Интерференционный переключатель

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в резонансных СВЧ компрессорах в качестве элемента вывода энергии для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности с высокой частотой следования. Интерференционный переключатель содержит Т-образный Н-тройник из круглого волновода диаметром D, одно из плеч которого выполнено короткозамкнутым и имеет длину кратную целому числу полуволн _в/2, где _в - длина волны в волноводе, СВЧ коммутатор тригатронного типа, включающий поджигающий разрядник и волноводный продуваемый разрядный промежуток. Короткозамкнутое плечо тройника выполнено с переменным сечением и состоит из короткозамкнутой полуволновой секции диаметром D₁, выбранным из условия D<D₁</0,82, сопряженной с волноводом диаметром D через плавный волноводный переход, длина которого составляет 0.5 и СВЧ коммутатор размещен в секции диаметром D₁ на расстоянии _с/4 от короткозамыкателя, где - длина волны в волноводе диаметром D на минимальной частоте полосы пропускания перехода, равной 1/t, где t - длительность выходного сигнала СВЧ компрессора; _с - длина волны в короткозамкнутой волноводной секции диаметром D₁. 3 ил., 1 пример.

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в резонансных СВЧ компрессорах в качестве элемента вывода энергии для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности с высокой частотой следования.

Известны интерференционные СВЧ переключатели, содержащие Т-образный волноводный Н-тройник из стандартных прямоугольных волноводов. Одно из прямых плеч тройника в таких переключателях имеет длину _в/2, ограничено короткозамыкателем и содержит СВЧ коммутатор тригатронного типа, с диэлектрической трубкой либо без нее, расположенный в плече на расстоянии _в/4 от короткозамыкателя в плоскости симметрии плеча, ортогональной Н-плоскости тройника [1. Альварец Р., Биркс Д., Берн Д. и др., Сжатие СВЧ энергии во времени для использования в ускорителях заряженных частиц; Атомная техника за рубежом, 1982, 11, с.36-39. 2. Alvarez R.A., Birx D., Byrne D. et. al, Generation of high-power microwave pulses using a spherical superconducting cavity and interference-type switch. IEEE Transaction on magnetic, 1981, v.l7, 1, p.935-938]. Однако, из-за наличия отверстий, либо других неоднородностей на стенках волновода в максимуме электрической составляющей рабочей моды, предназначенных для подсветки разрядного промежутка и крепления элементов поджигающего разрядника, а также из-за ограниченной площади сечения стандартных прямоугольных волноводов, такие переключатели имеют ограниченный уровень коммутируемой мощности. Кроме того, увеличенная напряженность поля на поверхности прямоугольного волновода, по сравнению с напряженностью в объеме, провоцирует работу переключателя в режиме самопробоя и способствует «блужданию» искры разряда по поверхности волновода. Это приводит к флуктуациям амплитуды и фазы отраженной волны в короткозамкнутом плече и, как следствие, к нестабильности амплитудных и временных параметров выходных сигналов компрессора.

Известен также ряд аналогичных переключателей [3. Birx D.L., Scalapino D.J. A cryogenic microwave switch. Transaction on magnetic. 1979, v.MAG - 15, 1, p.33-35. 4. RU 2328062, H01P 1/14, Бюл. 18, 2008], имеющих те же недостатки, что и переключатели, описанные выше.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора [RU 2387055, Н01Р 1/14, Бюлл. 11, 2010], содержащий Т-образный Н-тройник из круглого волновода диаметром D, удовлетворяющим неравенству /1,7<D</1,03, где - длина волны в свободном пространстве, одно из плеч которого ограничено короткозамыкателем и имеет длину кратную целому числу полуволн _в/2, СВЧ коммутатор тригатронного типа, где _в - длина волны в волноводе. СВЧ коммутатор содержит диэлектрическую трубку, вмонтированную в короткозамкнутое плечо и расположенную по диаметру волновода ортогонально Н-плоскости тройника на расстоянии _в/4 от короткозамыкателя, а также продуваемый разрядный волноводный промежуток и патрубки для продува промежутка, вмонтированные в стенки этого плеча снаружи волновода в местах выхода концов трубки, с расположенным в одном из патрубков поджигающим разрядником. Такой переключатель имеет определенные преимущества по сравнению с известными аналогами, как по уровню рабочей мощности, так и по стабильности. Преимущества достигаются за счет увеличения площади сечения волновода, из которого изготовлен тройник, введения направленного продува разрядного промежутка через диэлектрическую трубку и локализации коммутирующего разряда не на поверхности волновода, а в его объеме у оси волновода. Вместе с тем, уровень рабочей мощности и такого переключателя ограничен прочностью изолирующей среды и предельной площадью поперечного сечения волновода, диаметр которого не может превышать величину, равную отношению /1,03. Указанный интерференционный переключатель выбран за прототип.

Задачей полезной модели является создание интерференционного переключателя резонансного СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение уровня коммутируемой мощности.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении коммутируемой мощности переключателя при неизменной стабильности срабатывания за счет увеличения площади сечения коммутирующей секции.

Указанный технический результат достигается тем, что в интерференционном переключателе, содержащем, как и прототип, Т-образный Н-тройник из круглого волновода диаметром D, удовлетворяющим неравенствам /1,7<D</1,03, одно из плеч которого выполнено короткозамкнутым и имеет длину L кратную целому числу полуволн _в/2, СВЧ коммутатор тригатронного типа, включающий поджигающий разрядник и волноводный продуваемый разрядный промежуток, в отличие от прототипа, короткозамкнутое плечо тройника выполнено с переменным сечением и состоит из короткозамкнутой полуволновой секции диаметром D₁, выбранным из условия D<D ₁</0,82, сопряженной с волноводом диаметром D через плавный волноводный переход, длина которого составляет 0.5 и СВЧ коммутатор размещен в секции диаметром D₁ на расстоянии _с/4 от короткозамыкателя, где - длина волны в свободном пространстве; _в - длина волны в волноводе; - длина волны в волноводе диаметром D на минимальной частоте полосы пропускания перехода, равной 1/t, где t - длительность выходного сигнала СВЧ компрессора, _с - длина волны в короткозамкнутой волноводной секции диаметром D₁.

Устройство иллюстрируется чертежами, на которых изображен пример выполнения предлагаемой полезной модели переключателя. Фиг.1 - схема интерференционного переключателя; фиг.2 - то же, вид сбоку; фиг.3 - поперечное сечение А-А фиг.1.

Интерференционный переключатель содержит Т-образный Н-тройник 1 из круглого волновода диаметром D, включающий в себя короткозамкнутое боковое плечо 2 полуволновой длины L с короткозамыкателем в виде мембраны 3. Боковое плечо состоит из частей переменного сечения 4. Коммутирующая часть бокового плеча выполнена из короткозамкнутой волноводной секции 5 увеличенного диаметра D₁ и соединена с волноводом диаметром D через плавный волноводный переход 6 длиной 0.5. В коммутирующей части расположен СВЧ коммутатор, содержащий поджигающий разрядник 7, расположенный на расстоянии _с/4 от короткозамыкателя в одном из патрубков 8 системы продува разрядного промежутка, формируемого диэлектрической трубкой 9.

Переключатель работает следующим образом. Электромагнитная волна, подаваемая на вход переключателя, делится тройником 1 на волну, отраженную от тройника, волну, поступающую в боковое плечо 2, и волну, следующую к выходу переключателя. Волна, поступающая в боковое плечо, отражается от короткозамыкателя 3, возвращается к тройнику 1 и делится тройником на две волны, идущие к входу и выходу. В силу выбора длины короткозамкнутого плеча полуволновой и в силу известных свойств Т-образного Н-тройника, волны, поступающие на выход устройства из бокового плеча 2 и со стороны входа переключателя, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ-энергии в нагрузку через переключатель в режиме «закрыто». Волна, излучаемая из бокового плеча в сторону входа переключателя, суммируется с волной, отраженной от тройника, синфазно. В результате волна, поступающая на вход переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражается от тройника. После подачи на разрядник 7 импульса высокого напряжения происходит пробой между высоковольтным электродом разрядника 7 и корпусом патрубка 8, в котором расположен разрядник 7 и который находится под нулевым (земляным) потенциалом. Искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка волновода, инициируя в нем свободные электроны и провоцируя, таким образом, развитие СВЧ разряда в электрически наиболее слабом месте промежутка - месте максимума напряженности поля рабочей моды переключателя - у оси волновода. СВЧ - разряд приводит к образованию в этом месте плазменного канала, который быстро «переносит» положение короткозамыкателя бокового плеча на расстояние _c/4 и, соответственно, обеспечивает изменение фазы волны, поступающей из плеча на выход переключателя, на 180°. Это приводит к синфазному суммированию волн на выходе переключателя, излучаемых из бокового плеча и со стороны входа устройства, а также противофазному на входе, и, следовательно, переходу переключателя в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. При этом в силу того, что плавный переход 6 согласован в широкой полосе частот f (f1/t, где t - длительность выходного импульса СВЧ компрессора) волна из бокового плеча вытекает без отражений, что обеспечивает полное открывание переключателя. Разрядный промежуток непрерывно продувается потоком газа через трубку 9, одно из отверстий которой является входным, а другое выходным. Поток способствует удалению продуктов разряда из промежутка и восстановлению электрической прочности промежутка. После этого цикл повторяется.

Повышение уровня коммутируемой мощности или стабильности срабатывания достигается за счет повышения электрической прочности разрядного промежутка, обеспечиваемого увеличением площади сечения коммутирующей части бокового плеча, выполненной в виде секции диаметром D ₁. Увеличение составляет значение, равное отношению D ₁²/D²1,65. При этом напряженность поля в секции падает в D ₁/D раз. Поэтому при фиксированном уровне коммутируемой мощности более стабильная работа переключателя обеспечивается более низкой напряженностью поля в коммутирующей части бокового плеча и соответствующим уменьшением количества сбросов на самопробой. Локализация искры в трубке у оси волновода устраняет ее «блуждание» по поверхности электродов промежутка и таким образом ликвидирует значительные флуктуации амплитуды и фазы волны, отраженной от плазмы, и, как следствие, снижает нестабильность амплитуды и длительность выходных сигналов компрессора. В то же время, понижение напряженности поля позволяет повысить уровень рабочей мощности при заданном уровне стабильности.

Таким образом, предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора обеспечивает повышение уровня коммутируемой мощности при фиксированной стабильности срабатывания переключателя или повышение стабильности при фиксированной рабочей мощности.

Соображения, которые обосновывают выбор диаметра D₁ секции 5, сводятся к следующему. Очевидно, что увеличение диаметра волновода обеспечивает понижение напряженности поля, а, значит, понижает вероятность СВЧ самопробоя и, следовательно, обеспечивает возможность повышения рабочей мощности компрессора при заданном уровне стабильности и (или) повышения стабильности срабатывания при фиксированном уровне мощности. С другой стороны, увеличение диаметра означает переход волновода в многомодовый режим работы с соответствующими сопутствующими проблемами. Предлагаемый переключатель работает на волне типа Н₁₁, поэтому плазма коммутирующего СВЧ разряда развивается у оси волновода по диаметру сечения, совпадающему с силовой линией электрического поля рабочей волны. При этом представляется наиболее вероятным, что существенное преобразование основной волны в паразитные возможно только в случае появления в волноводе распространяющихся волн со структурой поля в области разряда, близкой к структуре Н ₁₁ волны. Взаимодействие с такими волнами может привести к проблемам с балансом фаз и амплитуд в переключателе, а значит к проблемам эффективности его работы. Первой волной, в ряду нежелательных волн, является волна типа Е₁₁ с критическим диаметром, равным отношению /0,82, что и определяет предельный диаметр коммутирующей секции. При таком диаметре кроме основной волны по волноводу могут распространяться только E₀₁ и H₂₁ типы волн, сильное взаимодействие с которыми Н₁₁ волны маловероятно. Резонансное преобразование рабочей волны в эти волны устраняется соответствующим выбором длины секции 5 с одновременным сохранением полуволновой длины короткозамкнутого плеча тройника. Отметим также, что ограничение диаметра волновода, из которого изготовлен тройник величиной D</1,03, обусловлено тем, что при большем диаметре, кроме рабочей и E₀₁ волны, по волноводу начинает распространяться и волна H₂₁, а ее присутствие приводит к уменьшению переходного ослабления тройника в режиме «закрыто» до неприемлемого уровня (<40 дБ).

Работоспособность и преимущества предлагаемой модели были проверены в сравнительных экспериментах на резонансном СВЧ компрессоре 10-см диапазона длин волн с предлагаемой коммутирующей частью переключателя в виде секции с увеличенным диаметром и секцией переключателя - прототипа. Накопительный резонатор был изготовлен из круглого медного волновода диаметром 90 мм. Он имел длину 365 мм и на частоте 2804 МГц работал на Н₁₁₍₅₎ виде колебаний. Добротность резонатора составляла ~2,5×10⁴, а время двойного пробега волны вдоль резонатора, определяющее минимально возможную длительность выходных сигналов компрессора или ширину их спектра, составляло ~3,4 нс. В качестве источника входных сигналов использовался импульсный магнетрон мощностью 2 МВт при длительности генерируемых импульсов 3,2 мкс. При такой длительности и указанной добротности эффективность накопления составляла 0,4. Таким образом, запас энергии в резонаторе был близок к 2,6 Дж, а эквивалентная мощность цуга бегущей волны резонатора, как отношение накопленной энергии к времени двойного пробега, превышала 500 МВт.

Интерференционный переключатель СВЧ компрессора был выполнен в виде волноводного Н-тройника из круглого волновода диаметром 90 мм. К круглому боковому плечу тройника длиной 20 мм подсоединялась либо коммутирующая секция диаметром 90 мм и длиной 88 мм, соответствующая секции переключателя - прототипа, либо в соответствии предлагаемому переключателю, боковое короткозамкнутое плечо выполнялось из плавного перехода с волновода диаметром 90 мм на волновод диаметром 125 мм и полуволновой короткозамкнутой секции волновода диаметром 125 мм. Длина перехода равнялась 85 мм, что близко к половине нижней граничной длины волны для перехода с полосой пропускания ~300 МГц в волноводе диаметром 90 мм. Длина полуволновой секции волновода диаметром 125 мм равнялась 55 мм. Укорочение этой секции по сравнению с полуволновой ее длиной для регулярного волновода обусловлено диэлектрической трубкой. Таким образом, полная длина бокового плеча тройника равнялась 160 мм. Заканчивалось боковое плечо короткозамыкателем, выполненным в виде подвижной деформируемой мембраны, изготовленной из отожженного медного листа толщиной 0.5 мм.

На коммутирующей секции диаметром 125 мм снаружи по одному диаметру на расстоянии _с/4 от короткозамыкателя (~28 мм), где _с - длина волны в секции, были смонтированы два патрубка системы продува, в одном из которых располагался поджигающий электрический разрядник, осуществлявший ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка секции. Разрядное пространство промежутка ограничивалось продуваемой диэлектрической (кварцевой) трубкой. Трубка имела наружный диаметр 12 мм при толщине стенки 2 мм и длине 180 мм. К патрубкам подсоединялись трубопроводы системы продува. Такой переключатель был испытан на высоком уровне мощности в СВЧ компрессоре с оценочным уровнем коммутируемой мощности свыше 500 МВт. При частоте следования формируемых СВЧ импульсов до 100 Гц предложенный переключатель обеспечивал среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов не более 5%. При этом максимальная мощность формируемых сигналов составляла около 400 МВт. Такой результат был получен при коммутации в аргоне под избыточным давлением 5-5.5ати, что было возможно благодаря относительно низкой напряженности поля в коммутирующей секции диаметром 125 мм из-за сравнительно большой площади поперечного сечения. Резонатор заполнялся смесью азота с 15% элегаза под давлением 6ати. Такой же переключатель с коммутирующей секцией диаметром 90 мм обеспечивал уровень мощности выходных сигналов не более 320 МВт со стабильностью около 7%, где коммутация осуществлялась в смеси аргона с элегазом. Отличие в достигнутых уровнях мощности и стабильности связано с возможностью использования в секции большего диаметра переключения в среде чистого аргона, обладающего более хорошими коммутационными характеристиками, чем смесь аргона с элегазом. Применение чистого аргона в секции диаметром 90 мм было невозможно, так как приводило к устойчивому СВЧ самопробою из-за более высокой напряженности поля в такой секции.

Интерференционный переключатель, содержащий Т-образный Н-тройник из круглого волновода диаметром D, удовлетворяющим неравенствам /1,7<D</1,03, где - длина волны в свободном пространстве, одно из плеч которого выполнено короткозамкнутым и имеет длину, кратную целому числу полуволн _в/2, где _в - длина волны в волноводе, СВЧ коммутатор тригатронного типа, включающий поджигающий разрядник и волноводный продуваемый разрядный промежуток, отличающийся тем, что короткозамкнутое плечо тройника выполнено с переменным сечением и состоит из короткозамкнутой полуволновой секции диаметром D₁, выбранным из условия D<D₁</0,82, сопряженной с волноводом диаметром D через плавный волноводный переход, длина которого составляет 0,5 и СВЧ коммутатор размещен в секции диаметром D₁ на расстоянии _с/4 от короткозамыкателя, где - длина волны в волноводе диаметром D на минимальной частоте полосы пропускания перехода, равной 1/t, где t - длительность выходного сигнала СВЧ компрессора; _c - длина волны в короткозамкнутой волноводной секции диаметром D₁.