РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ КОМПРЕССОР С СИММЕТРИЧНЫМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 2012 года по МПК H01P7/06 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.

Известен ряд оригинальных конструкций резонансных СВЧ компрессоров, работающих на основе накопления и быстрого вывода СВЧ энергии в резонансном объеме [А.Н.Диденко, Ю.Г.Юшков. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.112]. Наиболее распространенными среди них являются компрессоры, накопительный объем которых выполнен из одномодового прямоугольного либо круглого волновода, а устройство вывода организовано в виде интерференционного переключателя на основе Т-образного волноводного Н-тройника [Патент RU №2328062, МПК Н01Р 1/14, опубл. Бюл. №18, 2008 г.; В.А.Августинович, С.Н.Артеменко, В.Ф.Дьяченко, В.Л.Каминский, С.А.Новиков, Ю.Г.Юшков. Исследование переключателя СВЧ компрессора с коммутацией в круглом волноводе. ПТЭ, 2009, №4, с.106-109]. Одно из прямых плеч такого переключателя используется в качестве накопительного объема и имеет длину nλ_в/2, где n>>1, λ_в - длина волны в волноводе. Второе прямое либо боковое плечо выполняется полуволновым и ограничивается короткозамыкателем. В этом плече на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя размещается СВЧ коммутатор, соединенный с источником управляющих сигналов. Свободное плечо связывается с нагрузкой и через него осуществляется вывод энергии. Мощность резонансных СВЧ компрессоров с выводом энергии через интерференционный переключатель определяется электрической прочностью коммутатора. В таких компрессорах коммутируемая мощность практически равна мощности бегущей волны резонатора, т.е. предельной мощности выходных сигналов компрессора. Например, в десятисантиметровом диапазоне длин волн этот уровень, обычно, не превышает 400-500 МВт. Из-за потерь при выводе он снижается до 250-300 МВт [Патент RU №2387055, МПК Н01Р 1/14, опубл. Бюлл. №11, 2010 г.].

С целью увеличения мощности сигналов при неизменном уровне коммутируемой мощности [R.A.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v.57, №10, p.2475-2480] был предложен СВЧ компрессор с симметричным накопительным резонатором из прямоугольного волновода и устройством ввода-вывода энергии на основе двойного волноводного тройника. Ввод энергии осуществляется через элемент ввода на основе Е-тройника, а вывод - через элемент вывода на основе Н-тройника, выполненных из прямоугольного волновода. СВЧ коммутатор располагается в одном из плеч резонатора на расстоянии четверти длины волны от короткозамыкателя плеча. Такое исполнение устройства позволяет выводить энергию одновременно из обоих плеч через один общий выходной волновод. Теоретически, в случае коммутации без потерь, одновременный вывод может обеспечить двукратное повышение мощности выходных сигналов по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора при двукратном укорочении сигналов по сравнению с временем двойного пробега волны вдоль резонатора. Поэтому мощность сигналов компрессора с симметричным резонатором, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 500-600 МВт. По технической сущности такой компрессор наиболее близок к предлагаемому устройству и взят за прототип.

Задачей изобретения является создание СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности.

Технический результат заключается в увеличении мощности выходных сигналов компрессора за счет уменьшения времени вывода энергии и увеличения поперечного сечения накопительного резонатора.

Указанный результат достигается тем, что в резонансном СВЧ компрессоре, содержащем, как и прототип, симметричный резонатор из волновода с двумя короткозамкнутыми плечами, СВЧ коммутатор и элементы ввода и вывода энергии на основе волноводных тройников, в отличие от прототипа элемент ввода выполнен со стороны бокового плеча Н-тройника, расположенного в центре, цилиндрического резонатора длиной L=(4n+1)λ_в/2, где n>1 и λ_в - длина волны в резонаторе, элемент вывода выполнен в виде двух выходных Н-тройников из круглого волновода, диаметром D, выбранным из условия λ/1,7<D<λ/1,03, где λ - длина волны в свободном пространстве, лежащих в одной плоскости с Н-тройником элемента ввода и включенных симметрично в короткозамкнутые плечи цилиндрического резонатора, на расстоянии L₁=nλ_в/2 от соответствующего короткозамыкателя, а к боковым плечам выходных Н-тройников симметрично прямыми плечами подсоединен суммирующий Н-тройник, при этом резонатор содержит четыре отрезка круглого волновода длиной L₁-λ_в каждый и диаметром D₁, удовлетворяющим условию D<D₁<λ/0,82, отрезки последовательно соединены с прямыми плечами выходных Н-тройников через плавные волноводные переходы с диаметра D₁ на диаметр D, по одному на каждый отрезок, а полуволновая коммутирующая секция диаметром D₁ с СВЧ коммутатором размещена в центре резонатора и делит его на две равные части и в сочетании с выходными Н-тройниками элемента вывода на четыре примерно равные части.

Целесообразно, чтобы волноводные переходы с диаметра D₁ на диаметр D были выполнены длиной L₂≈0.5Λ, где Λ - длина волны в волноводе диаметром D на нижней частоте полосы пропускания перехода, равной отношению 1/t, где t - время двойного пробега рабочей волны вдоль отрезка резонатора длиной L₁=nλ_в/2.

На Фиг.1 представлена схема предложенного СВЧ компрессора.

СВЧ компрессор представляет собой симметричный многомодовый накопительный резонатор 1 длиной L=(4n+1)λ_в/2 с плечами, ограниченными короткозамыкателями 2, и с элементом ввода энергии 3, который выполнен со стороны бокового плеча Н-тройника 4, расположенного в центре резонатора. Компрессор содержит элемент вывода энергии, организованный на основе двух выходных Н-тройников 6 из круглого волновода диаметром D, удовлетворяющим неравенствам λ/1,7<D<λ/1,03. Эти тройники компланарны с входным Н-тройником 4 и прямыми плечами симметрично включены в плечи накопительного резонатора на расстоянии L₁=nλ_в/2 от короткозамыкателя 2 соответствующего плеча и расстоянии L₁+λ_в/4=(n+1/2)λ_в/2 от центра резонатора. К выходам тройников 6 симметрично прямыми плечами подсоединен суммирующий Н-тройник 5, с боковым плечом 7, являющимся выходом устройства. Резонатор 1 выполнен из четырех отрезков круглого волновода, каждый длиной L₁-λ_в=(n-2)λ_в/2 и увеличенным диаметром D₁, удовлетворяющим неравенствам D<D₁<λ/0,82. Отрезки сопрягаются с полуволновыми прямыми плечами выходных Н-тройников элемента вывода через плавные переходы 9 с диаметра D₁ на диаметр D, по одному на каждый отрезок. Длина каждого перехода L₁≈0,5Λ, где Λ - длина волны в волноводе диаметром D на нижней частоте полосы пропускания перехода, равной отношению 1/t, где t - время двойного пробега рабочей волны вдоль части резонатора длиной L₁=nλ_в/2. Полуволновая коммутирующая секция диаметром D₁ с СВЧ коммутатором 8 размещена в центре резонатора и делит резонатор на две равные части, а в сочетании с выходными Н-тройниками элемента вывода - на четыре практически равные части.

Устройство работает следующим образом. В многомодовом накопительном резонаторе 1 через элемент ввода энергии 3 накапливается СВЧ энергия. Так как выходные волноводы выходных Н-тройников 6 в режиме накопления расположены в узлах стоячей волны резонатора, то в этом режиме энергия в выходные волноводы не поступает. После завершения процесса накопления включается СВЧ коммутатор 8 (зажигается плазма газового СВЧ разряда), который расположен в максимуме электрической составляющей поля в центральном варианте рабочей моды резонатора. В результате фаза волны слева и справа от коммутатора меняется на 180°. Волны с инвертированной фазой распространяются от центра резонатора в сторону выходных Н-тройников 6. В момент их прихода к выходным волноводам Н-тройников 6 в плоскости симметрии тройников устанавливается пучность стоячей волны резонатора, и резонатор открывается, т.к. оказывается сильно связанным с выходными волноводами этих тройников. В силу этого накопленная энергия поступает в выходные волноводы и начинается процесс вывода энергии. Этот процесс продолжается до тех пор, пока со стороны короткозамыкателей 2 к выходным волноводам тройников 6 поступает волна. Время поступления равно времени двойного пробега волны от короткозамыкателя каждого плеча до выходного волновода ближайшего к короткозамыкателю выходного Н-тройника 6. Поскольку это время равно времени пробега волны от коммутатора до выходных волноводов Н-тройников 6 и равно четвертой части времени пробега вдоль всего резонатора, то через такой промежуток времени энергия из резонатора выводится полностью в выходные (боковые) плечи тройников 6. При этом волны из этих плеч поступают в прямые плечи суммирующего Н-тройника 5 и в этом тройнике суммируются и поступают в выходной волновод 7. Такое развитие процесса вывода обусловлено известным свойством Н-тройников, согласованных со стороны бокового плеча. Оно заключается в полном суммировании синфазных волн одинаковой амплитуды, подводимых к Н-тройнику через его прямые плечи. Поскольку переключение из режима накопления в режим вывода осуществляется одним коммутатором, то процесс вывода через два выходных Н-тройника осуществляется синхронно и синфазно, что обеспечивает практически полное суммирование в суммирующем Н-тройнике 5. Кроме того, вывод энергии осуществляется без отражения волн на изменении диаметра волновода резонатора, так как волноводы разного диаметра соединяются через плавные переходы 9, согласованные в широкой полосе частот. Таким образом, энергия выводится через выходной волновод 7 за время, в четыре раза меньшее времени двойного пробега волны вдоль резонатора, что теоретически обеспечивает четырехкратное повышение мощности выходного сигнала по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора.

В прототипе возможное повышение мощности равно двум. Кроме того, в прототипе используется резонатор из стандартного прямоугольного волновода. В силу ограниченности площади его сечения и ограниченности электрической прочности изолирующей среды он имеет ограниченный уровень рабочей мощности. Повышение мощности компрессора-прототипа возможно только за счет увеличения площади сечения резонатора и уменьшения времени вывода накопленной энергии, что недопустимо в силу особенностей конструкции такого компрессора. Особенности связаны с тем, что эффективная работа элемента ввода-вывода энергии и СВЧ коммутатора в прототипе возможна только при одномодовом исполнении резонатора. В предлагаемом компрессоре используется резонатор из круглого многомодового волновода. В качестве такого волновода взята медная труба с диаметром, не превышающим критический диаметр для волны Е₁₁. Соображения, которые лежат в основе выбора, сводятся к следующему. Резонатор предлагаемого компрессора работает на волне типа Н₁₁ и плазма коммутирующего разряда развивается у оси волновода по силовой электрической линии. Поэтому представляется наиболее вероятным, что существенное преобразование основной волны в паразитные возможно только в случае появления в трубе волн со структурой поля в области разряда, близкой к структуре Н₁₁ волны. Так как в исследуемой системе используется достаточно длинный накопительный резонатор и, следовательно, имеющий относительно высокую плотность спектра колебаний, то вероятность взаимодействия с каким-либо резонансом нежелательной волны достаточно высока. Взаимодействие с такой волной может привести к проблемам с быстрым выводом накопленной энергии. Первой волной, в ряду нежелательных волн, является волна типа Е₁₁, что и определяет выбор диаметра резонатора. В этом случае по резонатору, кроме основной волны, возможно распространение только E₀₁ и H₂₁ типов волн, сильное взаимодействие которых с волной Н₁₁ на плазменном канале у оси волновода маловероятно. При этом Н-тройники элемента вывода изготовлены из круглого волновода с диаметром D<λ/1,03, т.е. меньше критического для волны H₂₁. Это связано с целью предотвращения распространения Н₂₁ волны по волноводу тройника, так как присутствие этой волны в тройнике приводит к падению его переходного ослабления в режиме «закрыто». Однако уровень рабочей мощности компрессора определяется волноводом увеличенного диаметра, поскольку задается электрической прочностью коммутатора, т.е. параметром, формируемым волноводом большего диаметра.

Увеличение диаметра резонатора обеспечивает не только повышение мощности выходных сигналов компрессора, но и увеличение добротности резонатора, а значит, и коэффициента усиления компрессора. Кроме того, при заданной длительности выходного сигнала повышение коэффициента усиления обеспечивается и увеличением длины резонатора предлагаемого компрессора по сравнению с длиной резонатора компрессора-прототипа. Повышение усиления и в этом случае связано с ростом добротности резонатора при увеличении его длины.

В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим результаты сравнительного исследования двух СВЧ компрессоров десятисантиметрового диапазона длин волн. В первом из них для накопления энергии использовался цилиндрический резонатор диаметром 90 мм, работавший на частоте 2804МГц на Н₁₁ (25) моде колебаний. Входной Н-тройник, как и выходные, также был изготовлен из круглого волновода диаметром 90 мм. Длина резонатора равнялась 1860 мм, а расчетное время двойного пробега на рабочей частоте составляло ~17,3 нс. Выходные Н-тройники располагались на расстоянии 440 мм от короткозамыкателей соответствующих плеч резонатора и на расстоянии 474 мм от центра резонатора. Измеренная добротность такого резонатора на рабочей моде равнялась 3,1×10⁴. Добротность резонатора, представляющего собой половину этой системы, не превышала 2.6×10⁴. Энергия накапливалась от импульсного магнетрона мощностью 2 МВт с длительностью импульсов 3,2 мкс. При такой длительности и оптимальной входной связи расчетная эффективность накопления составляет 0,41. Таким образом, в резонаторе накапливалось около 2,6 Дж СВЧ энергии. При таком запасе энергии мощность бегущей волны резонатора достигает ~150 МВт, а коэффициент усиления составляет ~18,8 дБ. Это означает, что в случае коммутации без потерь на выходе системы можно получать сигналы мощностью ~600 МВт, длительностью ~4,3 нс и усилением ~24,8 дБ. Переключение резонатора из режима накопления в режим вывода осуществлялось СВЧ коммутатором, который располагался в центре резонатора по диаметру волновода. В этом месте находится максимум электрической составляющей поля в центральном варианте рабочей моды. Коммутатор представлял собой продуваемую кварцевую трубку с внутренним диаметром 12 мм и наружным 14 мм. Ориентация трубки совпадала с плоскостью поляризации рабочей моды резонатора. Со стороны одного из торцов трубки монтировался электрический разрядник, обеспечивающий подсветку разрядного промежутка коммутатора. Кроме того, к торцам трубки подсоединялись трубопроводы системы продува разрядного промежутка. Резонатор заполнялся азотом под избыточным давлением 5-5,5 ати с добавлением 15-20% элегаза. Разряд в трубке происходил в аргоне под давлением ~3,5-4 ати с добавлением 7-10% элегаза либо чистом аргоне под давлением около 5 ати. При таком давлении в трубке обеспечивалась стабильная работа коммутатора практически без сбросов на самопробой. В принципе, система работала идентично компрессору с выводом энергии через интерференционный переключатель на основе Н-тройника из круглого волновода. Причем она работала достаточно эффективно как при коммутации в аргоне, так и в смеси аргона с элегазом. Однако наиболее эффективно система работала при коммутации в чистом аргоне. Измеренный коэффициент усиления по каждому из выходов при коммутации в аргоне с элегазом составил около 19 дБ. Таким образом, мощность выходных сигналов по каждому из выходов в этом случае составляла ~160 МВт. Длительность сигналов равнялась 3,8 нс. Суммирование сигналов в суммирующем Н-тройнике приводило к некоторому увеличению их длительности и незначительному снижению усиления. Скорее всего это связано с неидеальным согласованием суммирующего тройника и возможным отличием длины волноводных трактов от выходов компрессора до места суммирования. Максимальная суммарная мощность при коммутации в смеси аргона с элегазом достигала ~300 МВт. Усиление составляло ~22 дБ, а длительность равнялась ~4,3 нс. Так как управление выводом осуществлялось одним СВЧ коммутатором, то это исключало проблемы с суммированием. Таким образом, при коммутации в смеси аргона с элегазом получено только двукратное умножение мощности выходных сигналов по сравнению с мощностью бегущей резонатора. Это, очевидно, связано с относительно низкой напряженность поля в резонаторе и, соответственно, более заметными потерями при коммутации. Для снижения потерь требуется повышение мощности входного сигнала.

При коммутации в чистом аргоне зафиксировано усиление ~20 дБ и мощность ~200 МВт по каждому из выходов системы, что соответствует усилению суммарных сигналов ~23 дБ и суммарной мощности ~400 МВт. Таким образом, на чистом аргоне получено умножение мощности, близкое к трехкратному его значению. Коммутация в аргоне была возможна также в силу относительно низкой напряженности поля в резонаторе из-за достаточно большого его объема. Вместе с тем, она была более эффективной в силу более хороших коммутационных характеристик аргона по сравнению со смесью аргона с элегазом.

Экспериментальное исследование компрессора с резонатором большего диаметра выполнено на макете, изготовленном из волновода диметром 120 мм, длиной ~1400 мм и представляющем собой половину резонатора всей системы. Н-тройник элемента вывода был изготовлен из круглого волновода диаметром 90 мм и имел одинаковые плечи длиной около 80 мм. Длина переходов с диаметра 90 на диаметр 120 составляла 85 мм. Половина системы взята с целью получения максимальной напряженности поля в резонаторе и оценки степени стабильности работы в таких условиях. Энергии выходного СВЧ импульса, использованного в экспериментах источника для полной системы, было недостаточно. Резонатор половины системы работал на Н₁₁₍₂₀₎ виде колебаний и имел добротность несколько выше 3,1×10⁴, что более чем на пять тысяч выше добротности аналогичного резонатора из волновода диаметром 90 мм. Такое увеличение добротности обеспечивает повышение усиления приблизительно на 1 дБ. Расчетный коэффициент усиления резонатора составлял более 21 дБ, а мощность бегущей волны и время двойного пробега, соответственно, ~260 МВт и ~10 нс. В экспериментах был получен коэффициент усиления выше 23 дБ при пиковой мощности выходных сигналов порядка 400 МВт и длительности ~4,7 нс. Коммутация осуществлялась в аргоне с добавлением 5% элегаза. В целом, результаты экспериментов говорят об устойчивой коммутации в круглом волноводе большего диаметра и возможности получения на полной системе такого типа стабильных СВЧ сигналов наносекундной длительности с коэффициентом усиления 24-25 дБ и мощностью порядка 1 ГВт и более. Для повышения уровня коммутируемой мощности до предельно допустимой величины ~800 МВт требуется увеличение запаса энергии во входном импульсе в два-три раза. В этом случае система будет способна формировать сигналы с уровнем мощности ~1 ГВт и выше.

Резонансный СВЧ компрессор может быть использован для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности. Технический результат заключается в увеличении мощности выходных сигналов компрессора за счет уменьшения времени вывода энергии и увеличения поперечного сечения накопительного резонатора. Резонансный СВЧ компрессор содержит симметричный резонатор (1) из волновода с двумя короткозамкнутыми плечами, СВЧ коммутатор и элементы ввода (3) и вывода энергии на основе волноводных тройников. Элемент ввода (3) выполнен со стороны бокового плеча Н-тройника (4), расположенного в центре цилиндрического резонатора длиной L=(4n+1)λ_в/2, где n>1 и λ_в - длина волны в резонаторе. Элемент вывода выполнен в виде двух выходных Н-тройников (6) из круглого волновода диаметром D, выбранным из условия λ,/1,7<D<λ,/1,03, где λ - длина волны в свободном пространстве, лежащих в одной плоскости с Н-тройником (4) элемента ввода (3) и включенных симметрично в короткозамкнутые плечи резонатора (1), на расстоянии L₁=nλ_B/2 от соответствующего короткозамыкателя (2), к боковым плечам выходных Н-тройников (6) симметрично прямыми плечами подсоединен суммирующий Н-тройник (5). Резонатор (1) содержит четыре отрезка круглого волновода длиной L₁-λ_в каждый и диаметром D₁, удовлетворяющим условию D<D₁<λ/0,82, отрезки последовательно соединены с прямыми плечами выходных Н-тройников (6) через плавные волноводные переходы (9) с диаметра D₁ на диаметр D, по одному на каждый отрезок. Полуволновая коммутирующая секция диаметром D₁ с СВЧ коммутатором (8) размещена в центре резонатора (1). Волноводные переходы (9) с диаметра D₁ на диаметр D выполнены длиной L₂≈0.5Λ, где Λ - длина волны в волноводе диаметром D на нижней частоте полосы пропускания перехода, равной отношению 1/t, где t - время двойного пробега рабочей волны вдоль отрезка резонатора (1) длиной L₁=nλ_B/2. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Резонансный СВЧ компрессор с симметричным резонатором из волновода с двумя короткозамкнутыми плечами, имеющий СВЧ коммутатор и элементы ввода и вывода энергии на основе волноводных тройников, отличающийся тем, что элемент ввода выполнен со стороны бокового плеча Н-тройника, расположенного в центре цилиндрического резонатора длиной L=(4n+1)λ_в/2, где n>1 и λ_в - длина волны в резонаторе, элемент вывода выполнен в виде двух выходных Н-тройников из круглого волновода, диаметром D выбранным из условия λ/1,7<D<λ/1,03, где λ - длина волны в свободном пространстве, лежащих в одной плоскости с Н-тройником элемента ввода и включенных симметрично в короткозамкнутые плечи цилиндрического резонатора, на расстоянии L₁=nλ_в/2 от соответствующего короткозамыкателя, а к боковым плечам выходных Н-тройников симметрично прямыми плечами подсоединен суммирующий Н-тройник, при этом резонатор содержит четыре отрезка круглого волновода длиной L₁-λ_в каждый и диаметром D₁, удовлетворяющим условию D<D₁<λ/0,82, отрезки последовательно соединены с прямыми плечами выходных Н-тройников через плавные волноводные переходы с диаметра D₁ на диаметр D, по одному на каждый отрезок, а полуволновая коммутирующая секция диаметром D₁ с СВЧ коммутатором размещена в центре резонатора и делит его на две равные части и в сочетании с выходными Н-тройниками элемента вывода на четыре примерно равные части.

2. Резонансный СВЧ компрессор с симметричным резонатором по п.1, отличающийся тем, что волноводные переходы с диаметра D₁ на диаметр D выполнены длиной L₂≈0,5Λ, где Λ - длина волны в волноводе диаметром D на нижней частоте полосы пропускания перехода, равной отношению 1/t, где t - время двойного пробега рабочей волны вдоль отрезка резонатора длиной L₁=nλ_в/2.