ГИГАНТСКАЯ КОАКСИАЛЬНАЯ ЛИНИЯ С ЛИНЗОВЫМИ КОРРЕКТОРАМИ Российский патент 2024 года по МПК H01P3/06 H01B11/18 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано для проведения фундаментальных физических исследований и испытаний техники в условиях, моделирующих прохождение сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ - сверхширокополосных электромагнитных импульсов) в ионосфере и ионизированной атмосфере Земли в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Для этого необходимы экспериментальные установки, обеспечивающие: а) генерацию и прохождение СШП ЭМИ различного уровня мощности на трассах длиной от единиц до десятков метров в форме квазипоперечной (ТЕМ) электромагнитной волны; б) создание разрежения (вакуума) на трассе распространения СШП ЭМИ; в) генерацию фоновой плазмы на трассе распространения СШП ЭМИ, имитирующей ионосферные слои. Причем существенным условием является обеспечение формирования импульсов в виде ТЕМ волн, т.к. в ионосфере и ионизированной атмосфере Земли СШП ЭМИ импульсы распространяются в виде ТЕМ волн.

Известен метод моделирования прохождения СШП ЭМИ в вакуумной камере путем облучения из рупорной антенны, возбуждаемой импульсным магнетроном (см. сборник статей. Физика космической и лабораторной плазмы. Новосибирск. Наука. Сибирское отделение. 1989. Лабораторное моделирование ионосферной линзы, создаваемой мощным электромагнитным излучением, стр. 146). Недостатками данного метода являются рефракция СШП ЭМИ на поперечно-неоднородной плазме, приводящая к существенному снижению амплитуды ЭМИ вдоль трассы распространения, а также нежелательные переотражения ЭМИ от стенок вакуумной камеры, приводящие к искажению формы сигнала.

Моделирование прохождения СШП ЭМИ в ионосфере и атмосфере возможно с использованием заполняемых плазмой передающих линий коаксиальной (несимметричной) или полосковой (симметричной) геометрии. Преимуществами такого способа являются: а) отсутствие (или сведение к минимуму) эффектов рефракции СШП ЭМИ при распространении; б) обеспечение распространения СШП ЭМИ в газе и в плазме в форме ТЕМ волны; в) возбуждение передающей линии непосредственно генератором СШП ЭМИ и осциллографическая регистрация (при необходимости - через аттенюатор) сигнала на выходе линии.

Коаксиальные линии в отличие от полосковых позволяют полностью локализовать электромагнитное поле в рабочем зазоре, а значит исключить рефракционные потери и утечку энергии из линии при создании в ней плазмы. Для моделирования распространения СШП ЭМИ в атмосфере и ионосфере реализован прототип - «гигантская» коаксиальная линия (ГКЛ) с плазменным заполнением (см. Идея и практическая реализация «Гигантской» коаксиальной линии с плазменным заполнением для моделирования эффектов взаимодействия электромагнитных импульсов с частично ионизированной газовой средой. ДАН. 2022, том 503, с. 3-7). ГКЛ, включающая регулярную рабочую секцию и два волновых трансформатора в виде коаксиальных конических переходов, выполнена как сверхразмерный коаксиальный волновод, поперечные размеры которого в рабочей секции в несколько раз превышают пространственную длину СШП ЭМИ. Такое исполнение ГКЛ необходимо для приближения условий моделирования к условиям в ионосфере, а именно - обеспечения максимальных масштабов области взаимодействия СШП ЭМИ с газом или плазмой в плоскости поляризации электромагнитной волны. ГКЛ устанавливается в откачиваемой вакуумной камере, в которой выбором рабочих газов и давления воспроизводятся конкретные физические условия в ионосфере или верхней атмосфере на высотах 40-80 км. В рабочей секции устанавливаются антенны для создания плазмы с помощью индукционного высокочастотного разряда.

Недостатком прототипа является искажение фазового фронта СШП ЭМИ при распространении в сверхразмерном коаксиальном волноводе, обусловленное изменением сечения и неоднородностью волнового импеданса по длине коаксиальных переходов. Возникающие искажения амплитудно-волновой формы ограничивают диапазон рабочих параметров СШП ЭМИ в области субнаносекундных длительностей, а также приводят к нарушению требований к поперечной однородности структуры электромагнитных полей в рабочей секции ГКЛ.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание коаксиальной линии (КЛ), обеспечивающей плоский фазовый фронт сверхширокополосного электромагнитного импульса и селективное возбуждение в основной ТЕМ моде, которая распространяется в заполняющей КЛ плазме и моделирует распространение СШП ЭМИ в ионосфере и ионизированной атмосфере Земли, где такие импульсы распространяются в виде ТЕМ волн.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик экспериментального оборудования, необходимого для проведения фундаментальных физических исследований и испытаний техники, заключающихся в снижении уровня искажений амплитудно-волновой формы СШП ЭМИ субнаносекундной длительности в КЛ, сокращении минимальной длительности импульса до трех раз по сравнению с прототипом, с 300 пс до 100 пс, расширении частотной полосы (до 3 раз) (сокращение длительности ЭМИ) при проведении экспериментальных исследований и испытаний техники в условиях, приближенных к натурным. Кроме этого, диэлектрические линзы на границах рабочего регулярного участка КЛ предупреждают попадание плазмы, создаваемой в рабочем участке, во внутреннее пространство конических участков, к вводу и выводу КЛ, что позволяет снизить вероятность нежелательного пробоя при проведении исследований или испытаний с СШП ЭМИ высокого уровня мощности.

Технический результат достигается за счет того, что разработанная коаксиальная линия так же, как и устройство-прототип включает регулярный участок, имеющий диаметр внешнего электрода, превышающий осевой пространственный размер формируемого в линии электромагнитного импульса, и два конусных участка, являющихся переходами на входной и выходной коаксиальные тракты. Новым является то, что в разработанной коаксиальной линии в местах сочленения регулярного и конусных участков коаксиальной линии установлены два встроенных линзовых корректора, выполненных из диэлектрического материала с малыми диэлектрическими потерями, имеющих одну плоскую поверхность и другую обращенную в сторону регулярного участка линии поверхность в виде части сферы с конечным радиусом кривизны. Причем максимальный диаметр линзовых корректоров равен внутреннему диаметру внешнего электрода коаксиальной линии на регулярном участке, а внутренний электрод коаксиальной линии проходит через осевое отверстие каждого линзового корректора, причем диаметр осевого отверстия линзового корректора равен диаметру внутреннего электрода коаксиальной линии на регулярном участке.

Линзовые корректоры, встроенные в месте соединений конических участков с регулярным участком КЛ, позволяют компенсировать искажения фазового фронта СШП ЭМИ, обеспечить селективное возбуждение СШП ЭМИ в сверхразмерной рабочей секции КЛ в основной ТЕМ моде и обеспечить согласование прошедшего СШП ЭМИ с выходным конусным участком и, соответственно, с приемной аппаратурой, регистрирующей прошедший СШП ЭМИ.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлено трехмерное изображение конструкции КЛ.

На фиг. 2 представлено продольное сечение КЛ.

На фиг. 3 представлен широкоапертурный линзовый корректор: а) трехмерное изображение; б) сечение широкоапертурного линзового корректора.

На фиг. 4 приведено пространственное распределение модуля электрического поля в СШП импульсе, формируемом в КЛ без линзовых корректоров.

На фиг. 5 приведено пространственное распределение модуля электрического поля в СШП импульсе, формируемом в КЛ при наличии линзовых корректоров.

Разработанная коаксиальная линия содержит регулярный участок 1, и два конусных участка 2 и 3, являющихся переходами на входной и выходной коаксиальные тракты соответственно, линзовые корректоры 4 и 5, диаметры которых равны внутреннему диаметру внешнего электрода 6 коаксиальной линии на регулярном участке 1. Через осевые отверстия 7 линзовых корректоров 4 и 5 проходит внутренний электрод 8 коаксиальной линии, который поддерживается с помощью диэлектрических стоек 9.

Принцип работы широкоаппертурного линзового корректора 4 или 5 можно пояснить, рассмотрев разность времен T(Δ) прохождения электромагнитного импульса через слои диэлектрического материала различной толщины (Δ):

где с - скорость света в вакууме,

ε - диэлектрическая проницаемость материала линзового корректора.

На выходе конусного участка 2 распределение электромагнитных полей в СШП импульсе имеет конечную кривизну фазового фронта, обусловленную конусным характером перехода. В отсутствии линзового корректора 4 кривизна фазового фронта СШП импульса сохраняется и в регулярном участке 1 КЛ. Для иллюстрации кривизны фазового фронта на фиг. 4 приведено пространственное распределение электромагнитных полей в СШП импульсе, формируемом в КЛ без линзового корректора 4. А на фиг. 5 показано пространственное распределение электромагнитных полей при наличии линзовых корректоров 4, 5 в предлагаемом устройстве. Наличие линзового корректора 4 обеспечивает нулевую или сколь угодно близкую к нулю кривизну фазового фронта в СШП импульсе, прошедшем через линзовый корректор, что достигается за счет разницы времен пробега Т(Δ) различных пространственных частей импульса, прошедших через части линзового корректора, расположенные на различных расстояниях от его центра и, соответственно, имеющие отличающиеся толщины. Как следует из фиг. 4, минимальная длительность электромагнитного импульса на регулярном участке 1 КЛ определяется кривизной фазового фронта импульса, т.е. запаздыванием частей импульса, расположенных вблизи внешнего электрода КЛ, относительно частей, расположенных вблизи внутреннего электрода КЛ. Вследствие данного эффекта минимальная длительность электромагнитного импульса в КЛ без линзовых корректоров не может быть меньше 300 пс согласно численному моделированию. Линзовый корректор 4 позволяет сделать плоским фазовый фронт импульса на регулярном участке КЛ, т.е. устранить запаздывание пространственных частей импульса, расположенных на различных диаметрах, что следует из фиг.5. При этом минимальная длительность импульса может быть уменьшена до 100 пс и определяется характеристиками используемого внешнего генератора СШП ЭМИ, а также характеристиками коаксиального тракта, применяемого для присоединения внешнего генератора СШП ЭМИ к коаксиальной линии.

Встроенные линзовые корректоры 4 и 5 выполнены из диэлектрического материала с малыми диэлектрическими потерями, например, из фторопласта-4 или полиэтилена. Конструкция линзового корректора 4 или 5 представлена на фиг. 3. Внешний диаметр D линзового корректора 4 или 5 равен внутреннему диаметру внешнего электрода 6 КЛ, диаметр d осевого отверстия 7 линзового корректора 4 или 5 равен диаметру внутреннего электрода 8 КЛ. Осевое отверстие 7 линзового корректора 4 или 5 предназначено для пропускания через него внутреннего электрода 8 КЛ. Одна из поверхностей каждого линзового корректора 4 и 5 (левая на фиг. 3б) плоская, другая (правая на фиг. 3б) поверхность, обращенная в сторону регулярного участка 1 линии, является сферической с радиусом кривизны R. Минимальная толщина Δ₁ линзового корректора 4 или 5 определяется требованиями механической прочности, обеспечивающей надежное крепление линзы на внешнем электроде 6 КЛ, и составляет порядка 20 мм. Максимальная толщина Δ₂ линзового корректора 4 или 5 зависит от радиуса кривизны R линзы.

Радиус кривизны R линзы подбирается таким, чтобы фазовый фронт СШП импульса, прошедшего через линзовый корректор 4, имел нулевую кривизну фазового фронта.

Линзовый корректор 5 устанавливается в месте соединения регулярного участка 1 ГКЛ с выходным конусным участком 3 и служит для обратного искривления фазового фронта СШП импульса, прошедшего через регулярный участок 1 КЛ. При этом структура прошедшего через линзовый корректор 5 СШП ЭМИ совпадает со структурой собственной волны конусного участка, которая распространяется по данному участку без искажений. Тем самым обеспечивается согласование регулярного участка 1 КЛ с конусным участком 3, что приводит к минимальным искажениям формы СШП импульса, проходящего из регулярного участка 1 КЛ в конусный участок 3 и в выходной коаксиальный тракт соответственно.

Таким образом, предлагаемая коаксиальная линия с линзовыми корректорами обеспечивает формирование и распространение сверхширокополосных электромагнитных импульсов в виде ТЕМ волн с плоским фазовым фронтом на регулярном участке КЛ, что необходимо для проведения фундаментальных физических исследований и испытаний техники (системы управления и автоматики, радиоэлектронные средства связи и навигации) в условиях, моделирующих прохождение сверхширокополосных электромагнитных импульсов в ионосфере и ионизированной атмосфере Земли.

Изобретение относится к СВЧ-технике, в частности к коаксиальным линиям. Коаксиальная линия, включающая регулярный участок, имеющий диаметр внешнего электрода, превышающий осевой пространственный размер формируемого в линии электромагнитного импульса, и два конусных участка, являющихся переходами на входной и выходной коаксиальные тракты, отличающаяся тем, что в местах сочленения регулярного и конусных участков коаксиальной линии установлены два встроенных линзовых корректора, выполненных из диэлектрического материала с малыми диэлектрическими потерями, имеющих одну плоскую поверхность и другую обращенную в сторону регулярного участка линии поверхность в виде части сферы с конечным радиусом кривизны, причем максимальный диаметр линзовых корректоров равен внутреннему диаметру внешнего электрода коаксиальной линии на регулярном участке, а внутренний электрод коаксиальной линии проходит через осевое отверстие каждого линзового корректора, причем диаметр осевого отверстия линзового корректора равен диаметру внутреннего электрода коаксиальной линии на регулярном участке. Технический результат - обеспечение формирования и прохождения сверхширокополосных электромагнитных импульсов в виде квазипоперечных электромагнитных волн через плазму, моделирующую ионосферу и ионизированную атмосферу Земли. 5 ил.

Коаксиальная линия, включающая регулярный участок, имеющий диаметр внешнего электрода, превышающий осевой пространственный размер формируемого в линии электромагнитного импульса, и два конусных участка, являющихся переходами на входной и выходной коаксиальные тракты, отличающаяся тем, что в местах сочленения регулярного и конусных участков коаксиальной линии установлены два встроенных линзовых корректора, выполненных из диэлектрического материала с малыми диэлектрическими потерями, имеющих одну плоскую поверхность и другую обращенную в сторону регулярного участка линии поверхность в виде части сферы с конечным радиусом кривизны, причем максимальный диаметр линзовых корректоров равен внутреннему диаметру внешнего электрода коаксиальной линии на регулярном участке, а внутренний электрод коаксиальной линии проходит через осевое отверстие каждого линзового корректора, причем диаметр осевого отверстия линзового корректора равен диаметру внутреннего электрода коаксиальной линии на регулярном участке.