ФОРМИРОВАТЕЛЬ СВЧ-ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1999 года по МПК H01P7/06 H03K12/00 

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии колебаний СВЧ на входе в энергию колебаний на выходе для повышения уровня мощности и может быть использовано для формирования мощных СВЧ-импульсов в радиолокации, технике СВЧ и т.п.

Известно 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 - mλ_в/2, где m - целое число; λ_в - 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 λ_в/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. Собственная частота тройника изменяется, и накопленная СВЧ-энергия поступает через открытое плечо в нагрузку в виде импульса.

Известное устройство имеет большой коэффициент усиления, однако имеет невысокую энергию колебаний на выходе.

Выберем в качестве прототипа устройство формирования СВЧ-импульсов [см. А. С. СССР N 862800], содержащее цилиндрический резонатор с элементами ввода и вывода энергии и электронный коммутатор, соединенный с источниками управляющих сигналов и расположенный внутри цилиндрического резонатора. Электронный коммутатор выполнен в виде металлических шариков, установленных с зазором в трубке из диэлектрического материала, к концам которой подведены электроды, подключенные к источнику управляющих сигналов. Упомянутая трубка расположена параллельно торцевой стенке цилиндрического резонатора на расстоянии λ_в/4. Элемент вывода энергии выполнен в виде отрезка волновода, запредельного для частоты входных колебаний. После подачи на электроды напряжения от источника управляющих сигналов происходит импульсный пробой, что вызывает сильное искажение высокочастотного поля около многозазорного разрядника и сдвиг резонансной частоты. В результате этого происходит перестройка структуры высокочастотного поля, которая приводит к тому, что запредельный волновод перестает быть запредельным и электромагнитная энергия излучается из резонатора в виде импульса СВЧ.

Известное устройство обладает достаточно высоким коэффициентом усиления k ≈ 13. Однако данное устройство имеет два существенных недостатка, связанных с расположением разрядника непосредственно в полости резонатора. Во-первых, из-за трансформации на элементах конструкции разрядника рабочего типа волны в другие типы волн, излучающиеся в нагрузку через выходной волновод, снижается добротность резонатора в режиме накопления и, во-вторых, такое расположение уменьшает электрическую прочность резонатора из-за присутствия указанных элементов в максимуме электрической составляющей электрического поля.

Таким образом, по-прежнему актуальной остается задача создания формирователя мощных СВЧ-импульсов, позволяющих работать с высокой рабочей мощностью.

Этот технический результат достигается тем, что формирователь СВЧ-импульсов, как и прототип, содержит цилиндрический резонатор диаметра d с элементами ввода и вывода энергии и электронный коммутатор с электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. В отличие от прототипа электронный коммутатор выполнен в виде закороченного с одной стороны волноводного отрезка длиной λ_в/2, расположенного вне резонансного объема и присоединенного второй стороной через окно связи к торцевой стенке цилиндрического резонатора. Волноводный отрезок расположен на расстоянии d/4 от оси цилиндрического резонатора. Окно связи равно поперечному сечению волноводного отрезка. Электрод коммутатора расположен в отверстии на боковой стенке волноводного отрезка на расстоянии λ_в/4 от его закороченной стенки.

Схематически предлагаемое устройство представлено на фиг. 1 где цифрами обозначено: 1 - накопительный резонатор, 2 электронный коммутатор, 3 - источник управляющих сигналов, 4 - элемент ввода, 5 - элемент вывода, 6 - источник, возбуждающий колебания, 7 - поджигающий электрод, 8 - окно связи. Источник 6, возбуждающий колебания, через элемент возбуждения 4, связан с резонатором 1. Накопительный резонансный объем выполнен из круглого волновода диаметра d длиной pλ_в/2, где p - целое число; λ_в - длина волны в волноводе. Электронный коммутатор 2 выполнен в виде закороченного с одной стороны волноводного отрезка длиной λ_в/2, расположенного вне резонансного объема и присоединенного второй стороной через окно связи 8, равное поперечному сечению волноводного отрезка, к торцевой стенке цилиндрического резонатора на расстоянии d/4 от ее оси. Устройство вывода энергии 5 выполнено в виде отрезка прямоугольного волновода, запредельного для H₂₀ колебаний.

Формирователь СВЧ-импульсов работает следующим образом.

От источника возбуждающих колебаний 6, через элемент 4 ввода энергии поступают СВЧ-колебания. Это приводит к тому, что во внутреннем объеме резонатора 1 возбуждается СВЧ-поле H_01p на резонансной длине волны λ и происходит процесс накопления энергии. Размеры электронного коммутатора 2 необходимо подобрать так, чтобы его связь с резонатором во время процесса накопления была сильная. Это достигается в том случае, когда длина электронного коммутатора равна λ_в/2 и в нем возбуждается H₁₀ колебание. Структура H_01p колебания в цилиндрическом резонаторе на окне связи 8 похожа на структуру H₁₀ волны прямоугольного резонатора (см. фиг. 2). В результате связь между резонатором и коммутатором сильная, коммутатор не изменяет интерференционную картину поля в резонаторе во время процесса накопления. Излучения из выходного волновода 5 не происходит, в результате противофазности на окне связи полей для H_01p и H₁₀ и запредельности волновода для H₂₀ колебания. После подачи напряжения от источника управляющих сигналов 3 на электрод 7, происходит пробой на расстоянии λ_в/4 от торцевой стенки коммутатора. В результате изменилась интерференционная картина поля в резонаторе (см. фиг. 3). Помимо H_01p колебаний станут возбуждаться высшие типы колебаний. Наиболее возможно возбуждение резонатора на E_11p колебании, так как для него обусловлена сильная связь с электронным коммутатором и выходным волноводом и оно сильно вырождено с H_01p колебанием. В результате нарушаются условия противофазности для H₁₀ колебания и энергия, накопленная в резонаторе, в виде короткого мощного СВЧ-импульса из устройства вывода попадет на нагрузку.

Так, для системы 3-см-диапазона с резонатором, имеющим диаметр 90 и длину 213.5 мм и работающим на частоте 9.4 гГц на H₀₁₁₂ виде колебаний, электронный коммутатор выполнен из стандартного волновода длиной 17.3 мм с поперечным сечением 28.5 - 12.6 мм. Электронный коммутатор расположен на расстоянии 22.5 мм от оси резонатора. В качестве выходного волновода использовался прямоугольный волновод с сечением 28.5-12.6 мм, подсоединенный соосно с резонатором ко второй его торцевой крышке. Система питалась от магнетронного генератора с выходной импульсной мощностью ≈ 60 кВт при длительности ≈ 1 мкс. Максимальный коэффициент усиления составил 9 дБ при пиковой мощности выходного сигнала ≈ 0,5 МВт и длительности по уровню 0.5 около 30 нс.

Формирователь СВЧ-импульсов содержит цилиндрический резонатор с элементами ввода и вывода энергии, электронный коммутатор с электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов и выполненным в виде закороченного с одной стороны волноводного отрезка длиной λ_в/2, непосредственно подсоединенного к торцевой стенке резонатора на расстоянии d/4 от его оси, электрод коммутатора расположен в отверстии на боковой стенке волноводного отрезка на расстоянии λ_в/4 от его закороченной стенки, где λ_в - длина волны в волноводе, a d - диаметр цилиндрического резонатора. Технический результат заключается в создании формирователя мощных СВЧ-импульсов, позволяющих работать с высокой рабочей мощностью. 3 ил.

Формирователь СВЧ-импульсов, содержащий цилиндрический резонатор с элементами ввода и вывода энергии и электронный коммутатор с электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов, отличающийся тем, что электронный коммутатор выполнен в виде закороченного с одной стороны волноводного отрезка длиной λ_в/2, непосредственно подсоединенного к торцевой стенке резонатора на расстоянии d/4 от его оси, а электрод коммутатора расположен в отверстии на боковой стенке волноводного отрезка на расстоянии λ_в/4 от его закороченной стенки, где λ_в - длина волны в волноводе, а d - диаметр цилиндрического резонатора.