В результате для исследуемого устройства получим, что достаточно девяти щелей, чтобы в режиме бегущей волны вся накопленная энергия излучалась из резонатора с шириной главного лепестка на уровне половинной мощности θ ≈ 40 град с достаточно большим коэффициентом усиления k ≈ 120.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться для излучения мощных наносекундных СВЧ-импульсов в пространство. Техническим результатом является создание устройства с высоким уровнем СВЧ-мощности при небольших весогабаритных характеристиках. Характерным отличием устройства является устройство вывода. Энергия, накапливаемая в накопительном резонансном объеме, выводится из поперечных щелей, прорезанных в широкой стенке резонатора. Щели ориентированы так, что в процессе накопления излучением из них можно пренебречь. Это достигается, когда они расположены симметрично относительно токов, бегущих по широкой стенке резонатора. При замыкании силовой линии высокочастотного электрического поля на расстоянии λ_в/4 от торцевой стенки происходит переориентация токов относительно прорезанных щелей. В результате щели начнут излучать. Изменяя число, длину, ширину щелей можно получить высокий коэффициент усиления по мощности при довольно низких весогабаритных параметрах. 2 ил.

Устройство для получения мощных наносекундных СВЧ-импульсов, содержащее СВЧ-генератор, связанный элементом возбуждения с прямоугольным одномодовым резонатором, электронный коммутатор и устройство вывода энергии, отличающееся тем, что устройство вывода энергии выполнено в виде поперечных щелей, прорезанных в широкой стенке резонатора, первая щель прорезана на расстоянии 3λ_b/4 от торцевой стенки резонатора, а расстояние между соседними щелями кратно λ_b/2, где λ_b - длина волны в волноводе.