Формирователь свч-импульсов

 

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.

союз советских социАлистических

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 Н 01 Р 1/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ

"е (21) 4802172/09 (22) 14,03.90 (46) 23.08,92.Бюл.й 31 (71) Научно-.исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им,С,М,Кирова (72) С.Н.Артеменко (56) Авторское свидетельство СССР

М 862800, кл, Н 01 P 1/14, 1979.

Авторское свидетельство СССР

М 1487776, кл. Н 01 Р 1/14, 1987, (54) ФОРМИРОВАТЕЛЬ СВЧ-ИМПУЛЬСОВ

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в мощных источниках высокочастотных импульсов для повышения мощности излучения, Устройство работает на основе накопления и быстрого вывода энергии электромагнитного поля из обьемного 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 закороченном плече на расстоянии четверти длины вотхлны

il от закоротки. В режиме накопления тройник нзакрыт", Имитируя быстрое перемеще(57} Использование; в мощных источниках

СВЧ-импульсов для павйшения 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 коаксиальной линии, и разрядник, расположенный в стенке разрядного промежутка на его оси. 2 ил.

Л ние закоротки бокового плеча на (, разрядник при срабатывании "открывает" тройник и накопленная энергий поступает в нагрузку в виде короткого радиоимпульса, После этого разрядник отключается и процесс накопления энергии повторяется. Форми- (Л рователь наиболее работоспособен в корот- 0 коволновой области диапазона СВЧ (А =3-10 10 см) и может обеспечить коэффициент усиле- Q() ния ВЧ-мощности К =13-20 дБ и уровень г выходной мощности Р 1-100 МВт при наносекундной длительноети формируемых импульсов, Известен также формирователь СВЧимпульсов, в котором цилиндрический накопительный резонатор, работающий на Н01п виде колебания, соединен соосно с выходным круглым волноводом, запредельным для рабочего типа волны, а управление режимами работы формирователя осуществляется коммутатором, организованным непосредственно в полости резонатора и

1756982 выполненным в виде разрядника. который расположен нз середине радиуса торцовой

Л стенки резонатора на расстоянии от нее.

Переключение режима накопления в режим вывода осуществляется поджигом разряда в разряднике, что приводит к трансформации рабочей волны Но1 в волнутипа Н11, 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.

20

Наиболее близким к предлагаемому яв- 25 ляется формирователь СВЧ-импульсов, в котором накопительный резонатор выполнен в виде коаксиального тройника, к первому (на к о п ител ь н ому) плечу которого подсоединен генератор непрерывных коле- 30 баний, 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 35 виде разрядного промежутка, образованного разрывом центрального проводника коЛ аксиала на рэсстолнии 8 от закоротки плеча. где Л вЂ” длина волны. Расстояние от щ точки разветвления тройника до разрядного проме>кутка выбирается из условия противофазности сложения волн, излучаемых при накоплении из первого (накопительного) и бокового плеч в нагрузку. После заверше- 45 ния процесса накопления разрядный промежуток пробивается и закорачивается, Это приводит к изменению электрической длиR ны бокового плеча нз — 4 и. следовательно, к

50 суммированию излучаемых в нагрузку волн в фазе. Таким образом, тройник открывается и накопленная энергия поступает в нагрузку в виде короткого СВЧ-импульса, После излучения импульса напряженность полл в разрядном промежутке падает, он размыкаетсл и тройник переключается в режим накопления. Формирователь способен обеспечить коэффициент усиления К 20 дБ

2 и уровень выходной мощности Р»10 УВт.

Основными недостатками известного формирователя являются относительная сложность технологии его изготовления, сложность настройки, а также то обстоятельство, что достаточно эффективная рзбота такого формирователя возможна только в длинноволновой области СВЧ. При этом относительная сложность изготовления связана, прежде всего, с наличием в формирователе коэксиального тройникового сочленения, качественный монтаж которого затруднителен и технологически не очень удобен. Сложность прецизионной настройки элементов формирователя обусловлена необходимостью одновременной подстройки двух-трех параметров устройства, которые взаимосвязаны, и подстройка которых часто находится в противоречии друг с другом. Таким параметрами являются длина накопительного и бокового плеч тройника и высота разрядного промежутка. При этом, если длину накопительного плеча можно фиксировать и на его резонансную частоту настроиться путем соответствующего 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 работы и, наоборот, настройка разрядного промежутка на наиболее эффективную работу может привести к рзсстройке всего бокового плеча. В обоих случаях конечным результатом будет снижение переходного затухания тройника и. как следствие, уменьшение коэффициента усиления формирователя.

Снижение эффективности работы формирователя (уменьшение коэффициента усиления К и предельного уровня выходной мощности Р) при переходе в коротковолновую область диапазона СВЧ связано с ростом постоянной затухания Q рабочей волны в коаксиале и уменьшением диаметров d u ,0 его внутреннего и внешнего проводников соответственно. Это непосредственно сле1 дует из известных зависимостей а > и

" Л

Р > d, если учесть, что коэффициент усиления формирователя К > Л-, а максимальный

2 1 уровень его выходной мощности равен мощности бегущей волны в накопительном резонаторе, Цель изобретения — упрощение конструкции формирователя и расширение диапазона рабочих частот, Ожидаемый положительный эффект— пов -IUIBHMG технологичности изготовле IMA и настройки формирователя, повышение

1756982 вием управляющих сигналов срабатывает разрядник 4. При этом разрядный промежуток закорачивэется по оси плазменным каналом. Это приводит к изменению фазы волны, излученной из промежутка в нэгруз- 45 ку йа 180 и, следовательно, к ее синфаэности с волной, излученной в нагрузку из накопительного резонатора 1, Таким образом резонатор "открывается" и запасенная энергия поступает в нагрузку в виде импуль- 50 сэ СВЧ. После излучения энергии разрядник 4 отключается, промежуток 3 размыкается и формирователь переключа-. ется в режим накопления.

Упрощение конструкции формировате- .55 ля, по сравнению с прототипом, состоит" в устранении бокового плеча устройства, что позволяет исключить технологически неудобную операцию монтажа этого плеча"и

Общая длина накопительного резонатор Л ра I = L+ — (2п+1) >, диаметр внешнего

ЗЛ проводника D> —, диаметры d и Ьвнутреннего проводника первого и второго отрезков коаксиальной линии, соответственно, связаны соотношением Л

)d, о m-1 где /cpm и vo(m-$) m-é и (m-1)-й корни функции

Бесселя |p(x) и ее производной jp (x), а ширйна разрядного промежутка h удовлетворяет условиям h, 2h=D-Л.

Л

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

Формирователь работает следующим образом.

От источника энергии через элемент авода энергии в резонатор 1 поступает СВЧэнергия. 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 аоп и Eomo виды колебаний соответственно. При этом, так как ширина разрядного промежутка h и диаметры D и Л выбраны удовлетворяющими условиям 2п0- А =Ли структура полей в,накопительном резонаторе и разрядном промежутке в месте-их сое-. динения противоположна, то в нагрузку излучаются противофазные волны с практически равными амплитудами. Поэтому потери СВЧ-энергии нэ излучение в нагрузку в режиме накопления отсутствуют. После окончания процесса накопления под дейст5

40 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 0 внешнего проводника отрезков коаксиальной линии равнялся 56 мм, диаметр внутреннего проводника первого отрезка коаксиальной линии равнялся 16 мм, диаметр Л внутреннего проводника второго отрезка 37,5 мм, разрядный промежуток размещался на расстоянии 340,5 мм от закоротки первого отрезка линии, ширина разрядного промежутка coставляла 9 мм, диаметры d и Л на расстоянии 85 мм от проме>кутка сопрягались" плавным коническим переходом длиной 45 мм.

Возбуждение резонансной системы формирователя осуществлялось от магнетронного СВЧ-генератора с длительностью выходного импульса 1 мкс и мощностью в импульсе 100 кВт. При этом энергия в систему вводилась по волноводно-коаксиальному 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 ТЕМоор2) и в разрядном промежутке — колебания вида

Ещ . Измеренная добротность системы составляла 0,8-0,9 10,.что в 2 раза ниже расчетной. Такое снижение добротности, по-видимому, связано с дополнительными потерями СВЧ-энергии нэ излучение в нагрузку из-за трансформации рабочей волны в высшие типы волн на отклонениях формы коэксиала системы от йдеальной. Вместе с тем, полученное значение добротности говорит о достаточно эффективной работе разрядного промежутКа" ко эквивалента закоротки второго отрезка коаксиальной линии при накоплении энергии, так как расчетное значение максимального коэффи1756982 его коэффициента усиления в области более высоких рабочих частот, а также увеличение уровня выходной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом формирователе (фиг.1), содержащем коаксиальный накопительный резонатор 1, выполненный на закороченном с одного конца первом отрезке (плече) коаксиальной линии, другой конец которого соосно соединен с вторым отрезком (плечом) коаксиальной линйи 2, нагруженным на согласованную нагрузку, содержащем коммутатор, который выполнен в виде разрядного промежутка 3, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии, а также содержащем разрядник 4 в разрядном промежутке 3, диаметр D внешнего проводника и диаметр внутреннего проводника второго отрезка коаксиальной линии выбраны согласно неравенствам где Л вЂ” длина волны, d — диаметр внутреннего проводника первого отрезка коаксиальНОЙ ЛИКИИ, /Cpm И Vp(m-1) ГЛ-Й И (fll 1) Й КОРНИ функции Бесселя jo(x) и ее производной jo (õ) соответственно, а ширина разрыва h выбраЛ на из условия h =, 2п=0- Ли он размещен на расстоянии L = (2п+1) — 2 от закороkh ченного конца первого отрезка коаксиальной линии; где п»1 — целое число, Возможность такого исполнения работоспособного формирователя основана на следующем, При возбуждении накопительного резонатора 1 на TEM волне в силу полной аксиальной симметрии устройства и в силу выбора диаметров D и Л удовлетворяющими условию 0- Л =2h =il, во втором отрезке коаксиальной линии 2 возможно распространение только TEM волны. При этом, так как расстояние от закоротки первого отрезка коаксиальной линии до разрыва внутреннего проводника второго отрезка выбрано удовлетворяющим равенству L=(2n+1) —, а диаметры О, Л и

il. h ширина h удовлетворяющими соотношениям D> —, Л= и h"- — 2 —, то

ЗЛ rom D „Л, D-h, 2 ц» m — 1 в накопительном резонаторе 1 и в разрядном промежутке 3 устанавливаются синфазные колебания вида ТЕМ ооп и Eomo, соответственно (так как соотношения для

Ьи и соответствуют такому выбору диамет50 короченном с одного конца первом отрезке коаксиальной линии, содержит второй отрезок коаксиальной линии 2, коммутатор 3 в

55 устройства следующие.

45 ра и ширины разрядного промежутка, при котором в промежутке в радиальном направлении от его оси укладывается нечетное число полувариантов поля Ео » 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 Е -й составляющей ВЧ-поля

Еоп»о вйда колебаний, и осуществляющего при срабатывании перемыкание промежутка по era 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

2Л 2 при 0+d< — = — Л, а предлагаемый форми3

ЗЛ. рователь при D> — !.

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 завиде разрядного промежутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии и разрядник 4, расположенный в стенке промежутка на его оси.

Соотношения характерных размеров

1756982

10 циента усиления при такой добротности составляет-14 дБ, что существенно выше, чем предельные значения K=6-7 дБ для известного формирователя при его исполнении на рабочую частоту 9,33 ГГц, Вывод энергии осуществлялся при возникновении, после подсветки разрядником, самостоятельного СВ +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 дли тельностью 10 нс по уровню 0,5.

Достигнутый коэффициент усиления ВЧмощности по сравнению с мощностью возбуждающего генератора составлял 11.5 дБ, что превышает расчетное значение К 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 про5 межутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии, и разрядник, о т л и ч аю шийся тем. что, с целью упрощения конструкции и расширения диапазона рабо10 чих частот, диаметр 0 внешнего проводника и диаметр Л внутреннего проводника второго отрезка коаксиальной линии выбраны согласно неравенствам где Х вЂ” длина волны;

d — диаметр внутреннего проводника

20 первого отрезка коаксиальной линии; к< и vp(.ö — m-й и (m-1)-й корни функции Бесселя 1 (х) и ее производной 4 (x) соответственно, ширина разрыва h выбрана из условия

25 h = Л/2, 2 h=D- Л и он размещен на расстоянии L=(2n+1) А/4- — от закороченного конца

2 первого отрезка коаксиальной линии, где

n»1 — целое число.

1756982

<оао

Рог, г

Составитель С.Артеменко

Редактор В, Бугренкова Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Е.Папп

Заказ 3093 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 301