ФОРМИРОВАТЕЛЬ НАНОСЕКУНДНЫХ СВЧ-ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2001 года по МПК H03K5/04 

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для генерации и формирования мощных СВЧ-импульсов, преимущественно в радиолокации и лабораторных установках для исследования воздействия излучения на электронную аппаратуру.

Работа устройства основана на резонансном усилении поля импульсов питающего СВЧ-генератора и последующем быстром выводе энергии возбужденного поля из резонансного объема в нагрузку. Вывод энергии из резонатора осуществляется через одномодовые волноводы интерференционного переключателя, выполняемого в виде Т-образного волноводного или коаксиального сочленения. Одномодовые волноводы имеют относительно небольшие размеры поперечного сечения, но в процессе возбуждения и вывода через них проходит полный поток энергии, и тем самым именно интерференционный переключатель определяет электрическую прочность и максимально допустимую выходную импульсную мощность.

Известно устройство формирования мощных СВЧ-импульсов [А.Н. Диденко, Ю. Г. Юшков. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М., Энергоатомиздат, 1984, с. 89-90] , в котором накопительный резонатор изготовлен из отрезка регулярного волновода, ограниченного с одного конца элементом возбуждения, а с другого - одномодовым волноводным Т-образным сочленением (тройником). Одно из плеч тройника закорочено и в нем размещен коммутатор на расстоянии λ_в/4 от закорачивающей торцевой стенки, где λ_в - длина волны в волноводе. Входное плечо тройника подключено к резонатору, выходное - к нагрузке. Поперечные размеры волноводов тройника и резонатора одинаковы и запредельны для всех видов колебаний, кроме H₁₀.

К недостаткам устройства относится малая добротность резонатора, и как следствие невысокий коэффициент усиления импульсной мощности. Например, в 3-сантиметровом диапазоне длин волн резонатор, изготовленный из прямоугольных волноводов сечением 28х12 мм², будет иметь собственную добротность Q₀, не превышающую нескольких тысяч, что не позволит получить коэффициент усиления мощности A более 20. Кроме этого максимальная выходная мощность ограничена. При заполнении внутреннего объема воздухом атмосферного давления критическая напряженность E_кр = 30 кВ/см, что будет соответствовать мощности бегущей волны, как одной из двух компонент стоячей волны, а также равной ей выходной мощности P_кр = 0,45 МВт.

Известен формирователь СВЧ импульсов (патент N 1228256. Опубл. 30.04.86, бюл. N 16. Авт.: С.А. Новиков, С.В. Разин, Ю.Г. Юшков), содержащий СВЧ-генератор и накопительный резонатор. Выходной элемент резонатора выполнен в виде волноводного тройника с соосными входным и выходным плечами. Боковое плечо закорочено и в нем размещен коммутатор. В волноводах тройника может распространяться только низший вид волны. Накопительный резонатор выполнен из отрезка регуляторного волновода, с увеличенным поперечным сечением, и в нем в принципе могут возбуждаться высшие виды колебаний. Входное плечо тройника подключено к резонатору соосно, а поперечное сечение резонатора со стороны тройника плавно уменьшается до поперечного сечения входного плеча тройника. Резонатор возбуждается на низшем виде H₁₀ прямоугольного (или H₁₁ круглого волновода), а плавный переход полностью согласован на рабочей частоте.

Вследствие того, что часть резонатора является сверхразмерной, ее добротность в 3-сантиметровом диапазоне достигает значений 10⁴...1,2·10⁴ и коэффициент усиления 40...50. Однако это устройство также имеет низкое значение максимальной выходной мощности. Вывод энергии происходит через одномодовые волноводы - плечи тройника и для резонатора, заполненного воздухом при атмосферном давлении P_кр = 0,45 МВт.

Выберем в качестве прототипа СВЧ-формирователь [R.A. Alvarez, D.P. Byme. Prepulse supression of microware pulse compression cavity. Rev. Scient. Inst. , v. 57, N 10, Oct. 1986, p. 2475-2480], состоящий из СВЧ-генератора и накопительного резонатора. Накопительный резонатор включает элемент возбуждения, выходной волновод и два равных отрезка одномодовых прямоугольных волновода, в каждом из которых один конец закорочен, а другой открыт. В одном из отрезков волновода на расстоянии λ_в/4 от закорачивающей стенки размещен коммутатор. Отрезки волноводов расположены соосно и соединены друг с другом открытыми концами. В плоскости их соединения, являющейся также плоскостью симметрии, перпендикулярно оси отрезков волноводов подключены два волноводных плеча: один в Н-плоскости, другой в Е-плоскости, возбужденной в накопительном резонаторе электромагнитной волны. Элемент возбуждения образован отверстием связи, выполненным в области подключения плеча в Е-плоскости в стенке соединенных отрезков волноводов и плечом в Е-плоскости, подключенным к СВЧ-генератору. Размеры отверстия обеспечивают требуемую величину нагруженной добротности при возбуждении. Плечо, подключенное в Н-плоскости, является выходным волноводом.

Устройство работает следующим образом. Возбуждающий СВЧ-импульс от СВЧ-генератора поступает по боковому плечу в Е-плоскости. В области подключения волна делится между двумя отрезками волноводов, но эти две волны, распространяющиеся вдоль отрезков по направлению к закороткам, имеют противоположные фазы. Волноводные отрезки имеют равные длины, поэтому отраженные волны к области подключения возвращаются также с противоположными фазами. Следовательно, в выходной волновод, подключенный к узкой стенке (в Н-плоскости), излучения не происходит. Величина связи, обеспечиваемая отверстием в широкой стенке, такова, что к окончанию процесса импульсного возбуждения поле в резонаторе достигает максимального значения. В этот момент к коммутатору прикладывается пусковое импульсное напряжение, и на расстоянии λ_в/4 от закорачивающей стенки формируется самостоятельный СВЧ-разряд. Плазма разряда вызывает отражение электромагнитной волны, фаза волны, бегущая из отрезка волновода, содержащего коммутатор, инвертируется и у боковых плеч волны, бегущие навстречу друг другу, складываются в фазе. Тогда сложенные волны излучаются в плечо, подключенное в Н-плоскости, и поступают в нагрузку. Длительность излучения t₀ = L/V_гр, где V_гр - групповая скорость, L - общая длина резонатора.

Данное устройство имеет коэффициент усиления в два раза больший, чем аналогичная несимметричная структура такой же длины L, за счет сокращения времени вывода энергии. Однако предельная выходная мощность остается такой же, как у приведенного выше аналога P_кр = 0,45 МВт для 3-сантиметрового диапазона длин волн при заполнении резонатора воздухом при атмосферном давлении. Предельная выходная мощность ограничена тем же обстоятельством, волноводы накопительного резонатора и выходного плеча в Н-плоскости являются одномодовыми и в указанном диапазоне могут иметь поперечное сечение 12х28 мм².

Задачей данного изобретения является увеличение предельной выходной импульсной мощности. Техническим результатом разработки является возможность увеличения поперечного сечения волноводов, образующих элемент вывода резонатора.

Предлагаемое устройство, формирователь СВЧ-импульсов, как и прототип, содержит СВЧ-генератор и накопительный резонатор, состоящий из элемента возбуждения, выходного волновода и двух отрезков волноводов одинаковой длины, каждый из которых с одной стороны закорочен, а с другой открыт и в одном из отрезков на расстоянии λ_в/4 от закорочивающей стенки размещен коммутатор. В отличие от прототипа отрезки волновода накопительного резонатора параллельны, имеют общую стенку и расположены так, что торцевые закорачивающие стенки находятся в одной плоскости, а открытые концы отрезков образуют общий открытый конец и с ним соосно с отрезками состыкован выходной волновод. Элемент возбуждения выполнен в виде волноводного тройника, состыкованного продольной стенкой своих симметричных закороченных плеч с торцевыми стенками отрезков волноводов, в которых выполнены совместные отверстия связи, а боковое плечо тройника подключено к СВЧ-генератору.

Накопительный резонатор предлагаемого устройства изображен на чертеже.

Возбуждающим элементом резонатора является волноводный тройник, образованный боковым плечом 1 и двумя симметричными плечами 2 и 3. Симметричные плечи закорочены на торцах стенками 4 и 5. Волноводные отрезки 6 и 7, образующие накопительный объем, имеют одинаковую длину, расположены параллельно, и их торцевые закорачивающие стенки расположены в одной плоскости 8. Торцевые закорачивающие стенки состыкованы с общей продольной стенкой симметричных плеч 2 и 3 возбуждающего тройника и в них выполнены отверстия связи 9 и 10. На расстоянии λ_в/4 от закорачивающей стенки отрезка 6 размещен коммутатор и его поджигающий электрод 11. Открытые концы отрезков 6 и 7 образуют общий открытый конец 12 и с ним соосно с отрезками 6 и 7 состыкован выходной волновод 13.

Рассмотрим работу на примере прямоугольных отрезков волноводов 6 и 7, имеющих параллельные широкие стенки. Тогда возбуждающий тройник является Е-тройником и волны, распространяющиеся по плечам 2 и 3 от места сочленения с входным плечом 1, имеют противоположные фазы. Если закоротки симметричных плеч 4 и 5 расположены на расстоянии λ_в/2 от отверстий, то отрезки 6 и 7 возбуждаются магнитным полем стоячей волны в тройнике. Бегущие волны в отрезках 6 и 7 имеют также противоположные фазы и взаимно компенсируются в области общего открытого конца 12 и на входе выходного волновода 13. При выполнении резонансных условий для частоты возбуждающего поля мощность бегущей в резонаторе волны будет увеличиваться в течение переходного процесса до величины, обусловливаемой нагруженной добротностью и длительностью возбуждающего импульса. В конце процесса возбуждения на поджигающий электрод 11 коммутатора поступает пусковой импульс и в поперечной плоскости отрезка волновода 6 на расстоянии λ_в/4 от плоскости 8 формируется самостоятельный СВЧ-разряд. Отражения на области разряда изменяют фазу волны, поступающей из плеча 6 к входу волновода 13. Волны, бегущие из отрезков 6 и 7, будут складываться в волноводе 13 в фазе и в результате объем резонатора оказывается связанным с нагрузкой.

Основное отличие конструкции заключается в том, что складывающиеся волны дальше распространяются в том же направлении. Это позволяет увеличить до некоторой степени площадь поперечного сечения волновода 6 и 7 и выходного волновода 13 по сравнению с одномодовыми волноводами Т-образного сочленения интерференционного переключателя прототипа и аналогов. В предлагаемом устройстве нет условий для возбуждения H₂₀ волны и выходной волновод может быть выполнен сечением 12х40 мм² для частоты 10 ГГц. Поперечное сечение отрезков волноводов 6 и 7 может быть еще больше, а единственность возбуждения H₁₀ вида колебаний определяется резонансными условиями. В рассмотренном примере, в котором к тому же расстояние от общей широкой стенки отрезков 6 и 7 до выхода в волновод 13 не меньше размера узкой стенки отрезка 6 и 7, значение P_кр составит 1,35 МВт, что больше, чем в прототипе и аналогах.

Проведенные измерения макета предлагаемого устройства показали, что переходное затухание между объемом резонатора и выходным трактом во время возбуждения на частоте 9,6 ГГц составляет 40 дБ относительно уровня сигнала в резонаторе. Нагруженная добротность в режиме критической связи превышает 9000 при поперечном сечении 20х40 мм² отрезков волновода 6 и 7.

Во всех рассмотренных примерах в реальных условиях эксперимента максимальная мощность P_max больше указанных значений P_кр за счет увеличения электрической прочности в импульсных полях и газовой изоляции внутренних объемов. Однако соотношение между расчетными величинами для аналогов, прототипа и заявляемого устройства сохранится для реальных режимов работы, и в заявляемом устройстве максимальная выходная импульсная мощность будет в 3 раза больше, чем в прототипе.

Формирователь наносекундных СВЧ-импульсов предназначен для генерации и формирования мощных СВЧ-импульсов преимущественно в радиолокации и лабораторных установках для исследования воздействия электромагнитного излучения на электронную аппаратуру. Техническим результатом разработки является увеличение поперечного сечения волноводов, образующих элемент выводов резонатора, и это решает задачу увеличения предельной импульсной выходной мощности. Накопительный резонатор содержит элемент возбуждения, два отрезка волновода и выходной волновод. Существенным отличием разработки данного изобретения является то, что два волноводных отрезка расположены параллельно и имеют общую продольную стенку, их торцевые закорачивающие стенки находятся в одной плоскости, открытые концы образуют общий открытый конец, с которым соосно с отрезками состыкован волновод, а элементом возбуждения является волноводный тройник, состыкованный продольной стенкой своих симметричных плес с торцевыми стенками отрезков, и в них выполнены совместные отверстия связи. 1 ил.

Формирователь СВЧ-импульсов, содержащий СВЧ-генератор и накопительный резонатор, состоящий из элемента возбуждения, выходного волновода и двух отрезков волноводов одинаковой длины, каждый из которых с одной стороны закорочен, а с другой открыт, и в одном из отрезков на расстоянии λ_в/4 от закорачивающей стенки, где λ_в - длина волны рабочего вида колебаний в волноводе, размещен коммутатор, отличающийся тем, что отрезки волноводов накопительного резонатора размещены параллельно, имеют общую стенку и расположены так, что торцевые закорачивающие стенки находятся в одной плоскости, а открытые концы отрезков образуют общий открытый конец и с ним соосно с отрезками состыкован выходной волновод, элемент возбуждения выполнен в виде волнового тройника, состыкованного продольной стенкой своих симметричных закороченных плеч с торцевыми стенками отрезков волноводов, в которых выполнены совместные отверстия связи, а боковое плечо тройника подключено к СВЧ-генератору.