ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО СВЧ-КОМПРЕССОРА Российский патент 2008 года по МПК H01P1/14 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в резонансных СВЧ-компрессорах для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности с высокой частотой повторения.

Известен интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора, содержащий Т-образный волноводный Н-тройник с закороченным полуволновым прямым плечом и СВЧ-разрядником тригатронного типа, расположенным в закороченном плече на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя [1]. Однако такой переключатель имеет относительно низкую электрическую прочность и, соответственно, низкий уровень коммутируемой мощности из-за того, что в нем электроды поджигающего разрядника расположены в отверстии, которое выполнено в широкой стенке волновода в максимуме электрической составляющей ВЧ-поля. Наличие отверстия приводит к локальному увеличению напряженности ВЧ поля в этом месте и, соответственно, к снижению электрической прочности переключателя. Кроме того, в разрядном промежутке переключателя всегда присутствуют остаточные продукты предыдущего разряда, также понижающие электрическую прочность волновода. Отмеченные факторы являются причиной и невысокой стабильности работы переключателя, т.к. способствуют переходу переключателя в режиме неуправляемого разряда (самопробоя) и вызывают увеличение области «блуждания» искры разряда по поверхности волновода. Все это приводит к росту флуктуации амплитуды и фазы волны, отраженной от плазмы СВЧ-разряда и, как следствие, к нестабильности амплитуды и длительности сигналов на выходе компрессора. К тому же, известный переключатель имеет сравнительно малый рабочий ресурс из-за быстрой деградации поверхности стенки медного волновода в районе отверстия, где размещены электроды поджигающего разрядника и формируется СВЧ-разряд.

Известен еще ряд аналогичных переключателей [2, 3], имеющих те же недостатки, что и переключатель, рассмотренный выше.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является переключатель, содержащий волноводный Т-образный Н-тройник с прямоугольным закороченным полуволновым боковым плечом и поджигающим разрядником, расположенным на одной из широких стенок этого плеча на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя в плоскости симметрии волновода плеча, параллельной узким стенкам волновода [4]. Этот переключатель также обладает отмеченными выше недостатками.

Задачей изобретения является создание интерференционного переключателя резонансного СВЧ-компрессора, обеспечивающего повышение уровня коммутируемой мощности, достижение более высокой стабильности срабатывания переключателя и увеличение рабочего ресурса переключателя.

Поставленная задача достигается тем, что в интерференционном переключателе резонансного СВЧ-компрессора, содержащем, как и прототип, волноводный Т-образный Н-тройник с прямоугольным полуволновым короткозамкнутым боковым плечом и электрический поджигающий разрядник, расположенный на короткозамкнутом плече, согласно изобретению, электрический поджигающий разрядник расположен в центре короткозамыкателя, а на узких стенках волновода короткозамкнутого плеча, в полную высоту этих стенок, на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя, выполнено по одном вертикальному щелевидному отверстию шириной с≤5·10^-2а«λ_в, где λ_в - длина волны в волноводе, а - ширина волновода, при этом в центр рабочей поверхности одной из широких стенок волновода короткозамкнутого плеча, на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя, электрически плотно вмонтирована неоднородность, выполненная из тугоплавкого металла в виде усеченного конуса с диаметрами D≤2с в основании, диаметром на вершине d≤с на вершине и высотой h≤0.1с.

Размеры щелевидных отверстий и неоднородности выбраны так, чтобы отражение электромагнитной волны от отверстий и неоднородности не приводило к уменьшению переходного ослабления переключателя в режиме «закрыто».

Устройство иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

на фиг.1 - схема интерференционного переключателя резонансного СВЧ-компрессора; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - поперечный разрез короткозамкнутого бокового плеча.

Интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора содержит волноводный Н-тройник 1 с полуволновым боковым плечом 2 и короткозамыкателем 3 плеча. На короткозамыкателе 3 расположен поджигающий электрический разрядник 4. В узких стенках бокового плеча 2 прямоугольного волновода, в полную их высоту на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя 3 вырезаны вертикальные щелевидные отверстия 5, ширина которых составляет с≈5·10^-2а«λ_в, где λ_в - длина волны в волноводе, а - ширина волновода. В рабочую поверхность одной из широких стенок волновода короткозамкнутого плеча на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя электрически плотно вмонтирована неоднородность 6, выполненная, например, из нержавеющей стали или молибдена.

Интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора работает следующим образом. Электромагнитная волна, подаваемая на вход переключателя, делится тройником 1 на волну, идущую в боковое плечо 2, и волны, следующие к входу и выходу переключателя. Волна, поступающая в боковое плечо 2, отражается от короткозамыкателя 3, меняет фазу на противоположную, возвращается к тройнику 1 и делится им на две, одна из которых идет к входу, а вторая к выходу. В силу выбора длины бокового плеча, равной половине длины волны в волноводе, и в силу известных свойств волноводного Н-тройника, волны, поступающие на выход устройства из бокового плеча 2 и со стороны входа переключателя, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ-энергии в нагрузку через переключатель в режиме «закрыто». После подачи на электрический разрядник 4 импульса высокого напряжения происходит пробой между высоковольтным электродом разрядника и короткозамыкателем 3 бокового плеча 2, находящегося под нулевым (земляным) потенциалом. Искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку волноводного разрядного промежутка в месте неоднородности 6, инициируя в промежутке свободные электроны и провоцируя, таким образом, развитие СВЧ-разряда в электрически наиболее слабом месте промежутка - месте расположения неоднородности 6. СВЧ-разряд приводит к образованию в этом месте плазменного канала, который быстро «переносит» положение короткозамыкателя 3 бокового плеча 2 на λ_в/4 и, соответственно, обеспечивает изменение фазы волны, поступающей из плеча на выход переключателя, на противоположную. Это приводит к синфазному суммированию волн на выходе переключателя, излучаемых из бокового плеча и со стороны входа устройства, и, следовательно, переходу переключателя в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. В месте неоднородности 6 волноводный разрядный промежуток непрерывно продувается потоком газа через отверстия 5, одно из которых является входным, а другое выходным. Поток удаляет продукты разряда из промежутка и восстанавливает электрическую прочность промежутка. После этого цикл повторяется.

Повышение уровня коммутируемой мощности достигается за счет увеличения электрической прочности разрядного промежутка, которое обеспечивается размещением поджигающего разрядника не в максимуме электрической составляющей ВЧ-поля, а в минимуме - в центре короткозамыкателя 3 бокового плеча 2. Кроме того, увеличение прочности обеспечивается непрерывным удалением продуктов СВЧ-разряда из разрядного промежутка продувом промежутка потоком газа через щелевидные отверстия 5, выполненные в боковых (узких) стенках, а также выполнением (лучше наличием) неоднородности 6, локализующей место пробоя, достаточно слабой по сравнению с неоднородностью в виде отверстия в стенке волновода. Более высокая прочность промежутка обеспечивает и повышение стабильности срабатывания переключателя, так как приводит к снижению количества самопроизвольных срабатываний переключателя. Сохранение электрической прочности промежутка на уровне, сопоставимом с уровнем прочности без неоднородности и одновременное обеспечение жесткой локализации места возникновения искры СВЧ-разряда в пределах неоднородности достигается соответствующим выбором размеров и профиля неоднородности. Локализация искры устраняет значительные флуктуации амплитуды и фазы волны, отраженной от плазмы искры, и, как следствие, снижает нестабильность амплитуды и длительности выходного сигнала компрессора. Увеличение рабочего ресурса переключателя обеспечивается выполнением одного из электродов СВЧ-разрядника (неоднородности поверхности волновода) из более тугоплавкого, чем стенки волновода, металла, а также за счет охлаждения поверхности электродов разрядника потоком продуваемого газа.

Таким образом, предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора обеспечивает повышение уровня коммутируемой мощности, повышение стабильности срабатывания переключателя и увеличение рабочего ресурса переключателя.

В качестве примера рассмотрим интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора 10-см диапазона длин волн, который был выполнен в виде волноводного Н-тройника из круглого волновода диаметром 90 мм. К круглому боковому плечу тройника длиной 25 мм подсоединялся плавный переход с круглого волновода на прямоугольный сечением 72×38 мм. Длина перехода составляла 100 мм. Таким образом, полная длина бокового плеча тройника равнялась 125 мм. Прямоугольный участок волновода бокового плеча составлял 40 мм, что на рабочей частоте СВЧ-компрессора 2800 МГц соответствовало четверти длины волны в прямоугольном волноводе. Заканчивалось боковое плечо короткозамыкателем, выполненным в виде подвижной мембраны.

На короткозамыкателе был смонтирован поджигающий электрический разрядник, осуществлявший ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка волновода бокового плеча. Разрядник срабатывал после подачи на него импульсов высокого напряжения амплитудой 16 кВ. На узких стенках прямоугольной части бокового плеча параллельно короткозамыкателю на расстоянии 40 мм от него были изготовлены два щелевидных отверстия шириной 3.5 мм и длиной 38 мм. К щелям через конические переходы подсоединялись трубопроводы системы продува.

Неоднородность рабочей поверхности бокового плеча была выполнена из нержавеющей стали в виде усеченного конуса диаметром 6 мм в основании, 4 мм на вершине и высотой 0.3 мм. Через отверстие в широкой стенке прямоугольной части волновода бокового плеча неоднородность электрически плотно монтировалась на рабочей поверхности одной из широких стенок волновода на расстоянии 40 мм от короткозамыкателя и 36 мм от узких стенок волновода плеча.

Такой переключатель был испытан на высоком уровне мощности в СВЧ-компрессоре с уровнем коммутируемой мощности 200 МВт. Переключатель обеспечивал среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов 3-5% при частоте следования импульсов СВЧ до 200 Гц. Аналогичный переключатель, но без системы продува и с поджигающим разрядником, расположенным на широкой стенке волновода закороченного плеча в месте максимума электрической составляющей ВЧ-поля, имел уровень коммутируемой мощности не более 150 МВт и среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов 15-20%. Ресурс такого переключателя не превышал нескольких часов, тогда как ресурс предлагаемого переключателя составлял не менее ста часов.

Источники информации

1. Альварец Р., Бирке Д., Берн Д., Лауэр Е., Скалапино Д. Сжатие СВЧ-энергии во времени для использования в ускорителях заряженных частиц. - Атомная техника за рубежом, 1982, № 11, С.36-39

2. R.R.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. - Review of scientific instruments, 1986, № 10, P.2475-2480

3. D.L.Birx, D.J.Scalapino. A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetics, 1979, V. MAG-15, № 1, P.33-35

4. C.A.Новиков, C.B.Разин, Ю.Г.Юшков A.C. SU 1228256 A1, H03K 12/00, H01P 7/04.

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в резонансных СВЧ-компрессорах для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности с высокой частотой повторения. Технический результат заключается в повышении уровня коммутируемой мощности, повышении стабильности срабатывания переключателя и увеличении его рабочего ресурса. В интерференционном переключателе резонансного СВЧ-компрессора, содержащем волноводный Т-образный Н-тройник с прямоугольным полуволновым короткозамкнутым боковым плечом и электрический поджигающий разрядник, расположенный на короткозамкнутом плече, согласно изобретению электрический поджигающий разрядник расположен в центре короткозамыкателя, а на узких стенках волновода короткозамкнутого плеча, в полную высоту этих стенок, на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя, выполнено по одном вертикальному щелевидному отверстию шириной с≤5·10^-2а«λ_в, где λ_в - длина волны в волноводе, а - ширина волновода, при этом в центр рабочей поверхности одной из широких стенок волновода короткозамкнутого плеча, на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя, электрически плотно вмонтирована неоднородность, выполненная из тугоплавкого металла в виде усеченного конуса с диаметрами D≤2с в основании, диаметром на вершине d≤c на вершине и высотой h≤0.1c. 3 ил.

Интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора, содержащий волноводный Т-образный Н-тройник с прямоугольным полуволновым короткозамкнутым боковым плечом и электрический разрядник, расположенный на короткозамкнутом плече, отличающийся тем, что электрический поджигающий разрядник расположен в центре короткозамыкателя, а на узких стенках волновода короткозамкнутого плеча в полную высоту этих стенок на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя, выполнено по одному вертикальному щелевидному отверстию шириной с≤5·10^-2а « λ_в, где λ_в - длина волны в волноводе, а - ширина волновода, при этом в центр поверхности одной из широких стенок волновода короткозамкнутого плеча на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя электрически плотно вмонтирована неоднородность, выполненная из тугоплавкого металла в виде усеченного конуса с диаметром в основании D≤2c, диаметром на вершине d≤c и высотой h≤0.1c, а к щелевидным отверстиям через конические переходы подсоединены трубопроводы системы продува.