Антенна для вывода свч-излучения из вакуума в атмосферу

АНТЕННА ДЛЯ ВЫВОДА СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ВАКУУМА В АТМОСФЕРУ, содержащая соосно расположенные согласующий рупор и диэлектрическое вакуумно-плотное окно, отличающаяся тем, что, с целью повышения уровня выводимой мощности, антенна содержит дополнительный рупор, в раскрыве которого укреплено диэлектрическое окно, при этом раскрыв согласующего рупора углублен внутрь дополнительного рупора на расстоянии h (м), угол раскрыва дополнительного рупора не меньше угла раскрыва согласующего рупора, основные размеры антенны связаны между собой выражениями
2 d-a 4 ;
h 2 ,
где d размер основания дополнительного рупора, м;
a размер раскрыва согласующего рупора, м;
а толщина (м) диэлектрического окна вдоль каждого луча, выходящего из точки, лежащей на оси антенны посередине согласующего рупора, под углом g (рад) к поверхности окна определяется соотношением


где длина волны излучения, м;
e относительная диэлектрическая проницаемость материала окна,
n 1,2,3.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в мощных, преимущественно релятивистских, СВЧ-устройствах для вывода излучения из вакуума в атмосферу.
Целью изобретения является повышение мощности СВЧ-излучения, выводимого в атмосферу, до величины порядка гигаватт и более.
На чертеже показано устройство антенны.
Антенна содержит последовательно и соосно расположенные согласующий 1 и дополнительный 2 рупоры и выходное диэлектрическое вакуумно-плотное окно 3. Согласующий и дополнительный рупоры 1, 2 вакуумно-плотно соединены плоским уступом 4. Для предотвращения влияния поверхности дополнительного рупора 2 на волновое поле согласующего рупора 1, раскрыв 5 согласующего упора 1 углублен внутрь дополнительного рупора 2 на величину h (1-2) , где длина волны излучения (м), а разность размеров основания дополнительного рупора 2 и раскрыва 5 согласующего рупора 1 составляет величину d-a (2-4) . Согласующий рупор примыкает к источнику СВЧ-излучения (не показан). Выходное окно 3 укреплено в раскрыве 6 дополнительного рупора 2 и может иметь, например, плоскую поверхность со стороны вакуума. Для наиболее эффективного вывода СВЧ-излучения поверхность, обращенная в атмосферу, выполнена в соответствии с соотношением
( ) n /2 (1-sin²/ ) (1) где n 1,2,3.
( ) толщина выходного окна 3 вдоль каждого луча, выходящего из точки "0" под углом к оси 7 антенны;
относительная диэлектрическая проницаемость материала окна.
Возможен вариант окна в виде сферического сегмента с центром в точке "0" с толщиной , определяемой соотношением (1), в котором величина 0.
Минимальное значение n в соотношении (1) определяется необходимой прочностью диэлектрического окна 3. В качестве материала окна могут быть использованы диэлектрики с невысокой диэлектрической проницаемостью и малым углом потерь, несущественно зависящим от частоты, например, полиэтилен, полистирол, тефлон. Максимальная площадь выходного окна определяется максимально допустимой толщиной окна 3, обусловленной затуханием излучения. Если тангенс угла потерь диэлектрика tg <<1, коэффициент f затухания излучения в материале окна по порядку величины равен
f e (2) Поэтому максимальная толщина окна, начиная с которой становится существенным затухание излучения, определяется соотношением
_кр= (3) Таким образом, максимальное значение n_макс в соотношении (1)
n_макс (4) Расстояние S между раскрывами 5, 6 согласующего 1 и дополнительного 2 рупоров равно большей из величины Н₁ и Н₂, определяемых из соотношения
H₁= (25-40) (4)
H₂= (1-10) (5) где Е_пр напряженность поля СВЧ-пробоя, В/м;
Р_свч мощность СВЧ-излучения, Вт;
Р²( , ) диаграмма направленности излучения по мощности согласующего рупора 1 в сферической системе координат с осью, совпадающей с осью симметрии 7 антенны,
_макс угловой размер диаграммы направленности.
Размер D окна 3 определяется соотношением
D (1,1-1,3)Htg _макс, (6)
Антенна работает следующим образом. Выполнение требований, относительно того, чтобы размеры основания дополнительного рупора 2 на (2-4) превышали размеры раскрыва 5 согласующего рупора 1, раскрыв 5 согласующего рупора 1 был на (1-2) заглублен внутрь дополнительного рупора 2, а также выбор размера D выходного окна в соответствии с условием (6) обеспечивают слабое влияние поверхности дополнительного рупора 2 на волновое поле, формируемое согласующим рупором 1. Уменьшение указанных размеров ведет к повышению этого влияния, увеличение к нерациональному росту объема дополнительного рупора 2. Соотношение (4) обеспечивает отсутствие СВЧ-пробоя по поверхности выходного окна. В соответствии с соотношением (5) выходное окно находится на таком расстоянии от раскрыва 5 согласующего рупора 1, где выражена дальняя зона, а волновые поверхности имеют форму, близкую к сферической, с фазовым центром внутри согласующего рупора. Это позволяет использовать выходное окно 3 с толщиной, определяемой соотношением (1), оптимальной для прохождения излучения. Так как расстояние S в соответствии с соотношениями (4) и (5) существенно превосходит размеры согласующего рупора 1, за фазовый центр может быть принята точка, лежащая на оси антенны, соответствующая половине высоты согласующего рупора 1. Изменение положения фазового центра внутри согласующего рупора 1 вследствие различной структуры полей излучаемых мод при этом слабо влияет на условия вывода излучения. Следует отметить, что при уровнях мощности СВЧ излучения (1-10) 10¹⁹ Вт в сантиметровом диапазоне длин волн, значениях Е_пр 1-5 МВ/м и а (2-10) , выполнение условия (5) достаточно хорошо обусловлено требованием (4). Необходимая механическая прочность окна обеспечивается выбором соответствующего числа n в выражении (1).
Предложенная антенна СВЧ может быть сконструирована как на основе конических, так и на основе пирамидальных рупоров. В заключение следует отметить, что антенна, которая была сконструирована с учетом изложенных соображений, использовались в экспериментах по генерации СВЧ-излучения трехсантиметрового диапазона с уровнем выходной импульсной мощности 5-10 ГВт.
Антенна для вывода сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения из вакуума в атмосферу содержит соосно расположенные и вакуумно-плотно соединенные плоским уступом согласующий рупор (Р) 1 и Р 2, в раскрыве которого укреплено диэлектрическое вакуумно-плотное окно (ДВПО) 3. Раскрыв 5 углублен внутрь Р 2 на величину h = (1-2) , где - - длина волны излучения; а разность размеров основания Р 2 и раскрыва 5 согласующего Р 1 равна d-a = (2-4) , а толщина ДВПО 3 вдоль каждого луча, выходящего из точки, лежащей на оси антенны посредине согласующего Р 1, под углом g к его поверхности, определяется соотношением где - - относительная диэлектрическая проницаемость материала ДВПО 3, n = 1, 2, 3... Изобретение повышает мощность СВЧ-излучения, вводимого в атмосферу до величины порядка гигаватт и более. 1 ил.