АНТЕННА ДЛЯ ВЫВОДА СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ВАКУУМА В АТМОСФЕРУ Советский патент 1996 года по МПК H01Q13/00 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в мощных, преимущественно релятивистских, СВЧ-устройствах для вывода излучения из вакуума в атмосферу.

Целью изобретения является повышение мощности СВЧ-излучения, выводимого в атмосферу, до величины порядка гигаватт и более.

На чертеже показано устройство антенны.

Антенна содержит последовательно и соосно расположенные согласующий 1 и дополнительный 2 рупоры и выходное диэлектрическое вакуумно-плотное окно 3. Согласующий и дополнительный рупоры 1, 2 вакуумно-плотно соединены плоским уступом 4. Для предотвращения влияния поверхности дополнительного рупора 2 на волновое поле согласующего рупора 1, раскрыв 5 согласующего упора 1 углублен внутрь дополнительного рупора 2 на величину h (1-2) λ, где λ длина волны излучения (м), а разность размеров основания дополнительного рупора 2 и раскрыва 5 согласующего рупора 1 составляет величину d-a (2-4) λ. Согласующий рупор примыкает к источнику СВЧ-излучения (не показан). Выходное окно 3 укреплено в раскрыве 6 дополнительного рупора 2 и может иметь, например, плоскую поверхность со стороны вакуума. Для наиболее эффективного вывода СВЧ-излучения поверхность, обращенная в атмосферу, выполнена в соответствии с соотношением
δ(θ) nλ/2 (1-sin²/) (1) где n 1,2,3.

δ (θ) толщина выходного окна 3 вдоль каждого луча, выходящего из точки "0" под углом θ к оси 7 антенны;
ε относительная диэлектрическая проницаемость материала окна.

Возможен вариант окна в виде сферического сегмента с центром в точке "0" с толщиной δ, определяемой соотношением (1), в котором величина θ 0.

Минимальное значение n в соотношении (1) определяется необходимой прочностью диэлектрического окна 3. В качестве материала окна могут быть использованы диэлектрики с невысокой диэлектрической проницаемостью и малым углом потерь, несущественно зависящим от частоты, например, полиэтилен, полистирол, тефлон. Максимальная площадь выходного окна определяется максимально допустимой толщиной окна 3, обусловленной затуханием излучения. Если тангенс угла потерь диэлектрика tg α<<1, коэффициент f затухания излучения в материале окна по порядку величины равен
f ≈ e (2) Поэтому максимальная толщина окна, начиная с которой становится существенным затухание излучения, определяется соотношением
Δ_кр= (3) Таким образом, максимальное значение n_макс в соотношении (1)
n_макс ≃ (4) Расстояние S между раскрывами 5, 6 согласующего 1 и дополнительного 2 рупоров равно большей из величины Н₁ и Н₂, определяемых из соотношения
H₁= (25-40) (4)
H₂= (1-10) (5) где Е_пр напряженность поля СВЧ-пробоя, В/м;
Р_свч мощность СВЧ-излучения, Вт;
Р²(θ, Φ) диаграмма направленности излучения по мощности согласующего рупора 1 в сферической системе координат с осью, совпадающей с осью симметрии 7 антенны,
θ_макс угловой размер диаграммы направленности.

Размер D окна 3 определяется соотношением
D (1,1-1,3)Htg θ_макс, (6)
Антенна работает следующим образом. Выполнение требований, относительно того, чтобы размеры основания дополнительного рупора 2 на (2-4) λ превышали размеры раскрыва 5 согласующего рупора 1, раскрыв 5 согласующего рупора 1 был на (1-2) λ заглублен внутрь дополнительного рупора 2, а также выбор размера D выходного окна в соответствии с условием (6) обеспечивают слабое влияние поверхности дополнительного рупора 2 на волновое поле, формируемое согласующим рупором 1. Уменьшение указанных размеров ведет к повышению этого влияния, увеличение к нерациональному росту объема дополнительного рупора 2. Соотношение (4) обеспечивает отсутствие СВЧ-пробоя по поверхности выходного окна. В соответствии с соотношением (5) выходное окно находится на таком расстоянии от раскрыва 5 согласующего рупора 1, где выражена дальняя зона, а волновые поверхности имеют форму, близкую к сферической, с фазовым центром внутри согласующего рупора. Это позволяет использовать выходное окно 3 с толщиной, определяемой соотношением (1), оптимальной для прохождения излучения. Так как расстояние S в соответствии с соотношениями (4) и (5) существенно превосходит размеры согласующего рупора 1, за фазовый центр может быть принята точка, лежащая на оси антенны, соответствующая половине высоты согласующего рупора 1. Изменение положения фазового центра внутри согласующего рупора 1 вследствие различной структуры полей излучаемых мод при этом слабо влияет на условия вывода излучения. Следует отметить, что при уровнях мощности СВЧ излучения (1-10)•10¹⁹ Вт в сантиметровом диапазоне длин волн, значениях Е_пр≃1-5 МВ/м и а≃(2-10) λ, выполнение условия (5) достаточно хорошо обусловлено требованием (4). Необходимая механическая прочность окна обеспечивается выбором соответствующего числа n в выражении (1).

Предложенная антенна СВЧ может быть сконструирована как на основе конических, так и на основе пирамидальных рупоров. В заключение следует отметить, что антенна, которая была сконструирована с учетом изложенных соображений, использовались в экспериментах по генерации СВЧ-излучения трехсантиметрового диапазона с уровнем выходной импульсной мощности 5-10 ГВт.

Антенна для вывода сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения из вакуума в атмосферу содержит соосно расположенные и вакуумно-плотно соединенные плоским уступом согласующий рупор (Р) 1 и Р 2, в раскрыве которого укреплено диэлектрическое вакуумно-плотное окно (ДВПО) 3. Раскрыв 5 углублен внутрь Р 2 на величину h = (1-2)λ, где λ - - длина волны излучения; а разность размеров основания Р 2 и раскрыва 5 согласующего Р 1 равна d-a = (2-4)λ, а толщина δ ДВПО 3 вдоль каждого луча, выходящего из точки, лежащей на оси антенны посредине согласующего Р 1, под углом g к его поверхности, определяется соотношением где ε - - относительная диэлектрическая проницаемость материала ДВПО 3, n = 1, 2, 3... Изобретение повышает мощность СВЧ-излучения, вводимого в атмосферу до величины порядка гигаватт и более. 1 ил.

АНТЕННА ДЛЯ ВЫВОДА СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ВАКУУМА В АТМОСФЕРУ, содержащая соосно расположенные согласующий рупор и диэлектрическое вакуумно-плотное окно, отличающаяся тем, что, с целью повышения уровня выводимой мощности, антенна содержит дополнительный рупор, в раскрыве которого укреплено диэлектрическое окно, при этом раскрыв согласующего рупора углублен внутрь дополнительного рупора на расстоянии h (м), угол раскрыва дополнительного рупора не меньше угла раскрыва согласующего рупора, основные размеры антенны связаны между собой выражениями
2λ≅d-a≅ 4λ;
λ≅ h≅ 2λ,
где d размер основания дополнительного рупора, м;
a размер раскрыва согласующего рупора, м;
а толщина δ (м) диэлектрического окна вдоль каждого луча, выходящего из точки, лежащей на оси антенны посередине согласующего рупора, под углом g (рад) к поверхности окна определяется соотношением


где λ длина волны излучения, м;
e относительная диэлектрическая проницаемость материала окна,
n 1,2,3.