Резонансный свч компрессор

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности. Резонансный СВЧ компрессор содержит многомодовый накопительный резонатор (1) длиной L с устройством ввода энергии (2), устройством вывода на выходной стенке, выполненной в виде плавного перехода (3) с корпуса резонатора (1) на выходной волновод и на плоской торцевой стенке содержит два СВЧ коммутатора, в виде волноводных H-тройников (4). СВЧ коммутаторы расположены симметрично относительно центра стенки, на расстоянии от центра, равном четверти размера стенки d. Прямые плечи тройников СВЧ коммутаторов выполнены из n стандартных прямоугольных волноводов с меньшей стенкой размером b, где n удовлетворяет неравенствам n<0,2L/b<d/b, а полуволновое короткозамкнутое боковое плечо тройников выполнено из сверхразмерного волновода, в котором сверхразмерная стенка имеет размер nb, а вторая стенка идентична широкой стенке а стандартного прямоугольного волновода. В боковом плече соосно с ним расположена диэлектрическая газоразрядная трубка (8), ортогональная стенке с размером а. Устройство ввода (2) выполнено симметрично по принципу зеркального отображения на боковых стенках резонатора (1) в H-плоскости рабочей моды колебаний на расстоянии от плоской торцевой стенки резонатора (1), равном нечетному числу четвертей длины волны рабочей моды в резонаторе (1). Выходной волновод устройства вывода выполнен идентичным боковым плечам тройников СВЧ коммутаторов и ориентированным идентично прямым плечам тройников. Технический результат заключается в увеличении рабочей мощности компрессора за счет увеличения площади сечения волновода, из которого выполнен элемент межмодовой связи, и увеличении частоты следования импульсов за счет применения двух поочередно работающих идентичных устройств межмодовой связи. 2 ил.

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.

Известны резонансные СВЧ компрессоры с многомодовым накопительным резонатором и элементом вывода энергии в виде интерференционного СВЧ переключателя на основе T-образного H-тройника, подсоединенного к плоской торцовой крышке резонатора [например, Альварец Р., Бирке Д., Берн Д., Лауэр Е., Скалапино Д., Сжатие СВЧ энергии во времени для использования в ускорителях заряженных частиц. - Атомная техника за рубежом, 1982, 11, с. 36-39]. Предельная мощность таких устройств определяется электрической прочностью переключателя. Обычно СВЧ компрессоры работают с входными импульсами микросекундной длительности, поэтому прочность переключателей сопоставима с прочностью устройств, питаемых непрерывным СВЧ сигналом. Как показывают эксперименты, предельная мощность таких компрессоров составляет (12)² МВт, где - рабочая длина волны в сантиметрах. Для повышения мощности резонансных СВЧ компрессоров необходимы иные технические решения проблемы вывода.

С целью повышения рабочей мощности резонансных СВЧ компрессоров предложен ряд компрессоров с выводом энергии трансформацией моды колебаний. В таких устройствах вывод осуществляется трансформацией добротной моды колебаний, на которой энергия накоплена, в моду низкодобротную, сильно связанную с нагрузкой [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. Трансформация осуществляется на специально организуемом в накопительном резонаторе быстродействующем элементе межмодовой связи. В одной из первых конструкций СВЧ компрессоров такого типа энергия накапливалась в многомодовом цилиндрическом резонаторе на H_01(p) моде колебаний и выводилась на моде H₁₁ через выходной круглый волновод, запредельный для H₀₁ моды и допредельный для моды H₁₁, подсоединенный к плоской выходной торцовой стенке резонатора соосно с ним [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. В качестве быстродействующего элемента межмодовой связи (СВЧ коммутатора) использовался электрический разрядник с электродами, введенными в объем резонатора в максимум электрического поля рабочей моды H_01(p). Такое исполнение элемента понижает рабочую мощность компрессора из-за падения электрической прочности накопительного объема.

Известен формирователь СВЧ импульсов (резонансный СВЧ компрессор) [RU патент 2137265, дата публикации 10.09.1999], который также содержит многомодовый цилиндрический резонатор с элементами ввода и вывода энергии и электронный СВЧ коммутатор (элемент межмодовой связи), выполненный в виде короткозамкнутого волноводного отрезка длиной _в/2, подсоединенного к входной торцовой стенке резонатора на расстоянии d/4 от его оси. При этом электрод коммутатора, соединенный с источником управляющих сигналов, расположен за пределами накопительного объема на широкой стенке отрезка на расстоянии четверти длины волны в волноводе _в от короткозамыкателя отрезка. Элементом устройством вывода энергии служит выходной круглый волновод, запредельный для основной рабочей моды H₀₁ допредельный для моды H₁₁ и расположенный на плоской выходной торцовой стенке резонатора. В таком компрессоре мощность формируемых импульсов относительно невысока из-за малого размера окна связи отрезка с резонатором по сравнению с сечением резонатора и, соответственно, слабой межмодовой связи.

Известен аналогичный резонансный СВЧ компрессор [RU патент на полезную модель 89285, дата публикации 27.11.2009] содержащий цилиндрический многомодовый резонатор с элементами ввода и вывода энергии, электронный СВЧ коммутатор в виде внешнего волноводного отрезка с короткозамыкателем и электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. При этом в короткозамкнутый отрезок последовательно встроен волноводный H-тройник с определенной длиной входного и выходного прямого плеча и полуволновым короткозамкнутым боковым плечом. В боковом плече расположен СВЧ разрядник, а короткозамыкатель выходного прямого плеча выполнен подвижным. Кроме того, элемент вывода выполнен на основе выходной торцовой стенки резонатора в виде плавного волноводного перехода с диаметра резонатора на одномодовый круглый волновод и в этот волновод встроен еще один H-тройник. По аналогичному принципу организован и резонансный СВЧ компрессор, в котором вместо одного плавного перехода в качестве устройства вывода используется два перехода и встроенный в переходы волноводный мост на основе двух H-тройников с общим боковым плечом [RU патент на полезную модель 94062, дата публикации 10.05.2010]. Такие компрессоры позволяют получать достаточно мощные СВЧ импульсы за счет последовательной компрессии на двух модах, но имеют относительно низкий КПД из-за использования двух СВЧ коммутаторов.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является резонансный СВЧ компрессор с трансформацией моды колебаний на элементе межмодовой связи в виде короткозамкнутого отрезка волновода с встроенным H-тройником и устройством вывода энергии в виде плавного перехода [Августинович В.А., Артеменко С.Н., Игумнов В.С., Новиков С.А., Юшков Ю.Г. Формирование нано и субнаносекундных СВЧ импульсов при выводе энергии из резонатора трансформацией моды колебаний. // Изв. ВУЗов. Физика. 2011, Т. 54, 11/2, С. 229-234]. Этот компрессор взят за прототип. В нем для накопления используется цилиндрический многомодовый резонатор с основной рабочей модой H_01(p), на которой энергия накапливается через устройство ввода энергии, выполненное на входной торцовой стенке резонатора. Устройство межмодовой связи в виде короткозамкнутого волноводного отрезка с последовательно встроенным H-тройником подсоединено к этой же стенке на середине радиуса цилиндра. Первое (входное) прямое плечо тройника имеет полуволновую длину и связано с резонатором через окно связи, а второе (выходное) плечо короткозамкнуто и короткозамыкатель плеча выполнен подвижным. Боковое плечо также короткозамкнуто, имеет полуволновую длину и в нем расположен газоразрядный СВЧ коммутатор с электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. На выходной торцовой стенке резонатора, выполненной в виде плавного перехода с цилиндра резонатора на выходной круглый волновод. Переход выполнен согласованным для вспомогательной рабочей моды H₁₁ круглого волновода, а выходной волновод - одномодовым.

Основным недостатком компрессора-прототипа является относительно низкий уровень рабочей мощности из-за слабой межмодовой связи на окне связи резонатора с H-тройником. Кроме того, частота следования импульсов в таком компрессоре ограничена предельной рабочей частотой газоразрядного СВЧ коммутатора.

Задачей является создание резонансного СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности и частоты следования формируемых компрессором импульсов СВЧ.

Технический результат заключается в увеличении рабочей мощности компрессора за счет увеличения площади сечения волновода, из которого выполнен элемент межмодовой связи, и увеличении частоты следования импульсов за счет применения двух поочередно работающих идентичных устройств межмодовой связи.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый резонансный СВЧ компрессор, как и прототип, содержит многомодовый накопительный резонатор длиной L с устройством ввода энергии, устройством вывода на выходной стенке, выполненной в виде плавного перехода с корпуса резонатора на выходной волновод и расположенный на плоской торцевой стенке электронный СВЧ коммутатор в виде волноводного H-тройника. В отличие от прототипа он содержит второй СВЧ коммутатор, коммутаторы расположены симметрично относительно центра стенки, на расстоянии от центра, равном четверти размера стенки d, и прямые плечи тройников СВЧ коммутаторов выполнены из n стандартных прямоугольных волноводов с меньшей стенкой размером b, где n удовлетворяет неравенствам n<0,2L/b<d/b, а полуволновое короткозамкнутое боковое плечо тройников выполнено из сверхразмерного волновода, в котором сверхразмерная стенка имеет размер nb, а вторая стенка идентична широкой стенке а стандартного прямоугольного волновода и в боковом плече соосно с плечом расположена диэлектрическая газоразрядная трубка, ортогональная стенке с размером а, устройство ввода выполнено симметрично по принципу зеркального отображения на боковых стенках резонатора в H-плоскости рабочей моды колебаний на расстоянии от плоской торцевой стенки резонатора, равном нечетному числу четвертей длины волны рабочей моды в резонаторе, а выходной волновод устройства вывода выполнен идентичным боковым плечам тройников СВЧ коммутаторов и ориентированным идентично прямым плечам тройников.

На Фиг. 1, 2 схематично изображен вариант выполнения предложенного резонансного СВЧ компрессора. Резонансный СВЧ компрессор содержит призматический многомодовый резонатор 1 длиной L и поперечным сечением d×d. Компрессор также содержит устройство ввода энергии 2 на стенках резонатора 1 и устройство вывода 3, выполненное в виде плавного перехода с корпуса резонатора 1 на выходной сверхразмерный волновод, в котором одна стенка взята размером nb, где b - размер узкой стенки стандартного волновода, а вторая стенка имеет размер, равный широкой стенке а стандартного прямоугольного волновода. Элементы межмодовой связи выполнены на плоской торцовой стенке на основе T-образных H-тройников 4 с полуволновым входным прямым плечом 5, связанным с резонатором 1, с выходным четвертьволновым прямым плечом 6, заканчивающимся подвижным короткозамыкателем 7. Устройство также содержит газоразрядную трубку 8 СВЧ коммутатора с электродом, соединенным с блоком управляющих сигналов 9. При этом входные 5 и выходные плечи 6 H-тройников собраны из n параллельных и прижатых друг к другу широкими стенками с размером а отрезков стандартных прямоугольных волноводов, где n<0,2L/b<d/b, а боковые плечи выполнены из сверхразмерного полуволнового отрезка волновода с широкой стенкой, равной nb и узкой стенкой, равной а, и газоразрядная трубка расположена в этом плече параллельно широкой стенке бокового плеча и соосно с плечом.

Представленный в качестве примера на Фиг. 1, 2 резонансный СВЧ компрессор, работает следующим образом. В призматическом многомодовом накопительном резонаторе 1 через устройство ввода энергии 2 на H_02(p) моде колебаний накапливается СВЧ энергия. Для более «чистого» возбуждения рабочей моды ввод энергии осуществляется через два окна связи, возбуждающие противофазные варианты поля рабочей моды. Поэтому подвод энергии к окнам осуществляется через волноводный E-тройник. Выходной волновод плавного перехода 3 для рабочей моды H₀₂ запределен и поэтому в режиме накопления энергия в нагрузку резонатора не поступает. Высокая добротность этой моды обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности входной волны. Элементы межмодовой связи 4, 5, 6 расположены так, что на окнах связи тройников 4 с резонатором 1 при определенной длине плеч 5, 6 может возникать сильная связь основной H ₀₂ моды с модой вспомогательной H₀₁ сильно связанной с выходным волноводом перехода 3, согласованным для вспомогательной моды в широкой полосе частот. Длина плеча между резонатором 1 и закрытым H-тройником 5, встроенным в волноводный отрезок, подбираются так, что в режиме накопления связь между основной и вспомогательной модой слабая. Этому же способствует использование двух симметрично расположенных СВЧ коммутаторов. Поэтому излучение в выходной волновод практически отсутствует. После завершения процесса накопления и подачи управляющего сигнала с блока управления на электрод СВЧ коммутатора включается СВЧ коммутатор H-тройника 4 в его короткозамкнутом боковом плече. Зажигается СВЧ разряд в трубке и тройник 4 открывается. Это приводит к быстрому изменению электрической длины отрезка и изменению картины поля на окне связи отрезка с резонатором 1 и, соответственно, изменению связи основной моды с модой вспомогательной. Величина этой связи оптимизируется подбором положения подвижного короткозамыкающего поршня 7 волноводного отрезка. В результате структура поля на окне меняется и начинается передача энергии от основной моды, на которой энергия запасена, к вспомогательной. Эффективность передачи определяется величиной межмодовой связи, которая пропорциональна эффективному радиусу окна связи резонатора с тройником. При этом вспомогательная мода хорошо связана с выходным волноводом и нагрузкой резонатора. В результате накопленная энергия на H₀₁ волне выводится в нагрузку в виде мощного СВЧ импульса. Повышение мощности сигналов, по сравнению с прототипом, достигается за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии в силу более сильной межмодовой связи. Повышение составляет величину пропорциональную отношению площади окон связи элемента межмодовой связи с резонатором 1, т.е. пропорционально n. Частота следования импульсов может быть увеличена в два раза за счет поочередного включения элементов межмодовой связи.

Допустимое количество переключателей в пакете элементов, определяющее предельную мощность компрессора можно оценить, исходя из следующего. Время переключения в режим вывода в значительной мере формируется размером области, в которой развивается СВЧ разряд в коммутаторе переключателя. Для быстрого переключения, в масштабе времени вывода T, размер этой области должен быть заметно меньше длины L резонатора 1. Другими словами, переключение должно осуществляться за время заметно меньшее времени двойного пробега волны вдоль резонатора 1, порядка 0,1 T. Волна в коммутирующем плече тройника за такое время распространится на расстояние не более 0,1T·c0,2L, где c - скорость света. Поэтому оценочно предельное количество переключателей будет определяться неравенством n<0,2L/b<d/b.

Приведенное ограничение получено в предположении последовательного развития процесса коммутации в пакете - от переключателя к переключателю со скоростью света. В действительности процесс, несомненно, развивается сложней. Например, если в первом переключателе процесс инициирован, то во втором он начнется, как минимум, на десятки пикосекунд позже, в третьем еще позже и т.д. запаздывание будет нарастать. При времени развития разряда порядка наносекунды и входных плечах тройников порядка длины волны в волноводе поле на входе пакета в течение этого времени будет падать до величины, определяемой долей энергии, выводимой в нагрузку через открывающийся переключатель. Это может привести к замедлению процесса во втором, третьем и т.д. переключателе. Кроме того, на процесс может оказать влияние трансформация волны на окне связи резонатора с открывающимся переключателем, например, привести к увеличению притока энергии в один переключатель и падению в другой.

Для достижения определенной управляемости процесса необходимо устранить запаздывание переключений в пакете, а также добиться разброса срабатывания СВЧ коммутаторов пакета много меньше T. Реализовать это в пакете с несвязанными коммутирующими плечами непросто. Поэтому более эффективным может быть путь, заключающийся в организации коммутирующей области пакета как единой колебательной системы, т.е. в виде общего коммутирующего плеча. В таком плече исчезает необходимость в синхронном разряде в каждом из переключателей. Требуется только быстрое, в масштабе времени T, изменение резонансной частоты такого плеча за пределы полосы пропускания. Это может быть осуществлено каналом СВЧ разряда с длиной много меньше общей длины каналов при коммутации в несвязанных плечах. Необходимость в синхронизации разрядов исчезает, т.к. в течение времени пробега волны вдоль общего плеча включится обратная связь с входами коммутирующего плеча пакета. Это обеспечит синхронную инверсию фазы отраженных от плеча волн и синхронный перевод пакета в режим «открыто».

Примером конкретного выполнения, подтверждающего работоспособность идеи предлагаемого устройства, могут служить результаты исследования макета резонансного СВЧ компрессора 3-см диапазона длин волн с выводом энергии трансформацией моды колебаний на сдвоенном тройнике.

Компрессор выполнен на основе цилиндрического резонатора диаметром 90 мм и длиной 123 мм. Возбуждение рабочей волны H₀₁ осуществлялось через два окна связи, расположенных симметрично на цилиндрической боковой стенке резонатора на расстоянии 5/4 длины рабочей волны в волноводе от плоской торцовой стенки резонатора 1. Входные волны поступали к окнам связи от генератора СВЧ через E-тройник. Это обеспечивало необходимое при возбуждении Н₀₁ волны соотношение между фазами подводимых к окнам волн. Элементы межмодовой связи, выполненные в виде двух пакетов H-тройников, по два параллельных плотно прилегающих друг к другу тройника в каждом пакете, располагались снаружи плоской торцевой стенки резонатора 1 и связывались с внутренним объемом через окна, расположенные на серединах радиусов по диаметру, лежащему в одной плоскости с окнами ввода энергии. Боковые плечи H-тройников в пакетах были выполнены общими из прямоугольного волновода сечением 23×25 мм. Симметричное возбуждение рабочей H₀₁ волны и расположение элементов преобразования мод исключало взаимодействие волн в процессе накопления энергии.

Выход резонатора 1 был выполнен в виде плавного перехода с цилиндра резонатора 1 на прямоугольный волновод сечением 23×25 мм со стенками, ориентированными параллельно и идентично стенкам прямых плеч волноводов тройников. Длина резонатора 1 и его рабочая частота выбирались так, что в полосе частот ~50 МНг кроме рабочей моды колебания H₀₁₍₈₎ с частотой f9,05 GHz другие моды не возбуждались. Резонансные условия для волны H₁₁ подавлялись сильной связью этой волны с нагрузкой через плавный переход. Этот же переход, запредельный для H₀₁ рабочей волны, обеспечивал развязку этой волны с нагрузкой в режиме накопления.

В установке использовался магнетрон с импульсной мощностью 50 кВт. Разряд в СВЧ коммутаторе зажигался в аргоне при атмосферном давлении. Регулирование связи волн осуществлялось изменением длины короткозамкнутых прямых плеч H-тройников, а также параллельным подключением тройников к резонатору.

На рабочей моде колебаний H ₀₁₍₈₎ собственная добротность накопительного резонатора составляла Q₀1,7×10⁴. Расчетное время двойного пробега волны H₀₁ вдоль резонатора равнялось T ~1,3 нс, при этом расчетное усиление резонатора, определяемое как Q₀ /2·f·T, достигало ~20,5 дВ.

При формировании импульсов в резонансном СВЧ компрессоре с трансформацией моды колебаний на одном перестраиваемом элементе связи было достигнуто усиление мощности ~7 дВ при длительности выходных СВЧ импульсов ~7 нс по уровню - 3 дВ. Пиковая мощность импульсов не превышала 0,25 МВт. При увеличении длины плеч Н-тройников выходные импульсы изменялись от коротких наносекундных, до более длинных (~3-4 нс) с синусоидальной модуляцией экспоненциального спада. Затем импульсы удлинялись с изменением формы огибающей до куполообразной с максимальным усилением ~7 дВ при длительности ~7 нс. Такая эволюция импульсов обусловлена влиянием набега фазы волны в перестраиваемом элементе межмодовой связи.

Для проверки суммарного действия элементов исследовался вывод при трансформации на двух параллельных тройниках с увеличенным окном связи. Одновременное действие элементов привело к увеличению усиления до 9 дБ и уменьшению длительности импульсов до ~5 нс. Такой рост усиления показывает, что для вывода энергии за время, сравнимое с временем двойного пробега волны вдоль резонатора и получения усиления, близкого е расчетному, требуется ~8-10 синхронизованных элементов.

Таким образом, полученные результаты демонстрируют возможность повышения мощности СВЧ импульсов в резонансном СВЧ компрессоре с выводом энергии трансформацией моды колебаний использованием синхронно работающего пакета элементов межмодовой связи. Симметричное исполнение двух пакетов, очевидно, допускает двукратное повышение частоты следования выходных импульсов.

Резонансный СВЧ компрессор, содержащий многомодовый накопительный резонатор длиной L с устройством ввода энергии, устройством вывода на выходной стенке, выполненной в виде плавного перехода с корпуса резонатора на выходной волновод, и размещенный на плоской торцевой стенке электронный СВЧ коммутатор в виде волноводного Н-тройника, отличающийся тем, что содержит второй СВЧ коммутатор, коммутаторы расположены симметрично относительно центра стенки, на расстоянии от центра, равном четверти размера стенки d, и прямые плечи тройников СВЧ коммутаторов выполнены из n стандартных прямоугольных волноводов с меньшей стенкой размером b, где n удовлетворяет неравенствам n<0,2L/b<d/b, а полуволновое короткозамкнутое боковое плечо тройников выполнено из сверхразмерного волновода, в котором сверхразмерная стенка имеет размер nb, а вторая стенка идентична широкой стенке a стандартного прямоугольного волновода и в боковом плече соосно с плечом расположена диэлектрическая газоразрядная трубка, ортогональная стенке с размером a, устройство ввода выполнено симметрично по принципу зеркального отображения на боковых стенках резонатора в -плоскости рабочей моды колебаний на расстоянии от плоской торцевой стенки резонатора, равном нечетному числу четвертей длины волны рабочей моды в резонаторе, а выходной волновод устройства вывода выполнен идентичным боковым плечам тройников СВЧ коммутаторов и ориентированным идентично прямым плечам тройников.

РИСУНКИ