Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ НАНО И СУБНАНОСЕКУНДНЫХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности с частотой следования входного микросекундного СВЧ-импульса, а также серии СВЧ-импульсов субнаносекундной длительности в пределах входного импульса, генерируемого в частотно-периодическом режиме.

Известны устройства формирования мощных СВЧ-импульсов нано- и субнаносекундной длительности [Ельчанинов А.С., Коровин С.Д., Месяц Г.А. и др. Генерация мощного СВЧ-излучения с использованием сильноточных электронных мини-ускорителей. Доклады АН СССР. 1984. Т.279. №3. С.824-826], основанные на преобразовании энергии ускоренного пучка электронов в энергию электромагнитного излучения при прохождении пучка через компактную электродинамическую структуру. Такой способ осуществляется, например, в релятивистских СВЧ-генераторах и усилителях. Отличаясь высокой пиковой мощностью выходных сигналов, источники такого типа имеют низкую частоту следования (~100 Гц) и ограниченный рабочий ресурс (~10⁶-10⁷ импульсов).

Известны также устройства с применением для получения СВЧ-импульсов нано- и субнаносекундной длительности полупроводниковых приборов [Кукарин С.В. Электронные СВЧ-приборы. М.: Радио и Связь. 1981. С.271]. Основными недостатками полупроводниковых устройств являются относительно невысокий уровень рабочей мощности, составляющий, как правило, не более единиц киловатт, а также низкая частота следования, равная единицам килогерц и обусловленная проблемой отвода тепла.

В работе [Диденко А.Н., Новиков С.А., Разин С.В. и др. Формирование мощных сверхширокополосных радиоимпульсов при последовательной временной компрессии СВЧ-энергии. Доклады АН СССР. 1991. Т.321. №3. С518-520] предложено устройство формирования СВЧ-импульсов субнаносекундной длительности, функционирующее на основе последовательной компрессии микросекундных импульсов СВЧ в цепочке резонаторов, преобразующих эти импульсы сначала в импульсы наносекундной длительности, а затем субнаносекундной. Устройство использует эффект повышения электрической прочности накопительного резонатора при укорочении входных СВЧ-импульсов до наносекундной длительности. В трехступенчатой системе 10-см диапазона длин волн сформированы импульсы длительностью ~0.35 нс с пиковой мощностью ~630 МВт. Вместе с тем, реализация такого устройства требует применения в первой ступени накопительного резонатора достаточно большой длины (~3 м). В комплексе со второй и третьей ступенью это делает систему громоздкой. Кроме того, из-за применения в компрессорах газоразрядных СВЧ-коммутаторов с большим временем восстановления система имеет невысокую частоту следования (~0.1-1.0 кГц).

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 Н-тройником и устройством вывода энергии в виде плавного перехода [Августинович В.А., Артеменко С.Н., Игумнов B.C., 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 Н_01(p), на которой энергия накапливается через устройство ввода энергии, выполненное на входной торцовой стенке резонатора. Элемент (устройство) межмодовой связи в виде короткозамкнутого волноводного отрезка с последовательно встроенным Н-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 Н₁₁ круглого волновода, а выходной волновод - одномодовым. Компрессор-прототип может обеспечить формирование СВЧ-импульсов субнаносекундной длительности. Режим формирования субнаносекундных СВЧ-импульсов достигается тем, что накопленная энергия входного СВЧ-импульса длительностью Т выводится не непрерывно за время t<<Т, а дискретно малыми порциями путем периодической и кратковременной, в течение времени δt<<t, трансформации одной рабочей моды резонатора, на которой энергию накапливают в начальной половине длительности Т входного импульса, в другую моду, на которой энергию в конечной половине длительности Т входного импульса выводят через фиксированные промежутки времени Δt≈10Т₀, где Т₀ - время двойного пробега волны первой рабочей моды вдоль прямых плеч тройника, Т₀<<Т, t≥Т₀.

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

Задачей изобретения является повышение мощности выходных импульсов и расширение функциональных возможностей устройства.

Технический результат изобретения заключается в повышении мощности выходных импульсов устройства за счет выполнения выходного волновода и интерференционного СВЧ-переключателя из сверхразмерного волновода, имеющего увеличенную площадь поперечного сечения. Технический результат заключается также в расширении функциональных возможностей устройства за счет выполнения интерференционного СВЧ-переключателя в виде крестообразного волноводного соединения, позволяющего расширить диапазон регулирования связи резонатора с нагрузкой и, соответственно, функциональные возможности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве формирования нано- и субнаносекундных СВЧ-импульсов, содержащем, как и прототип, многомодовый резонатор с элементом ввода энергии, расположенным на его входной торцовой стенке, с элементом вывода энергии, выполненным в виде плавного перехода с корпуса резонатора на выходной волновод и интерференционный СВЧ-переключатель из волноводных соединений в Н плоскости, в отличие от прототипа, выходной волновод выполнен в виде сверхразмерного прямоугольного волновода с первой стенкой, имеющей размер а, равный размеру широкой стенки одномодового стандартного прямоугольного волновода, и второй стенкой, выполненной сверхразмерной, имеющей размер d, удовлетворяющий соотношениям:

d=nb<0,2L,

где n=[0,2L/b] - число, являющееся целой частью отношения 0,2L/b;

b - размер узкой стенки одномодового стандартного прямоугольного волновода;

L - длина резонатора, 5λ<L<50λ, λ - длина волны в свободном пространстве,

а интерференционный переключатель выполнен в виде крестообразного волноводного соединения из сверхразмерного прямоугольного волновода, идентичного выходному волноводу, с прямыми плечами, лежащими на одной линии и последовательно встроенными в выходной волновод, а также двумя боковыми плечами, ортогональными выходному волноводу, при этом одно из боковых плеч односвязно, имеет полуволновую длину и газоразрядная трубка расположенного в нем СВЧ-коммутатора параллельна сверхразмерной стенке, а второе боковое плечо многосвязно и набрано в виде пакета из n параллельных плотно прилегающих друг к другу Н-тройников из одномодового стандартного прямоугольного волновода с полуволновыми прямыми входными плечами, короткозамкнутыми боковыми плечами с расположенными в них СВЧ-коммутаторами, а также короткозамкнутыми выходными прямыми плечами, имеющими длину l, удовлетворяющую неравенствам λ_в<l<L, где λ_в - длина волны в волноводе, и электроды каждого СВЧ-коммутатора подсоединены к источнику управляющих сигналов.

Такая конфигурация выходного волновода и переключателя обеспечивает увеличение рабочей мощности компрессора за счет увеличения площади сечения сверхразмерного волновода. Она также обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства за счет крестообразного соединения волноводов в интерференционном СВЧ-переключателе и набора Н-тройников в одном из плеч соединения с СВЧ-коммутаторами, управляющими работой тройников. Такое исполнение интерференционного СВЧ-переключателя позволяет регулировать связь резонатора с нагрузкой в широких пределах и, как следствие, формировать импульсы не только субнаносекундной длительности с высокой частотой следования, но и наносекундные импульсы с регулируемой мощностью и длительностью.

На Фиг.1-3 приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит многомодовый резонатор 1 с элементом ввода энергии 2 в виде отрезка волновода на входной торцовой стенке. Элемент вывода 3 выполнен как выходная торцовая стенка в виде плавного перехода, сопрягающего корпус резонатора с выходным сверхразмерным прямоугольным волноводом 4 с первой стенкой, имеющей размер а, равный размеру широкой стенки стандартного одномодового волновода, и второй стенкой, выполненной сверхразмерной размером d=nb<0,2 L, где 2<n=[0,2L/b], L - длина резонатора, 5λ<L<50λ, и b - размер узкой стенки стандартного прямоугольного волновода (фиг.3).

Предлагаемое устройство формирования нано- и субнаносекундных импульсов СВЧ содержит (фиг.1) сверхразмерный интерференционный СВЧ-переключатель 5, выполненный как крестообразное волноводное соединение в Н-плоскости. Два прямых плеча 6 этого соединения последовательно включены в выходной волновод 4 и имеют одинаковые с ним поперечные размеры. Два других плеча 7 и 8 переключателя 5 ортогональны выходному волноводу 4, короткозамкнуты, выполнены полуволновой длины и также имеют поперечное сечение, равное сечению выходного волновода 4. Причем плечо 7 имеет односвязное сечение размером a×d и в этом плече расположена газоразрядная диэлектрическая трубка СВЧ-коммутатора 9 с электродом, подсоединенным к источнику управляющих сигналов 10. Плечо 8 набрано в виде пакета из n (2<n=[0,2L/b]) параллельных Н-тройников 11 из стандартного прямоугольного волновода, плотно прилегающих друг к другу широкими стенками. Входные полуволновые прямые плечи 12 Н-тройников связаны с выходным трактом через окна связи 13 в полное сечение волновода Н-тройников (фиг.3).

Полуволновые выходные прямые плечи 14 Н-тройников ограничены подвижными короткозамыкателями 15 и имеют длину l, удовлетворяющую неравенствам λ_в<l<L, где λ_в - длина волны в волноводе, а в боковых полуволновых короткозамкнутых плечах 16 расположены СВЧ-коммутаторы 9 (фиг.2). Каждый из СВЧ-коммутаторов 9 размещен на расстоянии четверти длины волны в волноводе от короткозамыкателя бокового плеча 16 соответствующего тройника и их электроды подсоединены к источнику управляющих сигналов 10.

На Фиг.3 изображена внутренняя структура сверхразмерного интерференционного СВЧ-переключателя 5 с диэлектрической трубкой СВЧ-коммутатора 9 в короткозамкнутом плече 7 из сверхразмерного волновода и плеча 8, набранного из n (2<n=[0,2L/b]) одномодовых Н-тройников.

Устройство работает следующим образом. В призматическом или цилиндрическом многомодовом резонаторе 1 через элемент ввода энергии 2 на рабочей моде резонатора (H_01(m) моде колебаний призматического либо H_11(m) моде цилиндрического резонатора) накапливается энергия. Выходной сверхразмерный прямоугольный волновод 4 допределен для волны моды H₀₁ и поэтому в режиме накопления энергия на этой волне с вектором электрического поля, параллельным сверхразмерной стенке выходного волновода, поступает к крестообразному сверхразмерному интерференционному СВЧ-переключателю 5. В месте сочленения волноводов переключателя волна H₀₁ синфазно возбуждает короткозамкнутые ортогональные выходному волноводу 4 полуволновые плечи 7 и 8 интерференционного СВЧ-переключателя 5. Причем в плече 7, набранном из n одномодовых Н-тройников, возбуждается только входное плечо тройников. В результате в поперечном направлении креста устанавливается мода колебаний Н_01(k). Две ближние к выходному волноводу варианты этой моды в плечах 7 и 8 излучают в нагрузку волны, противофазные волне, излучаемой центральной вариантой в выходном волноводе 4, и компенсируют ее, обеспечивая переключателю режим «закрыто». (В продольном сечении сверхразмерный крестообразный переключатель полностью идентичен аналогичному переключателю из одномодового волновода и поэтому на «чистой» рабочей волне H₀₁ обладает идентичными свойствами). Высокая добротность Н_01(m) моды колебаний призматического резонатора или H_11(m) моды цилиндрического обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности входной волны, а большая площадь поперечного сечения многомодового резонатора и волновода элемента вывода - высокий уровень мощности бегущей волны резонатора, т.е. значительный запас СВЧ-энергии. Длина резонатора выбирается из условия, что на рабочей частоте возбуждается только H_01(m) (Н_11(m)) мода колебаний. Остальные моды резонируют далеко от резонанса рабочей моды либо излучаются в нагрузку. В то же время, плавный переход 3 выполняется согласованным для рабочей моды H₀₁ в широкой полосе частот, составляющей величину не менее отношения 1/Т, где Т - время двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора.

Далее, в зависимости от того, на электрод какого СВЧ-коммутатора подается управляющий сигнал, процесс вывода СВЧ-энергии и, следовательно, формирования выходных импульсов СВЧ идет по-разному. Включение СВЧ-коммутатора в плече 7 с газоразрядной трубкой приводит к сдвигу резонансной частоты резонатора, образованного поперечными плечами 7 и 8, за пределы полосы его резонанса и, соответственно, к нарушению установленного в режиме накопления амплитудно-фазового баланса излучаемых в нагрузку волн. Нарушение резонансных условий для боковых плеч интерференционного СВЧ-переключателя обеспечивает практически полное его открывание, т.к. устраняются волны из поперечных плеч, компенсировавшие волну, излучаемую в нагрузку в режиме накопления из входного плеча интерференционного СВЧ-переключателя. В результате энергия из резонатора выводится полностью за время двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора. Мощность сформированного импульса при этом сопоставима с мощностью бегущей волны накопительного резонатора. Так формируются наиболее мощные импульсы наносекундной длительности.

Включение СВЧ-коммутаторов любого из одномодовых Н-тройников приводит к открыванию этого тройника. Далее процесс будет идти по-разному в зависимости от длины выходного короткозамкнутого прямого плеча тройника. Если длина этого плеча полуволновая, то в течение времени пробега волны от входа тройника до короткозамыкателя выходного прямого плеча тройник открыт. В течение этого времени резонансная частота поперечного резонатора переключателя меняется и, как следствие, накопительный резонатор интерференционного СВЧ-переключателя меняется и, как следствие, накопительный резонатор кратковременно открывается. После возвращения волны, отраженной от короткозамыкателя выходного плеча, к входу тройника частота поперечного резонатора возвращается к частоте исходной и накопительный резонатор закрывается. В результате на выходе формируется короткий импульс длительностью, равной времени двойного пробега волны от входа тройника до короткозамыкателя выходного плеча. После завершения процесса формирования первого импульса включается коммутатор второго тройника и процесс формирования очередного импульса повторяется, затем третьего, четвертого и т.д. Так формируются импульсы субнаносекундной длительности при коротких выходных плечах Н-тройников (порядка длины волны в волноводе) и наносекундной длительности при более длинных выходных плечах, но не более длины накопительного резонатора (l<L), т.к. при большей длине плеч нарушается постоянство мощности подводимой к плечу волны. Этот процесс может идти до порогового уровня срабатывания коммутаторов, связанного с уменьшением запаса энергии. При достижении этого уровня включается коммутатор сверхразмерного плеча сверхразмерного интерференционного СВЧ-переключателя, и остаток энергии выводится за время двойного пробега волны вдоль накопительного резонатора. В случае отличия длины выходного плеча от полуволновой длины интерференционный СВЧ- переключатель из сверхразмерного волновода остается приоткрытым в течение времени распада плазменного канала разряда. Это время составляет величины, значительно превышающее время звучания накопительного резонатора. Поэтому на выходе устройства формируются СВЧ-импульсы пониженной мощности по сравнению с мощностью бегущей волны накопительного резонатора, но с длительностью, превышающей время двойного пробега волны вдоль накопительного резонатора. При этом положением поршней в выходных плечах Н-тройников мощность и длительность могут регулироваться в широких пределах.

Допустимый размер сверхразмерной стенки выходного волновода и, следовательно, геометрические параметры плеч интерференционного СВЧ-переключателя из сверхразмерного волновода, в том числе количество Н-тройников в одном из плеч такого переключателя, определяется требованием обеспечения его работоспособности как в режиме накопления, так и в режиме вывода энергии. В принципе, при «чистой» H₀₁ волне прямоугольного волновода в режиме накопления никаких ограничений на размер этой стенки нет, кроме ограничения, связанного с допустимым объемом накопительного резонатора. Этот объем ограничен предельной плотностью спектра колебаний, из которого следует ограничение на длину резонатора L<50λ. Нижнее ограничение длины 5λ<L определяется временем срабатывания СВЧ-коммутатора, составляющим в 3-х и 10-см диапазонах длин волн 1-2 нс. Это время должно быть не больше времени двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора. Кроме того, поскольку в режиме вывода размер сверхразмерной стенки ограничен требованием малости времени t переключения по сравнению с временем Т двойного пробега волны вдоль накопительного резонатора, то для эффективного вывода это время должно составлять величину, порядка 0,1 T. Это означает, что размер сверхразмерной стенки должен быть меньше величины порядка 0,1 Tc=0,2 L, где с- скорость света в свободном пространстве; L - длина накопительного резонатора. Отсюда получаем, что число n Н-тройников в плече 8 интерференционного СВЧ- переключателя не должно превышать n=[0,2 L/b] - число, являющееся целой частью отношения 0,2 L/b (n<[0,2 L/b], где L длина резонатора, a b - размер узкой стенки одномодового стандартного прямоугольного волновода).

Пример конкретного выполнения.

Работоспособность предлагаемого устройства проверена экспериментально на макете устройства 3-см диапазона длин волн. Макет представлял собой резонансный СВЧ-компрессор с многомодовым накопительным резонатором и сверхразмерным крестообразным интерференционным СВЧ-переключателем, три плеча которого были выполнены из сверхразмерного волновода сечением 58×25 мм², а четвертое набрано в виде пакета из пяти Н-тройников, изготовленных из прямоугольного волновода сечением 23×10 мм². В продольном сечении такое соединение практически идентично одномодовому крестообразному соединению волноводов. Поэтому при правильной геометрии и «чистой» H₀₁ волне сверхразмерный интерференционный СВЧ-переключатель на основе такого соединения должен работать идентично обычному переключателю, поскольку физические причины, препятствующие этому, отсутствуют. Это подтверждено экспериментально при измерении переходного ослабления интерференционного СВЧ-переключателя в режиме «закрыто». В полосе частот 8800-9500 MГц ослабление составило 39±2 дБ, что сопоставимо с ослаблением обычного крестообразного переключателя из одномодового волновода.

Подтверждено и свойство практически полного открывания соединения с H₀₁ рабочей волной при незначительном изменении параметров сверхразмерного короткозамкнутого плеча, а также кратковременного или неполного открывания при срабатывании СВЧ-коммутатора в любом из Н-тройников пакета. Такой результат получен при работе соединения в качестве устройства вывода энергии.

Энергия накапливалась в многомодовом резонаторе из волновода сечением 72×34 мм² длиной ~36 см. Накопительный резонатор работал на виде колебаний H₀₁₍₁₉₎ на частоте ~8850 MГц. Его возбуждение осуществлялось через окно, расположенное на середине торцовой стенки резонатора. Через плавный переход накопительный резонатор сопрягался с интерференционным СВЧ-переключателем из сверхразмерного волновода. Поперечный резонатор такого СВЧ-переключателя работал на виде колебаний H₀₁₍₇₎. Вся система, включая плавный переход, входное плечо сверхразмерного СВЧ-переключателя и его поперечный резонатор, работала на виде колебаний Н₀₁₍₃₄₎.

Ослабление интерференционного СВЧ-переключателя из сверхразмерного волновода в режиме «закрыто» чувствительно к локальному спектру колебаний и изменениям формы резонатора. Поэтому добротность резонатора зависела от настройки и геометрии входного окна. Процедура настройки сводилась к варьированию формы окна и длины резонатора и такому их выбору, при котором добротность максимальна. Достигнутая добротность составила около 2,1×10⁴, что на 30-35% ниже добротности резонатора с короткозамыкателем вместо крестообразного соединения. Однако это отличие не связано с потерями на излучение, т.к. замыкание выхода интерференционного СВЧ- переключателя из сверхразмерного волновода на добротность не влияло. Вероятной причиной понижения добротности являются потери в соединении.

Расчетное время двойного пробега волны вдоль накопительной системы составляло 4 нс. При отмеченных значениях добротности, времени пробега и рабочей частоты расчетный коэффициент усиления близок к 19,5 дБ. В экспериментах при коммутации в сверхразмерном поперечном плече интерференционного СВЧ-переключателя получено усиление ~16 дБ при длительности импульсов 3,5 нс по уровню -3 дБ. В качестве источника входных импульсов использовался импульсный магнетрон мощностью 50 кВт. Поэтому мощность выходных импульсов достигала ~2 MВт. Переключение осуществлялось в результате самопробоя в смеси воздуха с аргоном при атмосферном давлении в кварцевой трубке, расположенной в максимуме электрического поля параллельно силовым линиям. Вывод в этом случае шел за время двойного пробега волны вдоль резонатора, т.е. идентично выводу из одномодового резонатора через интерференционный СВЧ-переключатель на основе обычного крестообразного соединения. В случае поочередного срабатывания СВЧ-коммутатора в любом из пяти Н-тройников с идентичными полуволновыми выходными плечами вывод шел в течение не более 1 нс. При этом минимальный интервал времени между импульсами составлял около 100 нс. Усиление импульсов достигало 10 дБ. Изменение длины выходных плеч тройников в пределах четверти дины волны в волноводе приводило к падению усиления выходных импульсов с изменением длительности в пределах - 3…16 дБ и 50…3,5 нс.

Таким образом, в работе показана возможность использования сверхразмерного интерференционного СВЧ-переключателя на основе крестообразного волноводного соединения из сверхразмерного прямоугольного волновода в качестве эффективного устройства вывода энергии из сверхразмерного резонатора. По оценкам, при достижимой плотности потока мощности в волноводе 5-10 MВт/см², в 3-см диапазоне длин волн такой СВЧ-переключатель может позволить формировать наносекундные СВЧ-импульсы мощностью ~0,1 ГВт. В 10-см диапазоне длин волн такой СВЧ-переключатель может обеспечить формирование таких же импульсов мощностью ~1 ГВт. Эти величины на порядок превышают возможную мощность импульсов, формируемых устройством-прототипом. Подтверждена возможность формирования в предлагаемом устройстве не только наносекундных, но и серии субнаносекундных импульсов в пределах входного импульса СВЧ. При прочих равных условиях большая площадь сечения сверхразмерного интерференционного СВЧ-переключателя может обеспечить более высокий уровень рабочей мощности компрессора по сравнению с прототипом, а управление процессом вывода с помощью пакета Н-тройников обеспечивает устройству более широкие функциональные возможности.