Формирователь СВЧ-импульсов Советский патент 1992 года по МПК H01P1/14 

Изобретение относится к технике СВЧ и можетбыть использовано в мощных источниках высокочастотных импульсов для повышения мощности излучения.

Устройство работает на основе накопления и быстрого вывода энергии электромагнитного поля из объемного резонатора.

Известен формирователь СВЧ-импульсов, в котором накопленная в резонаторе энергия выводится через интерференционных ключ, выполненный в виде прямоугольного волноводного тройника, одно плечо которого сильно связано с резонатором, второе нагружено на согласованную нагрузку, а в третьем, закороченном плече, организован коммутатор и переключение устройства из режима накопления в режим вывода осуществляется разрядником коммутатора, расположенным в закорочённом плече на расстоянии четверти длины волны А отзакоротки. В режиме накопления тройник закрыт. Имитируя быстрое перемещеС/1

С

ние закоротки бокового плеча на д, разрядник при срабатывании открывает тройник и накопленная энергия Поступает в нагрузку в виде короткого радиоимпульса. После этого разрядник отключается и процесс накопления энергии повторяется. Формирователь наиболее работоспособен в коротковолновой области диапазона СВЧ (А 3-10 см) и может обеспечить коэффициент усиления ВЧ-мощности К2 13-20 дБ и уровень выходной мощности Р 1-100 МВт при нано- секундной длительности формируемых импульсов,

Известен также формирователь СВЧ- импульсов, в которомцилиндрический накопительный резонатор, работающий на Hoin виде колебания, соединен соосно с выходным круглым волноЪ бдсм, запредельным для рабочего типа волны, а управление режимами работы формирователя осуществляется коммутатором, организованным непосредственно в полости резонатора и

i ел о ю

00

го

выполненным в виде разрядника, который расположен ча середине радиуса торцовой

стенки резонатора на расстоянии от нее.

Переключение режима накопления в режим вывода осуществляется поджигом разряда в разряднике, что приводит к трансформации рабочей волны Ней в волну типа Ни, для которой выходной волновод является допредельным. При этом накопленная энергия через выходной волновод в виде короткого радиоимпульса поступает в нагрузку. После этого разрядник отключается и начинается очередной процесс накопления энергии. Формирователь, также как и описанный выше, наиболее работоспособен в коротковолновой области диапазона СВЧ и может обеспечить значения коэффициента усиления и уровня выходной мощности, сравнимые с соответствующими характеристиками описанного формирователя. Вместе с тем он способен формировать более энергоемкие импульсы

Наиболее близким к предлагаемому является формирователь СВЧ-импульсов, в котором накопительный резонатор выполнен в виде коаксиального тройника, к первому (накопительному) плечу которого подсоединен генератор непрерывных колебаний, второе (боковое) плечо закорочено,а третье является выходом формирователя и нагружено на согласованную нагрузку. При этом коммутатор формирователя выполнен в боковом закороченном плече тройника в виде разрядного промежутка, образованного разрывом центрального проводника коаксиала на расстоянии т от закоротки

плеча, где А - длина волны. Расстояние от точки разветвления тройника до разрядного промежутка выбирается из условия проти- вофазности сложения волн, излучаемых при накоплении из первого (накопительного) и бокового плеч в нагрузку После завершения процесса накопления разрядный промежуток пробивается и закорачивается. Это приводит к изменению электрической длины бокового плеча на -л и следовательно, к

суммированию излучаемых s нафузку волн в фазе. Таким образом, тройник открывается и накопленная энергия поступает в нагрузку в виде короткого СВЧ-импульса. После излучения импульса напряженность поля в разрядном промежутке падает, он размыкается и тройник переключается в режим накопления. Формирователь способен обеспечить коэффициент усиления и уровень выходной мощности МВт

Основными недостатками известного формирователя являются относительная сложность технологии его изготовления сложность настройки, а также то обстоятельство, что достаточно эффективная работа такого формирователя возможна только в длинноволновой области СВЧ При этом относительная сложность изготовления связана, прежде всего, с наличием в

0 формирователе коаксиального тройниково- го сочленения, качественный монгаж которого затруднителен и технологически не очень удобен. Сложность прецизионной настройки элементов формирователя обуслов5 лена необходимостью одновременной подстройки двух-трех параметров устройства, которые взаимосвязаны, и подстройка которых часто находится в противоречии друг с другом Таким параметрами являются

0 длина накопительного и бокового плеч тройника и высота разрядного промежутка. При этом, если длину накопительного плеча можно - ксировать и на его резонансную частоту настроиться путем соответствующе

5 го изменения частоты питающего генератора, то подстройка бокового плеча требует изменения его длины, что может повлечь за собой изменения высоты разрядного промежутка и снижения эффективную его рабо0 ты и наоборот, настройка разрядного промежутка на наиболее аффективную работу может привести к расстройке всего бокового плеча. В обоих случаях конечным результатом будет снижение переходного

5 затухания гройника и как следствие, уменьшение коэффициента усиления формирователя.

Снижение эффективности работы формирователя (уменьшение коэффициента

0 усиления К2 и предельного уровня выходной мощности Р) при переходе в коротковолновую область диапазона СВЧ связано с ростом постоянной затухания а рабочей волны в коаксиале и уменьшением диаметров d и

5 D его внутреннего и внешнего проводников соответственно. Это непосредственно сле1дует из известных зависимостей а х -э-г- и

м.

, если учесть, что коэффициент усиления формирователя К , а максимальный

уровень его выходной мощности равен мощности бегущей волны в накопительном резонаторе.

5 Цель изобретения - упрощение конструкции формирователя и расширение диапазона рабочих частот.

Ожидаемый положительный эффект повышение технологичности изготовления и настройки формирователя, поеышение

Общая длина накопительного резонатора I + у(2п+1) д, диаметр внешнего

ЗА

проводника D -тр диаметры d и А внутреннего проводника первого и второго отрезков коаксиальной линии, соответственно,

Лот D

связаны соотношением

d,

о(т-1)

где Кот и V0(m-i) m-й и (т-1)-й корни функции Бесселя J0(x) и ее производной j0 (x), а ширина разрядного промежутка h удовлетворяет

условиям h 4 .

Фиг.2 иллюстрирует синфазность колебаний в накопительном резонаторе 1 и разрядном промежутке 3, а также противофазность излучаемых из них в нагрузку волн в режиме накопления энергии.

Формирователь работает следующим образом.

От источника энергии через элемент ввода энергии в резонатор 1 поступает С8Ч- энергия. Элемент ввода энергии выполнен так, что в резонатор энергия поступает на волне ТЕМ. Размеры резонатора 1 и связанного с ним разрядного промежутка 3 выбраны таким образом, что в них возбуждаются ТЕМ ооп и Еото виды колебаний соответственно. При этом, так как ширина разрядного промежутка h и диаметры О и А выбраны удовлетворяющими условиям А-Ли структура полей в накопительном резонаторе и разрядном промежутке в месте их соединения противоположна, то в нагрузку излучаются противофазные волны с практически равными амплитудами. Поэтому потери СВЧ-энергии на излучение в нагрузку в режиме накопления отсутствуют. После окончания процесса накопления под действием управляющих сигналов срабатывает разрядник 4. При этом разрядный промежуток закорачивается по оси плазменным каналом. Это приводит к изменению фазы волны, излученной из промежутка в нагрузку на 180° и, следовательно, к ее синфазно- сти с волной, излученной в нагрузку из накопительного резонатора 1. Таким образом резонатор открывается и запасенная энергия поступает в нагрузку в виде импульса СВЧ. После излучения энергии разрядник 4 отключается, промежуток 3 размыкается и формирователь переключается в режим накопления.

Упрощение конструкции формирователя, по сравнению с прототипом, состо йГ в устранении бокового плеча устройства, что позволяет исключить технологически неудобную операцию монтажа этого плеча и

облегчает процесс настройки системы. Расширение диапазона рабочих частот формирователя обеспечивается увеличением отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии к рабочей длине волны и надлежащим выбором соотношений между ними. Повышение предельного уровня выходной мощности устройства связано с относительным

увеличением площади поперечного сечения передающей части коаксиальной линии накопительного резонатора.

Пример. Для проверки работоспособности устройства был изготовлен и исследован формирователь СВЧ-импульсов 3-сантиметрового диапазона длин волн со следующими характерными размерами. Диаметр D внешнего проводника отрезкрв коаксиальной линии равнялся 56 мм, диаметр

внутреннего проводника первого отрезка коаксиальной линии равнялся 16 мм, диаметр А внутреннего проводника второго отрезка 27,5 мм, разрядный промежуток размещался на расстоянии 340,5 мм от закоротки первого отрезка линии, ширина разрядного промежутка составляла 9 мм, диаметры d и А на расстоянии 85 мм от промежутка сопрягались плавным коническим переходом длиной 45 мм.

Возбуждение резонансной системы формирователя осуществлялось от магнет- ронного СВЧ-генератора с длительностью выходного импульса 1 мкс и мощностью в импульсе 100 кВт. При этом энергия в систему вводилась по волноводно-коаксиаль- ному переходу через кольцевое отверстие связи в закоротке первого отрезка коаксиальной линии вокруг ее внутреннего проводника.

На частоте 9,33 ГГц в системе после ее настройки путем взаимного соосного перемещения внутренних проводников линии возбуждались следующие виды колебаний: в накопительном резонаторе ТЕМоо(22) и в

разрядном промежутке - колебания вида Ео22. Измеренная добротность системы составляла 0,8-0,9 10 , что в 2 раза ниже расчетной. Такое снижение добротности, по-видммому, связано с дополнительными

потерями СВЧ-энергии на излучение в нагрузку из-за трансформации рабочей волны в высшие типы волн на отклонениях формы коаксиалз системы от идеальной. Вместе с тем, полученное значение добротности говорит о достаточно эффективной работе разрядного промежутка каТс экэивалента за- коротки второго отрезка коаксиальной линии при нзкоплении энергии, так как расчетное значение максимального коэффиего коэффициента усиления в области более высоких рабочих частот, а также увеличение уровня выходной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом формирователе (фиг. 1), со- держащем коаксиальный накопительный резонатор 1, выполненный на закороченном с одного конца первом отрезке (плече) коаксиальной линии, другой конец которого соосно соединен с вторым отрезком (пле- чом) коаксиальной линии 2, нагруженным на согласованную нагрузку, содержащем коммутатор, который выполнен в виде разрядного промежутка 3, образованного разрывом во внутреннем проводнике второ- го отрезка коаксиальной линии, а также содержащем разрядник 4 в разрядном промежутке 3, диаметр D внешнего проводника и диаметр внутреннего проводника второго отрезка коаксиальной линии выбра- ны согласно неравенствам

, .d

2Vo ( m - 1 )

гдеА-длина волны, d -диаметр внутреннего проводника первого отрезка коаксиальной линии, Кот и v0(m-i) гп-й и (т-1)-й корни функции Бесселл J0(x) и ее производной j0 (x) соответственно, а ширина разрыва h выбрана из условия h - -n, А и он размещен

на расстоянии L - (2п+1) от закороченного конца первого отрезка коаксиальной линии, где - целое число.

Возможность такого исполнения работоспособного формирователя основана на следующем. При возбуждении накопительного резонатора 1 на ТЕМ волне в силу полной аксиальной симметрии устройства и в силу выбора диаметров D и А удовлетворяющими условию D- A 2h -Я во втором отрезке коаксиальной линии 2 возможно распространение только ТЕМ волны. При этом, так как расстояние отзакоротки первого отрезка коаксиальной линии до разрыва внутреннего проводника второго отрезка выбраноудовлетворяющим равенству 1 (2п+1) д-эт. а диаметры D, А и

ширина h удовлетворяющими соотношениг ЗА A /Com D . ям D -J-, Vo() и , то

в накопительном резонаторе 1 и в разрядном промежутке 3 устанавливаются синфаз- ные колебания вида ТЕМ Ооп и Е0то, соответственно (так как соотношения для Аи h соответствуют такому выбору диамет510 15 0

5

0

5

0

5

0

5

ра и ширины разрядного промежутка, при котором в промежутке в радиальном направлении от его оси укладывается нечетное число полувариантов поля Е0то вида колебаний). Волны, излучаемые в нагрузку из накопительного резонатора и разрядного промежутка, оказываются противофазными и практически равными по амплитуде, что связано соответственно, с противоположностью структур этих волн в области соединения накопительного резонатора и разрядного промежутка (фиг.2) и практическим равенством площадей поперечного сечения передающей части второго отрезка коаксиальной линии и входа разрядного промежутка. Излучение энергии в нагрузку в этом случае отсутствует, т.е. формирователь работает в режиме накопления.

Для переключения формирователя в режим вывода энергии необходимо обеспечить синфазность излучаемых в нагрузку волн, что легко может быть осуществлено путем быстрого изменения фазы волны, излучаемой из разрядного промежутка, на 180° с помощью разрядника, располагаемого в стенке разрядного промежутка в месте максимума Е2-й составляющей ВЧ-поля Еото вида колебаний, и осуществляющего при срабатывании перемыкание промежутка по его оси плазменным каналом.

Существенным отличительным признаком предлагаемого формирователя от прототипа является его исполнение не по схеме тройникового сочленения, а по проходной (двухплечевой) схеме без бокового плеча, что обеспечивает относительную простоту устройства и одновременное расширение диапазона рабочих частот в область более высоких их значений (т.к. прототип работает

2 А 2

при D+d . а предлагаемый формирователь при D -тр).

На фиг.1 представлен предлагаемый формирователь; на фиг.2 -структура ВЧ-поля в резонансной системе формирователя при накоплении энергии.

Формирователь содержит (фиг.1) накопительный резонатор 1, выполненный на закороченном с одного конца первом отрезке коаксиальной линии, содержит второй отрезок коаксиальной линии 2, коммутатор 3 в виде разрядного промежутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике вто- рого отрезка коаксиальной линии и разрядник 4, расположенный в стенке промежутка на его оси.

Соотношения характерных размеров устройства следующие.

циента усиления при такой добротности со- ставляет 14 дБ, что существенно выше, чем предельные значения К 6-7 дБ для известного формирователя при его исполнении на рабочую частоту 9,33 ГГц,

Вывод энергии осуществлялся при возникновении, после подсветки разрядником, самостоятельного СВЧ-разряда по оси разрядного промежутка. Разряд зажигался на воздухе при атмосферном давлении. После поджига разряда на выходе формирователя с помощью детектора и скоростного осциллографа фиксировался СВЧ-импульс с длительностью 10 не по уровню 0,5. Достигнутый коэффициент усиления ВЧ- мощности по сравнению с мощностью возбуждающего генератора составлял 11,5 дБ, что превышает расчетное значение К2 для формирователя - прототипа на этой же рабочей частоте на 4-5 дБ. Уровень выходной мощности достигал 1,2-1,3 МВт и превышал предельно допустимый уровень выходной мощности формирователя - прототипа с рабочей частотой 9,33 ГГц в 3-4 раза.

Формула изобретения Формирователь СВЧ-импульсов, содержащий накопительный резонатор, выполненный на закороченном с одного конца

первой отрезке коаксиальной линии, другой конец которого соосно соединен с вторым отрезком коаксиальной линии, коммутатор, который выполнен в виде разрядного промежутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии, и разрядник, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и расширения диапазона рабочих частот, диаметр D внешнего проводника и диаметр А внутреннего проводника второго отрезка коаксиальной линии выбраны согласно неравенствам

, д

Крт D Vo(m-l)

d

где Я -длина волны;

d - диаметр внутреннего проводника первого отрезка коаксиальной линии;

и v0(m-i) - гп-й и (т-1)-й корни функции Бесселя 0(х) и ее производной 0(х) соответственно,

ширина разрыва h выбрана из условия , 2 Ди он размещен на расстоянии (2n+1) Я/4- - от закороченного конца

первого отрезка коаксиальной линии, где - целое число.

Использование: в мощных источниках СВЧ-импульсов для повышения мощности излучения. Сущность изобретения: устройство содержит накопительный резонатор, выполненный на закороченном с одного конца первом отрезке коаксиальной линии, соединенном последовательно и соосно с вторым отрезком коаксиальной линии, коммутатор в виде разрядного промежутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка козксизльчой линии, и разрядник, раЬположенный в стенке разрядного промежутка на его оси. 2 ил.

Фиг. I

TEH.

005

$

0

и

mm

о

020

VS

/ / / I 111 I I I I I

V 3 l

. 2