РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ-КОМПРЕССОР

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности.

Известен ряд оригинальных конструкций резонансных СВЧ-компрессоров, работающих на основе накопления и быстрого вывода СВЧ-энергии в резонансном объеме [А.Н.Диденко, Ю.Г.Юшков. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. - М.: Энергоатомиздат, 1984, с.112]. Наиболее распространенными среди них являются компрессоры, накопительный объем которых выполнен из одномодового прямоугольного либо круглого волновода, а устройство вывода организовано в виде интерференционного переключателя на основе Т-образного волноводного Н-тройника [Августинович В.А., Артеменко С.Н., Юшков Ю.Г. RU патент №2328062, публ. 27.06.2008; В.А.Августинович, С.Н.Артеменко, В.Ф.Дьяченко, В.Л.Каминский, С.А.Новиков, Ю.Г.Юшков. Исследование переключателя СВЧ-компрессора с коммутацией в круглом волноводе. ПТЭ, 2009, №4, с.106-109]. Одно из прямых плеч такого переключателя используется в качестве накопительного объема и имеет длину nλ_в/2, где n>>1, λ_в - длина волны в волноводе. Второе прямое либо боковое плечо выполняется полуволновым и ограничивается короткозамыкателем. В этом плече на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя размещается СВЧ-коммутатор, соединенный с источником управляющих сигналов. Свободное плечо связывается с нагрузкой и через него осуществляется вывод энергии. Мощность резонансных СВЧ-компрессоров с выводом энергии через интерференционный переключатель определяется электрической прочностью коммутатора. В таких компрессорах коммутируемая мощность практически равна мощности бегущей волны резонатора, т.е. предельной мощности выходных импульсов компрессора. Например, в 10-см диапазоне длин волн этот уровень, обычно, не превышает 400-500 МВт. Из-за потерь при выводе он снижается до 250-300 МВт [RU патент №2387055, опубл. 20.04.2010].

С целью увеличения мощности импульсов при неизменном уровне коммутируемой мощности в [R.A.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v.57, №10, p.2475-2480] предложен СВЧ-компрессор с симметричным накопительным резонатором и устройством ввода-вывода энергии на основе двойного волноводного тройника. Ввод энергии осуществляется через элемент ввода в Е-плоскости тройника, а вывод - через элемент вывода на основе тройника в Н-плоскости. В одном из плеч резонатора, на расстоянии четверти длины волны в волноводе от короткозамыкателя плеча, располагается СВЧ-коммутатор. Такое исполнение устройства позволяет выводить энергию одновременно из обоих плеч через один общий выходной волновод. Теоретически, в случае коммутации без потерь, одновременный вывод может обеспечить двукратное повышение мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора при двукратном укорочении импульсов по сравнению с временем двойного пробега волны вдоль резонатора. Поэтому мощность импульсов компрессора с симметричным резонатором, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 500-600 МВт.

Известен также СВЧ-компрессор с выводом энергии из двух идентичных накопительных резонаторов через интерференционный переключатель в виде волноводного моста, который собран на основе двух Н-тройников с общим боковым плечом и расположенным в этом плече СВЧ-коммутатором [Августинович В.А., Артеменко С.Н., С.А.Новиков. Волноводный мост как элемент вывода энергии резонансного СВЧ-компрессора. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2008, т.LI, №3, с.216-222]. Такое исполнение переключателя позволяет выводить энергию одновременно из обоих резонаторов через два выхода моста и, используя Н-тройник как суммирующее устройство, суммировать импульсы этих выходов в боковом плече тройника как общем выходном волноводе. Кроме того, при согласованных со стороны бокового плеча тройниках такой переключатель допускает двукратное повышение мощности бегущей волны накопительного резонатора по сравнению с симметричной системой [R.A.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v.57, №10, p.2475-2480]. Энергия в резонаторы подается через делящее устройство в виде волноводного Е- либо Н-тройника. В качестве суммирующего устройства используется также Е- либо Н-тройник, в прямые плечи которого подводятся суммируемые импульсы, а боковое плечо служит общим выходом. Поскольку переключение резонаторов в режим вывода осуществляется одним коммутатором, то суммируемые импульсы синхронны и синфазны. В случае коммутации без потерь одновременный вывод из двух резонаторов может обеспечить двукратное повышение мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью бегущей волны каждого из резонаторов и четырехкратное по сравнению с мощностью волны в симметричной системе [R.A.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v.57, №10, p.2475-2480]. Поэтому теоретически мощность импульсов такого компрессора, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 0,8-1 ГВт.

Известен компрессор с симметричным одномодовым накопительным резонатором длиной, кратной нечетному числу полуволн в волноводе [RU патент №2440647, опубл. 20.01.2012]. При этом устройство ввода энергии выполнено со стороны бокового плеча Н-тройника, расположенного по центру резонатора. Устройство вывода организовано на основе двух Н-тройников, включенных симметрично в короткозамкнутые плечи резонатора на расстоянии nλ_в/2 от соответствующего короткозамыкателя. Кроме того, к боковым (выходным) плечам тройников симметрично прямыми плечами подсоединен выходной суммирующий Н-тройник, а СВЧ-коммутатор с газонаполненной трубкой размещен в центре резонатора. По сути, накопительный резонатор компрессора разделен на четыре практически равные части, из которых вывод энергии осуществляется одновременно. Такая конструкция компрессора теоретически позволяет получать на выходе устройства импульсы, мощность которых четырехкратно превышает мощность бегущей волны резонатора. По технической сущности такой компрессор наиболее близок к предлагаемому устройству и взят за прототип.

Задачей изобретения является создание СВЧ-компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности.

Технический результат заключается в увеличении мощности выходных сигналов компрессора за счет увеличения объема накопительного резонатора и количества каналов вывода энергии.

Указанный результат достигается тем, что в резонансном СВЧ-компрессоре, содержащем, как и прототип, накопительный резонатор, ограниченный короткозамыкателями, СВЧ-коммутатор с газоразрядной трубкой, устройство ввода энергии и устройство вывода энергии на основе Н-тройников, включенных симметрично в короткозамкнутые плечи накопительного резонатора, к выходным плечам Н-тройников элемента вывода подсоединено суммирующее устройство с выходным волноводом, в отличие от прототипа, накопительный резонатор выполнен в виде двух идентичных ортогональных короткозамкнутых волноводных секций, лежащих в одной плоскости, которые в их центральной части объединены в единую резонансную систему через окна связи в цилиндрической стенке встроенного резонатора, газоразрядная трубка СВЧ-коммутатора расположена в центре встроенного резонатора и ориентирована под углом ±45° к волноводным секциям, а устройство ввода выполнено в виде прямоугольного волноводного отрезка, подсоединено к одной из торцовых стенок встроенного резонатора соосно с ним и узкие стенки отрезка ориентированы параллельно газоразрядной трубке, устройство вывода выполнено в виде четырех Н-тройников, встроенных в волноводные секции накопительного резонатора на расстоянии 0,25l - 0,5R=nλ_в/2 от ближайшего короткозамыкателя, устройство вывода выполнено в виде четырех Н-тройников, расположенных от ближайшего короткозамыкателя волноводных секций на расстоянии, равном

0,25l - 0,5R=nλ_в/2,

где l - длина волноводной секции накопительного резонатора;

R - радиус встроенного резонатора;

n - целое число от 2 до ~10;

λ_в - длина волны в волноводных секциях,

а выходами накопительного резонатора, к которым подсоединено суммирующее устройство, являются однонаправленные боковые плечи Н-тройников, ортогональные плоскости, в которой расположены волноводные секции накопительного резонатора.

На Фиг.1, 2 приведена схема предлагаемого СВЧ-компрессора. Компрессор представляет собой накопительный резонатор в виде двух ортогональных волноводных секций 1 длиной l, объединенных через окна связи в цилиндрической стенке встроенного цилиндрического резонатора 2 с СВЧ-коммутатором и устройством ввода энергии 4. Газоразрядная трубка 3 СВЧ-коммутатора ориентирована под углом ±45° к волноводным секциям 1. Устройство ввода энергии 4 выполнено в виде прямоугольного волноводного отрезка и подсоединено к одной из торцовых стенок встроенного резонатора 2, соосно с ним, а узкие стенки отрезка 4 ориентированы параллельно газоразрядной трубке 3. Встроенный резонатор 2 имеет диаметр 2R и длину L, сопоставимую с максимальным поперечным размером d волновода секций 1, и работает на Н₁₁₁ виде колебаний, а его рабочая частота выбрана равной частоте накопительного резонатора. Устройство вывода энергии состоит из четырех Н-тройников 5, прямыми плечами включенных в волноводные секции 1 накопительного резонатора на одинаковом расстоянии от соответствующего короткозамыкателя 6, равном 0,25l-0,5R=nλ_в/2. Н-тройники 5 включены так, что их боковые плечи ортогональны плоскости, в которой расположены волноводные секции 1 накопительного резонатора и ориентированы в одном направлении. К боковым плечам Н-тройников 5 подсоединены входные волноводы 7 суммирующего устройства, с прямоугольными входными волноводами 7 и выходным круглым волноводом 8, который является выходом компрессора.

Предлагаемый СВЧ-компрессор работает следующим образом. В накопительном резонаторе, организованном на основе двух ортогональных волноводных секций 1, через устройство ввода энергии 4 накапливается СВЧ-энергия. При этом волноводный отрезок устройства ввода ориентирован под углом 45° по отношению к секциям 1 накопительного резонатора, а в проходном цилиндрическом резонаторе 2, через который идет накопление энергии, возбуждается Н₁₁₁ вид колебаний. Возбуждение этого вида обусловлено соответствующим выбором диаметра и высоты проходного резонатора. Плоскость поляризации Р-Р рабочего вида колебаний этого резонатора при отмеченной ориентации волноводного отрезка устройства ввода лежит в плоскости симметрии накопительной системы компрессора, ориентированной под углом 45° относительно волноводных секций накопительной системы. Это обеспечивает равномерное распределение энергии по волноводным секциям накопительной системы. Этому же способствует идентичное исполнение окон связи секций с проходным резонатором, которые выполнены в полное сечение волноводов секций. При этом Н-тройники устройства вывода включены в волноводные секции резонатора 1 симметрично между проходным резонатором 2 и короткозамыкателями 6 секций, поэтому при четном числе вариант поля в половине волноводной секции боковое плечо каждого Н-тройника оказывается в узле стоячей волны. В силу этого излучение в нагрузку в режиме накопления практически отсутствует. После завершения процесса накопления в проходном резонаторе 2 включается быстродействующий СВЧ-коммутатор 3. Это приводит к быстрому изменению резонансной частоты проходного резонатора и инверсии фазы волн, отраженных от этого резонатора. В результате в плоскости симметрии Н-тройников 5, т.е. в месте расположения бокового плеча тройников, устанавливается пучность стоячей волны и начинается излучение волны в нагрузку. Таким образом, тройники открываются и начинается процесс вывода энергии. Энергия в каждый тройник выводится в течение четвертой части времени двойного пробега волны вдоль каждой из двух волноводных секций резонатора. Далее энергия поступает в суммирующее устройство и выводится в нагрузку с восьмикратным увеличением мощности по сравнению с мощностью бегущей волны резонансной накопительной системы. Восьмикратное увеличение мощности выходного импульса по сравнению с мощностью бегущей волны накопительного резонатора достигается за счет восьмикратного уменьшения длительности выходного импульса по сравнению с временем двойного пробега рабочей волны вдоль двух волноводных секций накопительного резонатора. Повышение рабочей мощности обеспечивается увеличением накопленной энергии из-за увеличения объема накопительной резонансной системы при фиксированном уровне коммутируемой мощности. При фиксированной мощности входных импульсов увеличение объема накопительной резонансной системы приводит к понижению напряженности поля в резонаторе и, соответственно, к повышению стабильности параметров выходных импульсов компрессора.

В качестве примера конкретного исполнения предлагаемого устройства рассмотрим результаты исследования СВЧ-компрессора 3-см диапазона длин волн. В экспериментах для накопления энергии использовалась резонансная накопительная система, организованная в виде двух ортогонально пересекающихся прямоугольных волноводных секций сечением 23×10 мм² и длиной 90.8 см каждая. В центральную часть системы был включен цилиндрический проходной резонатор диаметром 26 мм и высотой 23 мм. Окна связи секций прямоугольного волновода с цилиндрическим проходным резонатором были выполнены в полное сечение волновода секций, т.е. с размерами 23×10 мм². При этом волноводные секции резонатора работали на виде колебаний Н₁₀₍₄₀₎, а проходной резонатор на виде Н₁₁₁. Возбуждение такой резонансной системы осуществлялось через окно связи по центру одной из торцовых стенок проходного резонатора. Причем входной прямоугольный волноводный отрезок был ориентирован под углом 45° по отношению к волноводным секциям резонатора. Измеренная добротность системы на частоте 9.28 ГГц равнялась 9.1×10³. При такой добротности расчетный коэффициент усиления системы составляет около 9.5 дБ. Это означает, что в случае вывода энергии без потерь на выходе компрессора можно получать импульсы длительностью порядка 2.1 нс и усилением около 18.5 дБ. Экспериментально по каждому из выходов был получен коэффициент усиления около 7.5 дБ. Усиление суммарного импульса достигало 16.5 дБ. Поэтому при мощности входных импульсов 50 кВт мощность выходных импульсов компрессора превышала 2 МВт. Переключение системы из режима накопления в режим вывода осуществлялось СВЧ-коммутатором тригатронного типа, разрядник подсветки которого располагался в центре торцовой стенки проходного резонатора. В этом месте в объеме проходного резонатора находится максимум электрической составляющей поля Н₁₁₁ рабочего вида колебаний проходного резонатора. Коммутатор представлял собой кварцевую трубку с внутренним диаметром 3 мм и наружным 5 мм. Трубка располагалась в плоскости поляризации рабочей моды резонатора, ортогональной торцовым стенкам цилиндра и широкой стенке волноводного отрезка устройства ввода. Разряд в трубке происходил в аргоне либо на воздухе при атмосферном давлении. Резонаторы системы работали на воздухе при атмосферном давлении. В принципе, система функционировала идентично компрессору с выводом энергии через интерференционный переключатель на основе Н-тройника. Наиболее эффективно она работала при коммутации в чистом аргоне. Суммирование импульсов в турникетном соединении приводило к некоторому увеличению длительности импульсов и незначительному снижению усиления. Так как управление выводом осуществлялось одним СВЧ-коммутатором, то это исключало проблемы с суммированием. Повышение мощности по сравнению с прототипом составляет двукратное значение и обусловлено возможностью двукратного увеличения накопленной энергии в системе при фиксированном уровне коммутируемой мощности. По сравнению с мощностью бегущей волны резонансной накопительной системы возможное повышение составляет восьмикратное значение.