Формирователь импульсов

Формирователь импульсов СВЧ-энергии может быть использован в различных системах ВЧ питания электрофизической аппаратуры, например, ускорителей заряженных частиц, в радиолокации, при исследовании взаимодействия электромагнитных импульсов с различными средами и объектами. Устройство содержит СВЧ-генератор (3), соединенный элементом связи с накопительным резонатором (1) и тройником (4), выполненными в виде коаксиально расположенных наружного и внутреннего (7) проводников. В закороченной стенке (6) тройника (4) расположен разрядный промежуток (8). Внутренний проводник (7) выполнен в виде спирали. Длина накопительного резонатора (1) L_p определяется соотношением а длина закороченного плеча (5) L_n: где - длина волны в свободном пространстве, k - коэффициент замедления спирали, n - целое число. Технический результат заключается в уменьшении линейных размеров формирователей импульсов. 1 ил. 1 пр.

Полезная модель относится к технике СВЧ, конкретно к области формирования импульсов СВЧ-энергии и может быть использована в различных системах ВЧ питания электрофизической аппаратуры, например, ускорителей заряженных частиц, в радиолокации, при исследовании взаимодействия электромагнитных импульсов с различными средами и объектами.

Известны формирователи импульсов, основанные на накоплении СВЧ-энергии в резонансных объемах с последующим быстрым ее выводом в нагрузку [Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984. 112 с.].

Известен формирователь СВЧ-импульсов, содержащий СВЧ-генератор, накопительный резонатор и волноводный тройник [Девятков Н.Д., Диденко А.Н. и др. Формирование мощных импульсов при накоплении СВЧ-энергии в резонаторе. - Радиотехника и электроника. - 1980. - 1.25, 6. - С.1227-1230]. Резонатор и тройник выполнены из стандартных волноводов прямоугольного сечения. Длина резонатора выбирается из условия L_p=n(_в/2), где _в - длина волны в волноводе, n - целое число. С одной стороны резонатор ограничен элементом возбуждения, с другой стороны - тройником. Одно из плеч тройника закорочено проводящей стенкой, другое подключено к согласованной нагрузке. На расстоянии (3/4)_в от закорачивающей стенки находится разрядник, поджигающий электрод которого размещен вне объема тройника в отверстии в широкой стенке волновода.

Длительность импульса на выходе формирователя t_вых задается временем двойного пробега электромагнитной волны вдоль оси резонатора и определяется соотношением:

где L_p - длина резонатора, - скорость переноса электромагнитной энергии в волноводе, с - скорость света, , - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, заполняющей волновод, _кр - критическая длина волны в волноводе, n - целое число, - длина волны в свободном пространстве.

Геометрическая длина закороченного плеча L_n тройника подобрана таким образом,

что набег фазы _n электромагнитной волны, распространяющейся в нем от точки ветвления тройника до закорачивающей проводящей стенки, составляет величину

где - фазовая постоянная, m - целое число.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии разрядник не включен. Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора поступает во внутренние объемы волноводов резонатора и тройника. В этом случае набег фазы электромагнитной волны, распространяющейся от точки ветвления тройника до закорачивающей стенки и обратно с учетом сдвига фазы при отражении от стенки на n, составляет ₁=2m+.

Таким образом, поступая в выходное плечо тройника, она складывается в противофазе с волнами, распространяющимися вдоль оси резонатора, взаимно погашая друг друга, и электромагнитная энергия в нагрузку не поступает, накапливаясь в объеме резонатора. После завершения процесса накопления подается высоковольтный импульс напряжения на электрод разрядника. В закороченном плече тройника на расстоянии (3/4)_в от закорачивающей стенки, зажигается искровой СВЧ-разряд. Электрическая длина плеча уменьшается на величину . Полный набег фазы электромагнитной волны, после отражения ее от области искрового разряда в точке ветвления тройника составляет ₂=₁-2=2(m-1). Начиная с этого момента волны, поступающие из закороченного плеча тройника и накопительного резонатора, синфазно возбуждают выходное плечо тройника. Если к последнему подключена согласованная нагрузка, то вся накопленная в резонаторе электромагнитная энергия передается в нее без отражений за время t_вых.

К недостаткам устройства относится следующее. Как видно из соотношения (1) длительность импульса на выходе формирователя t_вых связана линейной зависимостью с длиной резонатора L_p , которая, в свою очередь, кратна целому числу n полуволн _в/2. Например, при длине волны =10 см и длительности СВЧ-импульса на выходе формирователя t_вых=26·10^-9c, длина резонатора L _p=2.8 м и n=40, т.е. вдоль его оси укладывается сорок длин полуволн _в/2. Применение устройства данной конструкции в метровом диапазоне длин волн дополнительно требует увеличения геометрических размеров поперечного сечения волноводов, из которых изготовлен формирователь. Так, если поперечное сечение волноводов в указанном выше примере составляет 7,2×3,4 см² , то в метровом диапазоне длин волн не менее 72×34 см ².

Таким образом, существенным недостатком данного устройства являются большие размеры накопительного резонатора, и соответственно, большой вес формирователя в целом при времени вывода энергии, составляющем несколько десятков наносекунд.

Наиболее близкими к предлагаемой полезной модели, принятыми в качестве прототипа, являются формирователи импульсов [Новиков С.А., Разин С.В., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирователь импульса. Авторское свидетельство СССР 1752199, МПК Н03К 3/53, Н01Р 1/14, публ. 1992], содержащий СВЧ-генератор, накопительный резонатор и тройник, при этом резонатор и тройник выполнены в виде коаксиально расположенных наружного и внутреннего проводников диаметрами D и d, соответственно. Рабочая длина волны данного типа формирователя равна длине волны СВЧ-колебаний в свободном пространстве. Формирователь работает на низшем типе колебаний, что требует выполнение условия [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Из-во «Высшая школа», 1970. T.1. с.93]. Таким образом, при работе формирователя в длинноволновом диапазоне не требуется увеличение поперечных размеров резонатора и тройника. Минимальные размеры диаметра D внешнего проводника определяют допустимые величины накапливаемой в резонаторе СВЧ мощности из-за появления электрических пробоев. Геометрическая длина закороченного плеча тройника L_n жестко связана с рабочей длиной волны формирователя и составляет величину, равную /4. Разрядник в данном устройстве реализован в виде зазора между закорачивающей стенкой и концом внутреннего проводника плеча тройника. Зазор обеспечивает разницу в набеге фазы при распространении электромагнитной волны в закороченном плече в режиме накопления и в режиме вывода накопленной энергии. Эта разница в точке ветвления тройника составляет .

Величина зазора разрядного промежутка тройника является достаточной, чтобы пробой в этом промежутке происходил при достижении в резонаторе максимальных высокочастотных полей с точки зрения его электрической прочности. Это позволяет получать на выходе формирователя СВЧ-импульсы мощностью в десятки мегаватт.

Устройство-прототип работает следующим образом. Накопление энергии в резонаторе обусловлено процессами, протекающими, как и в предыдущем формирователе. Отличие заключается в том, что в конце процесса накопления СВЧ-пробой в плече тройника происходит между торцевой поверхностью отрезка внутреннего проводника и закорачивающей стенкой. После этого электрическая длина закороченного плеча принимает значение , фаза волны, отраженной от закорачивающей стенки плеча

тройника и поступающая в точку ветвления коаксиального соединения, изменится на и будет складываться в фазе с волной, поступающей из резонатора. Это означает установление полной связи с нагрузкой, приводящей к передаче в нее энергии из резонатора за время t_вых . Реализация устройства позволяет существенно снизить поперечные размеры резонатора и тройника и получать на выходе формирователя наносекундные СВЧ-импульсы мощностью в десятки мегаватт при диаметре внешнего проводника D=9 см.

Недостатком устройства-прототипа является то, что длина накопительного резонатора формирователя и, соответственно, его вес остаются недопустимо большими с точки зрения условий эксплуатации при длительности СВЧ-импульса на выходе устройства десятки наносекунд. Например, при длительности импульса t_вых=26·10^-9c длина резонатора L_p=3.9 м.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в уменьшении линейных размеров формирователей импульсов.

Указанный технический результат достигается тем, что в формирователе импульсов, содержащем, как и прототип, СВЧ-генератор, соединенный элементом связи с накопительным резонатором и тройником, выполненными в виде коаксиально расположенных наружного и внутреннего проводников, и имеющем разрядный промежуток, расположенный в закороченном плече тройника, согласно предлагаемому решению, внутренний проводник выполнен в виде спирали, при этом длина накопительного резонатора определяется соотношением

а длина закороченного плеча определяется соотношением

где k - коэффициент замедления спирали, n - целое число.

В предлагаемой полезной модели электромагнитная волна, поступающая от генератора на вход резонатора, распространяется со скоростью света вдоль внутреннего проводника, скрученного в спираль. За время, которое волна потратит, обегая один виток спирали длиной , где s - шаг спирали, R - радиус спирали, она продвинется вдоль оси резонатора на расстояние s - равное шагу спирали [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Из-во «Высшая школа», 1970. T.1. с.372]. Таким образом, за один и тот же промежуток времени электромагнитная волна пройдет в предлагаемой полезной модели вдоль оси резонатора и тройника расстояние в

раз меньше, чем в устройстве-прототипе. Таким образом, при заданной длительности импульса на выходе формирователя, или при заданной длине волны колебаний на выходе СВЧ-генератора, необходимые длины резонатора L_p и закороченного плеча L_n в предлагаемой полезной модели в k раз меньше, чем в устройстве-прототипе и определяются соотношениями (3) и (4).

Вариант выполнения предлагаемого устройства представлен на фиг.1.

Устройство содержит коаксиальный резонатор 1, с одной стороны соединенный элементом возбуждения 2 с СВЧ-генератором 3, с другой стороны ограниченный коаксиальным тройником 4. Плечо 5 коаксиального тройника 4 замкнуто закорачивающей стенкой 6. Внутренний проводник 7 резонатора 1 и тройника 4 выполнен в виде спирали. Между торцом отрезка спирального проводника 7, расположенного в закороченном плече 5, и закорачивающей стенкой 6 находится разрядный промежуток 8. К выходному плечу 9 тройника 4 подключается согласованная нагрузка.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора 3 через элемент возбуждения 2 поступает на вход резонатора 1. Во внутренних объемах резонатора 1 и закороченного плеча 5 тройника 4 возбуждается СВЧ-поле. Напряженность поля в области разрядного промежутка 8 в конце процесса возбуждения достигает величины, достаточной для самопробоя искрового СВЧ-разряда, закорачивающего разрядный промежуток 8. Электрическая длина закороченного плеча 5 тройника 4 становится равной /2. Начиная с этого момента электромагнитные волны, отраженные от закорачивающей стенки 6 тройника 4, с учетом времени прохождения ими расстояния L_n закороченного плеча 5 совместно с волнами, распространяющимися вдоль оси резонатора 1, синфазно возбуждают выходное плечо 9 тройника 4. Если к последнему подключена согласованная нагрузка, то вся накопленная электромагнитная энергия передается в нее без отражений.

Достижение технического результата иллюстрируется следующим примером. Требуется получить на выходе формирователя СВЧ-импульс длительностью t_вых =26·10^-9c. Рабочая частота СВЧ-генератора составляет 40 МГц, что соответствует длине волны =7.8 м. Геометрические размеры формирователя устройства-прототипа составляли: длина накопительного резонатора равна 3.9 м (n=1), а длина закороченного плеча 2 м. В конкретной реализации предлагаемой полезной модели зададим для внутреннего проводника следующего значения радиуса и шага спирали: R=25 мм и s=12 мм. В соответствии с соотношением (5) величина коэффициента замедления спирали k=8.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет уменьшить в несколько раз геометрические размеры формирователя по отношению к устройству-прототипу при сохранении длительности СВЧ-импульса на его выходе. Так в рассматриваемом примере длина накопительного резонатора L_p (соотношение (3)) и закороченного плеча L_n (соотношение (4)) полезной модели при t_вых =26·10^-9c составили 48 см и 25 см соответственно.

Следовательно, предлагаемая полезная модель позволяет существенно уменьшить весо-габаритные характеристики рассматриваемых формирователей и тем самым имеет большое значение для техники получения наносекундных СВЧ-импульсов мощностью в десятки мегаватт.

Формирователь импульсов, содержащий СВЧ-генератор, соединенный элементом связи с накопительным резонатором и тройником, выполненными в виде коаксиально расположенных наружного и внутреннего проводников, и имеющий разрядный промежуток, расположенный в закороченном плече тройника, отличающийся тем, что внутренний проводник выполнен в виде спирали, при этом длина накопительного резонатора Lp определяется соотношением а длина закороченного плеча Ln: где - длина волны в свободном пространстве, k - коэффициент замедления спирали, n - целое число.