Результат интеллектуальной деятельности: РЕЗОНАНСНЫЙ СВЧ КОМПРЕССОР

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности с огибающей, близкой к прямоугольной форме.

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, опубл. 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 после срабатывания СВЧ коммутатора осуществляется вывод энергии без отражений от тройника. Поэтому при быстром по сравнению с временем пробега волны вдоль резонатора срабатывании коммутатора на выходе компрессора формируются импульсы с практически прямоугольной огибающей. Длительность Т выходных импульсов таких компрессоров определяется длиной L резонатора, а также групповой скоростью v рабочей волны вдоль резонатора и равна отношению 2L/v. Из этого выражения следует, что для формирования достаточно длинных наносекундных СВЧ импульсов прямоугольной формы (~10-100 нс) в таких компрессорах необходимо применение длинных накопительных резонаторов. При обычной для одномодовых волноводов групповой скорости ~0.7 скорости света время пробега волновода длиной 1 м составляет ~10 нс. Поэтому формирование импульсов длительностью, например, ~100 нс требует использования резонаторов длиной ~10 м, что не всегда приемлемо.

Известны также СВЧ компрессоры, в которых для накопления энергии используются относительно компактные сверхразмерные объемные резонаторы с элементом вывода энергии также в виде интерференционного СВЧ переключателя на основе Т-образного Н-тройника, подсоединенного снаружи к стенке резонатора [см., 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]. Огибающая выходных импульсов СВЧ компрессоров с такими резонаторами имеет крутой фронт и экспоненциальный спад, что также не всегда приемлемо для практического применения импульсов. Кроме того, 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 (1…2)λ² МВт, где λ - рабочая длина волны в сантиметрах. Для повышения мощности и формирования импульсов с более приемлемой прямоугольной огибающей необходимы иные технические решения устройства вывода и резонатора.

В работе [Артеменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ энергии из крупногабаритных осесимметричых резонаторов через сверхразмерную коаксиальную линию. ЖТФ, 1993, Т. 63, №2, С. 106-112] в качестве устройства вывода энергии из сверхразмерных аксиально-симметричных резонаторов предложено использовать интерференционный переключатель на основе сверхразмерного коаксиального волновода с последовательно включенной в волновод радиальной линией. Переключение резонатора из режима накопления в режим вывода осуществляется СВЧ коммутатором, расположенным в этой линии. Рабочей волной является низшая магнитная либо электрическая аксиально-симметричная волна. Более существенная площадь сечения такого переключателя по сравнению с переключателем на основе Н-тройника из прямоугольного либо круглого волновода обеспечивает более высокую рабочую мощность СВЧ компрессора. Вместе с тем, такие компрессоры также формируют выходные импульсы с экспоненциальным спадом. Кроме того, вывод энергии в таких компрессорах идет на аксиально-симметричной волне, неудобной на практике и требующей использования трансформатора типа волны для преобразования рабочей волны в основную волну круглого или прямоугольного волновода. По технической сущности такой компрессор является наиболее близким к предлагаемому устройству и взят за прототип.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного СВЧ компрессора, формирующего наносекундные импульсы средней длительности (~10-100 нс) с огибающей импульсов, близкой к прямоугольной форме.

Технический результат изобретения заключается в сохранении компактным резонансного СВЧ компрессора, формирующего импульсы практически прямоугольной формы длительностью ~10-100 нс и обеспечивающего вывод энергии на основном типе волны прямоугольного волновода использованием в сверхразмерном накопительном резонаторе специальной замедляющей структуры, а также специального устройства вывода энергии.

Указанный результат достигается тем, что резонансный СВЧ компрессор, как и прототип, содержит сверхразмерный аксиально-симметричный резонатор в форме цилиндра длиной L₀ и диаметром D с входной и выходной торцевой стенкой, элементом ввода энергии и устройством вывода в виде интерференционного переключателя с СВЧ коммутатором, в отличие от прототипа в резонаторе соосно с цилиндром размещены, вложенные один в другой, отрезки круглого волновода, количеством N=1, …, 4, поочередно одним из их концов соединенные с входной или выходной торцевыми стенками резонатора, причем длина L отрезков равна L=L₀-λ/2, диаметр резонатора D, диаметры отрезков D_i, количество отрезков N выбраны удовлетворяющими соотношениям:

ν_0(N+1)λ₀/π<D<ν_0(N+2)λ₀/π;

D_i=ν_0iD/ν_0(N+1);

L₀~(1…3)D<10λ₀;

где λ - длина рабочей волны в резонаторе;

i=1, …, N;

ν_0i, ν_0(N+1), ν_0(N+2) - i-й, (N+1)-й и (N+2)-й корень производной функции Бесселя первого рода нулевого порядка;

λ₀ - длина рабочей волны в свободном пространстве,

а минимальный диаметр D₁ отрезков выбран удовлетворяющим неравенствам:

λ₀/0,82<D₁<2λ₀,

при этом устройство вывода выполнено в виде крестообразного волноводного соединения, представляющего собой ортогональное пересечение круглого волновода диаметром D₁ и сверхразмерного прямоугольного волновода с широкой стенкой а=D₁ и узкой стенкой b=D₁/2, круглый волновод пересекает сверхразмерный прямоугольный волновод по широким стенкам и каждый из пересекающихся волноводов с одного торца короткозамкнут и от центра пересечения до короткозамыкателя круглый волновод выполнен длиной λ/4, а волновод прямоугольный - длиной λ/2, открытый торец круглого волновода соосно соединен с концом отрезка круглого волновода диаметром D₁, вмонтированного в резонаторе, а к открытому торцу сверхразмерного прямоугольного волновода прямым плечом подсоединен Н-тройник из идентичного прямоугольного волновода с полуволновым короткозамкнутым боковым плечом, в котором расположен СВЧ коммутатор, длина сверхразмерного прямоугольного волновода от оси волновода круглого до оси симметрии бокового плеча Н-тройника выполнена длиной полуволновой, а свободное прямое плечо Н-тройника является выходом компрессора.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлены схемы примера выполнения предлагаемого резонансного СВЧ компрессора. Компрессор содержит элемент ввода энергии 1 на входной торцевой стенке резонатора 2, который выполнен сверхразмерным в форме цилиндра диаметром D и длиной L₀=рλ/2~(1…3)D, где р>1 - число полуволн рабочей волны H_0(N+1)=Н₀₃ длиной λ, вдоль резонатора. В резонатор 2 соосно с ним вмонтировано N (N=2) отрезков 3 круглого волновода диаметром D₁ и D₂. Отрезок минимального диаметра D₁ одним торцом соединен с выходной торцевой стенкой резонатора 2 и с устройством вывода энергии 4. Второй отрезок диаметром D₂>D_1, также соосный с резонатором 2, одним торцом соединен с входной торцевой стенкой резонатора 2, на которой расположен элемент ввода энергии 1. Длина L отрезков 3 выбрана на λ/2 меньше длины цилиндра L₀ резонатора 2 (L₀-L=λ/2), а диаметр D резонатора, количество отрезков N=2 и диаметры отрезков D₁ и D₂ выбраны удовлетворяющими соотношениям:

где ν₀₁, ν₀₂, ν₀₃, ν₀₄, соответственно, 1-й, 2-й, 3-й и 4-й корень производной функции Бесселя первого рода нулевого порядка. Кроме того, диаметр D₁ отрезка минимального диаметра выбран удовлетворяющим неравенствам (4):

λ₀/0.82<D₁<2λ₀,

где λ₀ - длина рабочей волны в свободном пространстве. Резонансный СВЧ компрессор также содержит устройство вывода 4, представляющее собой крестообразное соединение круглого волновода 5 диаметром D₁ и прямоугольного сверхразмерного волновода 7 с широкой стенкой а=D₁ и узкой стенкой b=D₁/2. Соединение образовано ортогональным пересечением круглым волноводом 5 прямоугольного волновода 7 по его широкой стенке а=D₁. Одним торцом круглый волновод 5 прикреплен снаружи к выходной торцевой стенке резонатора 2 соосно с отрезком волновода 3 диаметром D₁. При этом участок круглого волновода 5 диаметром D₁ от центра пересечения волноводов 5 и 7 до свободного торца круглого волновода 5 выполнен четвертьволновой длины и свободный торец круглого волновода 5 короткозамкнут короткозамыкателем 6. Волновод прямоугольный 7 с одной стороны также короткозамкнут короткозамыкателем 8 и с этой стороны от центра пересечения волноводов 5 и 7 до короткозамыкателя 8 выполнен полуволновой длины. С открытой стороны сверхразмерный прямоугольный волновод соединен с полуволновым входным прямым плечом 11 Н-тройника 9 из такого же волновода. Второе прямое плечо 12 Н-тройника 9 является выходом устройства вывода 4. Боковое полуволновое плечо 13 Н-тройника 9 короткозамкнуто и в нем расположен СВЧ коммутатор 10. Полная длина отрезка 3 диаметром D₁ резонатора 2 и круглого волновода 5 устройства вывода 4 до центра крестообразного соединения устройства вывода выбрана длиной равной L₁=L₀+λ/2=L+λ.

Предлагаемый резонансный СВЧ компрессор работает следующим образом. Через элемент ввода энергии 1, выполненный в виде волноводного Н-тройника из стандартного прямоугольного волновода, на высокодобротном виде колебаний H_0(N+1)p в сверхразмерном цилиндрическом резонаторе 2 накапливается СВЧ энергия. При этом энергией заполняется как резонатор 2, так и устройство вывода 4 (замкнутый короткозамыкателем 6 участок круглого волновода 5 устройства вывода 4 выполнен четвертьволновой длины, поэтому энергия из этого волновода направляется в волновод прямоугольный и также заполняет его до Н-тройника из сверхразмерного прямоугольного волновода, который на рабочей частоте резонатора закрыт). Индекс (N+1) - число вариант поля вдоль радиуса резонатора. Это число на единицу больше количества отрезков 3 волновода и не больше пяти. Ограничение количества вариант поля по радиусу связано с высокой плотностью спектра колебаний сверхразмерного резонатора 2 при N>4 и длине резонатора с временем двойного пробега рабочей волны вдоль одного отрезка не менее ~10 нс. Индекс p соответствует числу вариант поля вдоль резонатора. Рабочий вид колебаний H_0(N+1)p выбирается из требования обеспечения низкой групповой скорости рабочей волны по сравнению со скоростью света в свободном пространстве для резонатора заданного диаметра, т.е. используется вид колебаний с индексом N, близким к критическому его значению, и следующему из неравенств (1). Радиальные варианты рабочего вида колебаний отделяются друг от друга отрезками 3 круглого волновода с диаметрами отрезков 3, определяемыми соотношением (2). При таком исполнении резонатора 2 каждая радиальная варианта рабочего вида колебаний практически полностью отделена от соседней отрезками 3 волновода, за исключением полуволновых окон связи соседних вариант у торцевых стенок резонатора 2. Соотношения (3) накладывают ограничение на допустимый объем резонатора 2. Ограничение (4) диаметра первого (наименьшего диаметра) отрезка 3 обеспечивает распространение по этому отрезку среди аксиально-симметричных магнитных типов волн только волны типа Н₀₁. Так, соосными отрезками круглого волновода, располагаемыми в резонаторе допустимого объема и имеющими окна связи между ограничиваемыми отрезками частями объема резонатора, организуется замедляющая структура и формируется рабочая волна устройства вывода.

После завершения процесса накопления включается СВЧ коммутатор 10 Н-тройника 9 устройства вывода 4 и Н-тройник открывается. Так как короткозамкнутый участок круглого волновода 5 устройства вывода 4 выполнен четвертьволновой длины, то энергия из этого волновода направляется в прямоугольный волновод 7 и далее в нагрузку. Полуволновая длина секции прямоугольного волновода 7, замкнутой короткозамыкателем 8, и входного прямого плеча 11 Н-тройника 9 шунтирует круглый волновод 5 в режиме накопления в плоскости симметрии устройства вывода 4. Открывание Н-тройника 9 после включения его коммутатора 10 в плече 13 обеспечивает проход рабочей волны круглого волновода 5 к его короткозамыкателю 6 и инверсию фазы прошедшей волны, а, следовательно, открывание устройства вывода 4 и поступление волны в выходной волновод 12 Н-тройника 9. Площадь сечения прямоугольного волновода 7 сопоставима с площадью сечения волновода круглого 5. Потому энергия из круглого волновода 5 практически беспрепятственно поступает в нагрузку. При этом одновременно с выводом энергии из круглого волновода 5 в этот волновод непрерывно с той же групповой скоростью поступает энергия из соседней варианты рабочего вида колебаний. Поскольку структура поля в резонаторе 2 сохранена соответствующей H_0(N+1)p виду колебаний, то групповая скорость рабочей волны вдоль отрезков 3 постоянна. Поэтому накопленная энергия выводится за время двойного пробега волны вдоль N отрезков 3 и круглого волновода 5, формируя прямоугольный импульс с длительностью ~NT, где Т - время двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора 2. Практическое постоянство амплитуды импульса обеспечивается практическим постоянством запаса энергии в объемах между соседними отрезками 3 круглого волновода.

В качестве примера выполнения предлагаемого изобретения рассмотрим разработанный и исследованный вариант резонансного СВЧ компрессора 3-см диапазона длин волн. В этом компрессоре резонатором 2 служил цилиндр из сверхразмерного медного волновода диаметром D=10 см <4λ₀. Среди магнитных аксиально-симметричных типов волн на выбранной рабочей частоте 9100 МГц с длиной волны в свободном пространстве λ₀≈3.29 см по такому волноводу могут распространяться волны типа H₀₁ и Н₀₂. Поэтому рабочим типом волны в резонаторе 2 компрессора может быть только волна типа Н₀₂. Границей раздела радиальных вариант поля этой волны является цилиндр диаметром D₁=ν₀₁D/ν₀₂=3,832×10/7,016=5,46 см > λ₀/0,82≈3,86 см и D₁<2λ₀≈6,6 см. Длина рабочей Н₀₂ волны в резонаторе 2 на частоте 9100 МГц равна 4,86 см. Поэтому расчетная длина варианты поля в резонаторе 2 равна 2,43 см. В качестве отрезка 3 круглого волновода диаметром D₁, располагаемого в резонаторе 2 соосно с ним на границе раздела радиальных вариант рабочего вида колебаний, использован медный волновод диаметром 50×3 мм. Конечная толщина стенки этого отрезка 3 волновода привела к отличию длины волны внутри и снаружи отрезка 3. В отрезке 3 круглого волновода длина волны составляет 5,53 см, тогда как в коаксиальном волноводе с диаметром внешнего проводника D=10 см и D₁=5,06 см - 4,97 см. Таким образом, отличие длин волн в этих направляющих системах достигало 0.28 см. Это означает, что длину отрезка 3 круглого волновода диаметром D₁ следует корректировать подбором длины круглого волновода 5 (Фиг. 1) от выходной торцевой стенки резонатора 2 до центра пересечения круглого волновода 5 и прямоугольного волновода 7. При возбуждении на частоте 9100 МГц вида колебаний Н₀₂₍₁₀₎ длина резонатора составила 24,8 см <8λ₀. При этом одна общая варианта поля длиной 2,43 см располагалась в цилиндре резонатора диаметром 10 см и девять вариант в коаксиальном волноводе длиной ~22,35 см. В отрезке 3 круглого волновода диаметром D₁=5 см на длине 22,35 см вмещалось ~8.1 варианты. Недостающая часть варианты была дополнена длиной круглого волновода 5 устройства вывода 4. Это было реализовано круглым волноводом 5 длиной 6,8 см. С учетом высоты узких стенок прямоугольного волновода 7, равной D₁/2=2,5 см (при широких стенках этого волновода D₁=5 см), подсоединяемого к волноводу круглому, длина короткозамкнутой части короткозамыкателем 6 круглого волновода 5 составила ~4,15 см.

В сверхразмерном прямоугольном волноводе 7 H₀₁ рабочая волна круглого волновода 5 трансформируется в H₀₁ волну волновода прямоугольного. Длина этой волны в таком волноводе равна 4,28 см. Поэтому полуволновая секция сверхразмерного прямоугольного волновода 7, замкнутая короткозамыкателем 8, за пределами волновода круглого взята длиной, равной ~3,15 см, а полуволновое входное прямое плечо 11 Н-тройника 9 из такого волновода - длиной ~5,5 см. Такую же длину имеет и короткозамкнутое полуволновое боковое плечо 13 этого Н-тройника 9. Длина выходного плеча 12 Н-тройника 9 взята произвольной, но больше длины ближней зоны сочленения плеч Н-тройника. Заканчивалось плечо 12 рупорным переходом на стандартный одномодовый прямоугольный волновод сечением 23×10 мм².

По сравнению с цилиндрическим резонатором диаметром 10 см добротность резонатора 2 с встроенным в его объем отрезком 3 круглого волновода понизилась, что связано с ухудшением геометрического фактора накопительного объема (увеличения площади рабочей поверхности резонатора при практически неизменном объеме). Оценочная собственная добротность резонатора 2 компрессора составила ~5×10⁴ вместо ~10⁵ для резонатора без встроенного отрезка волновода и устройства вывода энергии.

Длина двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора равнялась ~0,5 м, а время двойного пробега волны вдоль резонатора такой длины ~1,5 нс. Введение отрезка 3 в объем резонатора 2 увеличивает длину пробега практически в два раза. При этом групповая скорость волны по сравнению со скоростью света в свободном пространстве снижена более чем в полтора раза. Снижение групповой скорости и увеличение проходимого расстояния приводит к росту длительности импульса более чем до 5 нс. При этом расчетное усиление волны в резонаторе понижается на ~8-9 дБ и вместо ~30 дБ для компрессора с чисто цилиндрическим резонатором составило ~21-22 дБ для предлагаемого компрессора без учета потерь при коммутации и ~19-20 дБ с учетом потерь.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили справедливость представленных выше расчетов. Добротность накопительного резонатора с устройством вывода, изготовленным из круглого волновода диаметром 5 см и прямоугольного волновода сечением 58×25 мм², составила 5,6×10⁴. На высоком уровне мощности при подаче на вход компрессора микросекундных импульсов СВЧ мощностью 40 кВт и коммутации в кварцевой трубке СВЧ коммутатора, заполненной аргоном при атмосферном давлении, в режиме самопроизвольного СВЧ пробоя были получены практически прямоугольные СВЧ импульсы усилением 19 дБ, мощностью 3,2 МВт и длительностью 5,1 нс по уровню -3 дБ.