Формирователь импульса Советский патент 1992 года по МПК H03K3/53 H01P1/14 

5 7,

-А

Ч4

Изобретение относится к технике СВЧ предназначено для формирования мощных высокочастотных импульсов в- радиол ока- ци и и для исследовайия газового разряда. Цель изобретения - увеличение выходной импульсной мощности в метровом диапазоне длин волн. Устройство содержит к оакси- альный резонатор 3, соединенный элементом связи 2 с СВЧ-генератором 1, тройник 5 с торцовой закорачивающей стенкой 7, образующей зазор с внутренним про- водником 6 тройника 5. Увеличение , выходной мощности достигается выбором величины зазора между стенкой 7 и внутренним проводником 6 обеспечивающим резонанс коаксиальйого резонатора 3.1 ил.

3

4

V

Ч

.Si.

v

,

V

&

i

XI ел

КЗ

4Q

ю

ы

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для формирования мощных высокочастотных импульсов для целей радиолокации, исследования газового разряда и плазмы,

Наиболее разработанными являются формирователи с объемными резонаторами для 3- и 10-сантиметровых диапазонов длин волн. В некоторых случаях для радиолокации предпочтительным является более длинноволновый диапазон, например, при повышенной влажности атмос феры. В дециметровом и метровом диапазонах размеры накопительного резонатора увеличиваются, увеличивается также его вес. Изобретение решает задачу разработки формирователя метрового диапазона с приемлемыми весо- габаритными характеристиками.

Известно устройство формирования мощных СВЧ-импульсов, содержащее сверхразмерный накопительный резонатор, элемент возбуждения и переключающий волноводный тройник. Тройник изготовлен из прямоугольных волноводов, соответствующих низшему типу колебаний Ню. и подключен к отверстию связи и торцовой стенке накопительного резонатора. Одно из плеч тройника закорочено, а другое открытое плечо подключено к нагрузке. В закороченном плече размещен поджигающий электрод.

К недостаткам устройства относятся большие габариты и вес в метровом диапазоне длин волн. Например, при длине волны высокочастотных колебаний м(частота f 150 МГц), поперечные размеры волноводов тройника составили бы х 0,6 м2, а диаметр цилиндрического накопительного резонатора 5-6 м. Такой формирователь может быть использован только в стационарных установках, но и для этих целей его изготовление не всегда становится экономически оправданным.

Известен формирователь СВЧ-импульсов, состоящий из накопительного резонансного объема, подключенного к СВЧ-генератору, поджигающего электрода и блока запуска. Резонансный объем образован отрезком регулярного волновода, ограниченного с одной стороны полноводным тройником с короткоззмкнутым плечом, а другой - элементом возбуждения. Длина резонансного объема - m Аь/2, где m - целое число; Яь - длина волны 8 волноводе. Поперечные размеры регулярного прямоугольного волновода и волноводов тройника одинаковы, сравнимы с рабочей длиной волны Я и обеспечивают распространение Ню волны. Длина короткозамкнутого плеча подобрана так, что в процессе возбуждения резонансного объема излучения из него не происходит. Поджигающий электрод размещен вне объема резонатора в отверстии широкой стенки короткозамкнутого плеча на расстоянии Аь /4 от закорачивающей стенки.

Устройство работает следующим образом.

После возбуждения резонатора на поджигающий электрод подается импульс напряжения, За счет образовавшейся искры между электродом и стенкой волновода инициируется СВЧ-разряд, замыкающий

противоположные широкие стенки волновода в области расположения поджигающего электрода. Частота отражения тройника изменяется, и накопленная СВЧ-энергия поступает в нагрузку в виде импульса. Его

выходная импульсная мощность Ри превышает мощность Рг питающего СВЧ-генера- тора.

К недостаткам устройства относятся большие размеры и вес в метровом диапазоне длин волн. Если поперечное сечение ВОЛНОРОДОВ в 10-сантиметровом диапазоне 7,2 х 3,4 см2, то в метровом диапазоне не менее 72 х 34 см2. Кроме этого, с увеличением размера узкой стенки пропорциональноувеличивается время коммутации, так как увеличивается протяженность зазора, который должен быть перекрыт СВЧ-разрядом, Увеличение времени коммутации приводит к падению выходной импульсной мощности

Рц и коэффициента усиления формирователя. Известен также формирователь импульсов, содержащий СВЧ-генератор и накопительный резонатор, выполненный коаксиальным. С одной стороны

коаксиальный резонатор ограничен закорачивающей стенкой, с другой - коаксиальным тройником, в котором одно из плеч закорочено, В этом плече расположен коммутатор, образованный двумя отрезками внутреннего проводника, между которыми установлен зазор д на расстоянии Я /8 от закорачиваемой стенки. Величина зазора д определяется по формуле д 0,93d/(C-1,5), где d - диаметр внутреннего проводника; С - величина, зависящая от диаметра внешнего проводника коаксиала D и длины волны Я. Длина резонатора от закорачивающей стенки до тройника составляет несколько длин полуволн.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные колебания СВЧ-ге- нератора накачки, работающего в непрерывном или импульсном режиме, поступают

на элемент возбуждения. Во внутренний объемах резонатора и закороченного плеча тройника возбуждается СВЧ-поле. Геометрическая длина закороченного плеча тройника U жестко связана с рабочей частотой или длиной волны Li Я /4 (или же 1и 3/4), так как посяе коммутации электрическая длина плеча становится равной геометрической, м волны в тройнике должны складываться в фазе. Во время возбуждения тройник выполняет функцию режекторного фильтра и электрическая длина закороченного плеча должна быть тгили кратна этой величине. Разница между электрической длиной во время возбуждения и требуемой электрической длиной во время вывода энергии может быть обеспечена только зазором.

Участок длиной Я /4, примыкающий к торцовой стенке закороченного плеча тройника и включающий в себя зазор между отрезками внутреннего проводника, имеет электрическую длину 2я В конце процесса возбуждения напряженности поля в зазоре критического значения происходит СВЧ пробой между торцовыми поверхностями отрезков внутреннего проводника. Тогда тот же участок длиной Я /4 будет иметь электрическую длину л/2, как обычный четвертьволновый резонатор. Фаза волны, отраженной от закорачивающей стенки плеча тройника и поступающей к Т-образному коаксиальному соединению, изменится на п и будет складываться в фазе с волной, поступающей из резонатора. Это означает установление полной связи с нагрузкой, приводящей к быстрому излучению энергии возбужденного поля.

К недостаткам устройства относится низкий уровень выходной мощности в метровом диапазоне длин волн. В любом диапазоне в данной конструкции должно выполняться условие Zo/X 1, где Z - волновое сопротивление, X - реактивное сопротивление сосредоточенной емкости с зазором д /2, 6 - зазор между отрезками внутреннего проводника. Поскольку X 1/(й) С), где С - емкость и а) - круговая частота, то при уменьшении о) величина С должна пропорционально увеличиться. Увеличение С при неизменных диаметрах d - внутреннего и D - внешнего проводников коаксизла достигается уменьшением д. Но уменьшение & приводит к увеличению напряженности поля в зазоре, так как при постоянной мощности высокочастотного генератора накачки высокочастотное напряжение в зазоре постоянно. Таким образом уменьшение рабочеи частоты f сопровождается необходимым увеличением напряженности поля в чаэоро разрядника при сохранении прежней величины погонной энергии возбуждзтюго попя и, в целом, энергии,

запасенной в резонаторе. Поскольку эпект- ричеокля прочность разрядника ограничена, то уменьшается допустимая мощность выходных наносекундных импульсов формирователя, Например, если d 30 мм, D -

90 мм, f 1 ГГц и выходная мощность фор- миропрггля -2Q МВт, то высокочастотное нзпряуение в зазоре будет 17П кВ. Величина зазора б , удовлетворяющая условию Zo/X 1, составит д 8 мм и напряженность

поля - 210 кВ/см Для частоты f -(150-300) МГц зчюр уменьшается до (1-0,5) мм и напряженность поля возрастает до (2100- 3400) uB/см при той же мощности возбуждающего ВЧ-генератора и выходной

импупьсной мощности формирователя 20 МВт Ни вакуум, ни какой-либо газ не обладают такой электрической прочностью, и поэтому максимально возможная выходная мощность уменьшается на порядок и более

Цель изобретения - увеличение выходной импульсной мощности в метровом диапазоне длин волн.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем, как и прототип,

СВЧ-генератор, накопительный резонатор, коаксиальный тройник с разрядным промежутком, выполненным в боковом плече коаксиального тройника, в отличие от прототипа разрядный промежуток шириной Д -0,15 A -

Ч- (0.15 A)2 +A jrd+2(D-d) /8 ,где A(dlnD/d), а и D-диаметры внутреннего и внешнего проводников коаксиального тройника соответственно, выполнен между

торцовой закорачивающей стенкой и концом внутреннего проводника бокового плеча коаксиального тройника

Существенным отличием заявляемого формирователя является выполнение

коммутатора в виде зазора между торцовой закорачивающей стенкой и концом внутреннего проводника коаксиала. В известном коаксиальном формирователе-прототипе зазор расположен на расстоянии

Я/8 от торцовой закорачивающей стенки В других известных формирователях на основе объемных резонаторов коммутатор располагается нз расстоянии Я /4 от закорачивающей стенки. 8 коаксиальных конструкциях разрядников блокировки передатчика в качестве разрядного промежутка используются диэлектрические окна или емкостные диафрагмы, а сами разрядники выполняются с дополнительным объемом или в виде закороченного коаксиального отрезка с электрически соединенными центральным проводником и закорачивающей стенкой.

Схематически предлагаемое устройство предстаплено на чертеже, где обозначены: возбуждающий СВЧ-генератор 1, элемент связи 2, коаксиальный резонатор 3 внутренний проводник 4 коаксиального резонатора, тройник 5, отрезок 6 внутреннего проводника закороченного плеча тройника, торцовая закорачивающая стенка 7

Выход СВЧ-генерзтора 1 соединен с элементом связи 2 накопительного резонатора 3, С одной стороны резонатор 3, в котором размещен внутренний проводник А, ограничен тройником 5. В закороченном плече тройника размещен отрезок внутреннего проводника 6. Между его концом и закорачивающей стенкой 7 установлен зазор величиной А.

Устройство работает следующим обра зом.

Электромагнитные колебания СВЧ-ге- нератора 1 поступают на элемент возбуждения 2 и возбуждают поле во внутреннем объеме резонатора 3 и закороченном плече тройника. Длина короткозамкнутого плеча Li А /4 или же LI 3 А /4, но величина Д подобрана так, что отрезок коаксиального короткозамкнутого плеча является резонансным и его электрическая длина составляет п или 2 я Тогда отраженная волна от закороченного плеча имеет обратную фазу по отношению к волне падающей на тройник из резонатора 3, и излучения в выходное плечо на рабочей частоте не происходит,

Максимальная величина напряженности электрического пол я достигается в емкостном зазоре между торцовой стенкой 7 и концом отрезка б, где в конце процесса возбуждения происходит СВЧ-пробой. Отрезок центрального проводника 6 и торцовая стенка 7 закорачиваются, и электрическая длина закороченного плеча становится л /2 (или3я/2). Отраженная волна, падающая на тройник из закороченного плеча, с учетом двойного пробега складывается в фазе с падающей волной из резонатора 3, и накопленная в резонансном объеме электромагнитная эн ергия поступает через выходное плечо тройника в нагрузку.

Условием работоспособности устройства и, в частности, коаксиального коммутатора является равенство длины закороченного плеча тройника Li А/4 (или 3 А /4), обеспечивающей сдвиг фазы при одном пробеге волны я /2 (или Зя/2) при осуществлении коммутации Во время

возбуждения на рабочей частоте отрезок А /4, примыкающий к торцовой стенке 7, должен иметь электрическую длину я. Зто означает, что величина Д , диаметры внутреннего d и внешнего D проводников должны удовлетворять условию резонанса. Если обозначение I Li- Л то по условию U - А/4. то указанное соотношение преобразуется к виду

Ггп (п - , М-1 - d п d 4. Itg (75 - -т- ) Jт (-г -г +

15 Отсюда

.).nЈ

2Д

(D

.п f 2яД v 26 /зга D-d4t D

tg(T)-T-(B3+in-T5 -)ln.(2)

в метровом диапазоне Д/А и тогда

функцию tg

2яД

можно заменить аргу- D -d

ментом. Кроме этого, разлагая In

2Д

ряд получают:

ACtd in DC Яд , D-d j. n9 Л rt

А я п -ЩГ+-4Д- + ) (3)

Величина Д находится как корень квадратного уравнения

(0,15 А)2 + +2(D -d)/8

гдеЛ (с11пО/с) /я

результаты расчетов по (1) и (3) имеют хорошее совпадение и показывают, что в метровом диапазоне зазор Д составляет величину порядка 10 мм и более Например при постоянном D 90 мм и d 10 мм Д -11.3 мм; d 20 мм мм; d 30 мм Д- 15 2 мм. Отличие от коммутатора-прототипа заключается в том, что в закороченное плечо тройника включается коаксиальный резонансный отрезок с укорачивающей емкостью, длина внутреннего проводника которого близка А /4 Большие величины Добъясняются большой нелинейностью левой части (1) при Li -A/4 и малой величиной Д/ 4 В прототипе же используется два коакспальных отрезка длиной L - А /8 с укорачивающей емкостью, включенных навстречу друг другу. При неизменной частоте чем короче отрезок, тем больше должна быть укорачивающая емкость и меньше зазор. С

Учетом зависимости величины зазора от длины волны конструкция прототипа в метровом диапазоне длин волн становится неприемлемой.

Например размеры формирователя, рассчитанного на рабочую частоту f 150

МГц. А 2 м. Диаметры коаксмала D 90 мм и d 30 мм Длина резонатора до плоскости симметрии тройника 2000 мм, длина закороченного плеча - 500 мм Величина зазора между концом центрального проводника и закорачивающей стенкой А 15,2 мм, что при той же максимальной напряженности поля в зазоре Е0 210 кВ/см позволяет получить соответствующее максимальное высокочастотное напряжение Do 318 кВ и такое же напряжение стоячей волны в резонаторе в регулярной части. Отсюда следует, что максимальная выходная мощность 150 МВт.

Учитывая обшие преимущества коаксиальных формирователей - большую скоро- cij коммутации, хорошие весогабаритные характеристики, возможность получать короткие импульсы длительностью 1-2 не, предлагаемое устройство имеет большое значение для техники получения наносекунда ых СВЧ-импульсов с мощностью в десят0

5

0

ки мегаватт в метровом дилпл омп дпин волн.

Формула изобретения Формирователь импульса содрржащий СВЧ-генератор. накопительный резонатор, коаксиальный тройник с разрядным промежутком, выполненным в боковом плече коаксиального тройника, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной импульсной мощности в метровом Диапазоне длин волн, разрядный промежуток шириной .15А+-

+ V(Q,15A) + 2(D-d)/8

где A (dlnD/dM. d и D - д/аметры внутреннего и внешнего проводников коаксиального тройника, соответственно, выполнен между торцовой закорачивающей стенкой и концом внутреннего проводника бокового плеча коаксиального тройника.