Формирователь импульса

;: ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУГ 1 1.: ".":,.;,;,".;:",:",": , . . 2 ,(54) ФОРМИРОВАТЕЛЪ ИМПУЛЬСА. (57) Изобретение относитсяктехнике СВЧ28: :,. : ":, предназнэчено для формированйя" мощных довэтельский институт " .:; высокочастотных импульсов в радиолокаи Томском политехниче-." .:"ции "и-для иСследовайиягазового"разряда. С.М.Кирова ".:.-, ".;:. ",Цель изобретения -увеличениевыходной В,Разин, П,Ю.Чумерини импульсной мощности в.метровом диапазо-не длин волн, Устройстве содержит коаксирственное предприятие". альный резонатор"3. соедин.енный го научно-технологиче-элементом связи 2 с:СВЧ-генератором 1,троййик 5 с торцовой закорачивэющей стен. и др; формирование . кой 7, образующей зазорсвнутреййимпро-при накоплении СВЧ-. ".водником 6 тройника 5; .Увеличение оре; - Радиотехника и". ", выходной мощности".достигается "выбором т. 25, М 6, с; 1227. :. "величиньг зазора междустенкой 7 и внутетельство СССР,:,:.-рейним проводником 6, "обеспечивающим" К 3/53, 1989, .: .::. резонанс коаксиального резонатора 3; 1 ил,Ф, ядерной физики прском институте им,17 Я 199 5 10 20 25 30 35 40 45 50 3Изобретение относится к технике СВЧи предназначено для формирования мощных въсокочастотных импульсоо для целейрадиолокации, исследования газового разряда и плазмы,Наиболее разработанными являюгсяформирователи с объемными резонаторамидля 3- и 10-сантиметровых диапазонов длинволн. В некоторых случаях для радиолокации предпочтительным является болеедлинноволновый диапазон, например, приповышенной влажности атмосферы, В дециметровом и метровом диапазонах размерцнакопительного резонатора уоеличиваются,увеличивается также его вес, Изобретение 1решает задачу разработки формирователяметрового дйапаэона с приемлемыми весогабаритными характеристиками.Известно устройство формированиямощных СВЧ-импульсов, содержащеесоерхразмерный накопительный резонатор, элемент возбуждения и переключающий волноводный тройник. Тройникизготовлен из прямоугольных оолноводов,соответствующих низшему типу колебанийН 1 о, и подключен к отверстию связи и торцовой стенке накопительного резонатора,Одно иэ плеч тройника закорочено, а другоеоткрытое плечо подключено к нагрузке. Взакороченном плече размещен поджигающий электрод.К недостаткам устройства относятсябольшие габариты и вес в метровом диапазоне длин волн, Например, при длине волнывысокочастотных колебаний Л=2 м(частота1 = 150 М Гц), поперечные размеры волноводов тройника составили бы 14 х 0,6 м 2, адиаметр цилиндрического накопительногорезонатора 5 - 6 м. Такой формирователь может быть использован только в стационарных установках, но и для этих целей егоизготовление не всегда становится экономически оправданным.Известен формирователь СВЧ-илпульсон, состоящий из накопительного резонансного объема, подключенного кСВ Ч-генератору, поджигающего электродаи блока запуска. Резонансный объем образован отрезком регулярного волновода, ограниченного с одной стороны оолноводнымтройником с короткозамкнутцм плечом, адругой - элементом возбуждения. Длина резонансного объема - гл Лы 2, где п - целоечисло; Ль - длина волны в волноводе. Поперечные размеры регулярного прямоугольного волновода и волнооодов тройникаодинаковы, сравнимы с рабочей длиной волны Л и обеспечивают распространение Н 1 оволны. Длина короткозамкнутого плечо подобрана так, что о процессе возбуждения резонансного объела излучения из него не происходит. Поджигающий электрод размещен вне объема резонатора о отверстии широкой стенки короткоэамкнутого плеча на расстоянии Ль /4 от эакорачивающей стенки.Устройстоо работает следующим образом.После возбуждения резонатора на поджигающий электрод подается импульс на-. пряжения, За счет образовавшейся искры между электродом и стенкой волновода инициируется СВЧ-разряд, замыкающий противоположные широкие стенки оолноводэ в области расположения поджигающего электрода. Частота отражения тройника изменяе 1 ся, и накопленная СВЧ-энергия поступает в нагрузку в виде импульса. Его вь.ейная импульсная мощность Ри превышает мощность Рг питающего СВЧ-генера-, тора.К недостаткам устройства относятся большие размеры и вес в метровом диапазоне длин волн, Если поперечное сечение волноеодов в 10-сантиметровом диапазоне 7,2 х 3,4 см, то в летровом диапазоне не2менее 72 х 34 см . Кроме этого, с увеличе 2нием разлера узкой стенки пропорциональноувеличивается время коммутации, так как увеличивается протяженность зазора, который должен быть перекрыт СВЧ-разрядом, Увеличение времени коммутации приводит к падению выходной импульсной мощности Ри и коэффициентаусиления формирователя.Известен также формирователь импульсов, содержащий СВЧ-генератор и накопительный резонатор, выполненный коаксиальным. С одной стороны коаксиальный резонатор ограничен закорачивающей стенкой, с другой - коаксиальным тройником, в котором одно иэ плеч эакорочено, В этом плече расположен коммутатор, образованный двумя отрезками внутреннего проводника, между которыми установлен зазор д на расстоянии Л /8 от закорачиваемой стенки. Величина зазора д определяется по формуле д = 0,93 с 3/(С - 1,5), где б - диаметр внутреннего проводника; С - величина, зависящая отдиаметра внешнего проводника коаксиала О и длины волны Л. Длина резонатора от закорачивающей стенки до тройника состаоляет несколько длин полуволн,Устройство работает следующим образом.Электромагнитные колебания СВЧ-генератора накачки, работающего в непрерцвном или импульсном режиме, поступаЮт1752199 5 бна элемент возбуждения, Бо внутренний ется необхот 1 имымувеличением напряженобьемах резонатора и закороченнаго плеча ности поля в зазоре разрядникапри сохратройника возбуждается СВЧ-поле. Геомет- нении прежн 6 йвеличиныпогонной энергиирическая дтлийа закороченного плеца трой-возбужденного поля и, в целом, эггергии,нйка О жестко связана с рабоцей час.отой 5 запасенной в резонаторе, Поскольку электилидлиной волны 1 л =- Л, /4 (или же Ь -" 3/4). риичаская прочность разрядника огр 1 ницетак как после коммутации электрическая:на, то уменьшается допустимая мощностьдлина плеча становится равной геогиеттрииче-. выходнь 1 х наносекуйдных импульсов форской, иволны в трсоййике должны" склады-, . мироватетля, Например, если. д = 30 мм, Рватьсяв фазе, Во время возбуждения 10 90 мм, .- 1 ГГц и выходная мощность фортройник выполйяет функцию режекторйого миркоителя - 20 МВт, то высокочастотноефильтра и эслектркицетская длина закороченби- нтапРяжение в зазоре будет 170 кВ, Величиного плеча Должна быть "лили кРатна этой на зазоРта д, УДовлетвоРЯюЩаЯ Условиювеличине. Разница меядуи электрической .2 у/Х-"1, составит д=в мм и напряженностьдлиной-во время оозбуждения и требуемой 15: поля - 210 кВ/см, Для частоты 1 - 150-300)электрицеской длиной во время вывода: УГц зазор уменьшается до (1 - 0,5) мм и наэьгергий ьтожет быть обеспечейа только за-:" пряженность поля возрастает до (2100 зором, - ;.: .:. .: 3400) кБ/см при той же мощностиУчасток линой А /4, примыкающий к возбуждающего ВЧ-генератора и выходнойторцовой стенке закороченного плеча трой импульсной мощнос 1 и формирователя 20ника и включатощий в себя, зазор междуМВт, Ни вакуум, ни какой-либо газ не облаотрезками вйутреннего проводника, иимеЬт: . даюттакойэлектрицескойпрочностью,ипоэлектрическую длину 2 л. В конце процессаэтому ь 1 аксимально возможная выходнаявозбуждения напряженности поля в затзоре . Мощность уменьшается на порядок и более.критьческого значения происходит СВЧ 25 Цель изобретения - увеличение выходпробой между торцовыми поверхностями ной импульсной мощности в метровом диа. отрезков внутреннога проводника; Тогда пазонедлин волн,тотжеучастокдлинойА/4 будетиметьэлек- .: Укаэанная цель достигается тем; что втрическуюдлину л/2,какобычный четвер- устройстве, содержащем, как и прототип,тьволновый резонатор. Фаза волны, 30 СВЧ-генератор, накопительный резонатор,. оотракенной от закорачивающей стенки пле- . коаксиальньй тройник с разрядным проме ча тройника й поступающей к Т-образному жутком, выполненным в боковом плече коаккоаксиальному соединению, изменится на сиального тройника, в отличие от прототипаЛ Л будЕт СКЛадЫВатЬСя В фазЕ С ВОЛНОЙ, раэрядНЫйПрОМЕжутОКкШИрИНОйЛ=-0,15 А+поступающей из резонатора. Это означает 35установление полной связи с нагрузкой, + 0,15 А) +Алд +2 (Р - б/О,где2приводящей к быстрому излучению энергии А=фпРН)/л, аи Р-диаметры внутреннеговозбужденного поля и внешнего проводников коаксиальногоК недостаткам устройства относится тройника соответственно, выполнен междунизкий уровень выходной мощности в мет-. 40 торцовой закорацивающей стенкой и конровом диапазоне длин волн. В любом диа- цом внутреннего проводйика бокового плепазоне в данной конструкции должно ча коаксиального тройника,. выполняться условие 70/Х = 1, где 2 я - вол- .:Существеннь 1 м отличием заявляемогоновое сопротивление, Х - реактивное со- формирователя является выполнениепротивление сосредоточенной емкости с 45 коммутатора в виде зазора между торцо зазором д /2, д - зазор между отрезками вой закорачивающей стенкой и концомвнутреннего проводника, Поскольку Х = внутреннего проводника коаксиала, В из 1/о С), где С - емкость и й) - круговая вестном коаксиальном формирователе-прочастота, то при уменьшении о) велицина С тотипе зазор расположен на расстояниидолжнапропорциональноувеличиться. Уве л/8 от торцовой закорачивающей стенлицение С при неизменных диаметрах б - ки, В других известных формирователях навнутреннего и Р - внешнего проводников основе обьемных резонаторов коммутаторкоаксиала достигается уменьшением д, Но располагается на расстоянии А/4 от закорауменьшение д приводит к увеличению на- цивтваи,ей стенки. В коаксиальных констпряженности поля в зазоре, так как при 55 рукциях разрядников блокировкипостоянной мощности высокочастотного ге- передатчика в качестве разрядного променератора накачки высокочастотное напря- жутка используются диэлектрические окнажение в зазоре постоянно, Таким образом или емкостные диафрагмы, а сами разрядуменьшение рабочее кастеты т сопровоктра- ники выпоанаютси с допоанитепиным объе.мом или в виде закороченного коаксиального отрезка с электрически соединенн 1,(ми центральным проводником и закорачиваю- щей стенкой,Схематическипредлагаемое устройство 5 представлено на чертеке, где Обозначеньг: возбуждающий СВЧ-генератор 1, элементсвязи 2, коаксиальный резонатбр 3 внутренний проводник 4 коаксиального резонаторатройник 5, отрезок б внутреннего прсводника заколоченного плеча тройника, торцоваязакорачивающая стенка 7,Вйход СВЧ-генератора 1 соединен сэлементом связи 2 накопительного резонатора 3, С одной стороны резонатор 3, в ко"тором размещен внутренний проводник 4, ограничен тройником 5, В закоронценном плече тройника размещен отрезок внутреннего проводника б, Между его концом изакорачивающей стенкой 7 устанзовлЕн за зор величиной АУстройство рабогает следующим образом.Электроммагйитные колебания СВЧ-ге- .нератора 1 поступают на элемент возбуждения 2 и возбуждают поле во внутреннем обьеме резонатора 3 и закороченном плече тройника, длина короткозамкйузтого плеча Е 1 =Л/4 или же 1 = ЗЛ/4, но величина Ьподобрана так, что отрезок коаксиального 30короткозамкнутого плеча являетсярезона) 1- сным и его электрическаядлина составляетл или 2 л. Тогда отракенная. вотлйа от закороченного плеча имеет обратную фазу поотношению к волне падающей на тройникиз резонатора 3, и излучения в выходноеплечо на рабочей частоте не происходит Максимальная величина напряженности электрического поля достигается в емкостном зазоре между торцовой стенкой 7 иконцом отрезка б, где в концепроцесса возбуждения происходит СВЧ-пробой, Отрезок центрального проводника 6 и торцовая стенка 7 закорачиваются, и электрическаядлина закороченного плеча становится л /2 (или Зл/2), Отраженная волна, падающая на тройник из эакороченного плеча, с учетом двойного пробега складывается в фазе с падающей волной из резонатора 3, и накопленная в резонансном объеме электромагнитнаяэнергия поступает через выходное плечо тройника в нагрузку.Условием работоспособности устройства и, в частности, коаксиального коммутатора является равенство длины 55 закороченного плеча тройника1 = Л /4 (или 3 Л /4), обеспечивающей сдвиг фазы при одном пробеге волны 7 т/2 (или Зк/2) при осуществлении коммутации, Во время возбуждения на рабочей частоте отрезок Л /4, примыкающий торцовой стенке 7, должвн ИмтетЬ "лаЕктрзичеСку 1 о "длину т. Это ОЗ- начает, что величина Л, дйаметры Вйутренннего б и внешнвго О проводникзоов должны "удовлетворять условиюрезонанса, Если обозйачейие - Ь- Л топо условйю1 Л/4. то укоаззн.айное соотношение преобразуется квиду .(2) В метровомдиапазоне АЯ 10 итогда2 лЬунзцито то Х можно заменить ергу ментом, Кроме этого, разлагая 1 и вО - б2 Лряд получа(от:Л= - 1 п - ( - + + 1 п 2 - 1), (3)с 1 Э л:д О - бл д ЯЛ 4 ЛВеличина Л находится как корень квадратного уравненияЛОБтн зтО,15 А ) + И (за о + 2 ( Э о ) )з 9где Л =(апИб) /лрезультаты расчетов по (1) и(3) имеют хорошее совпадение и показывают, что в метровом диапазоне зазор Л составляет величину порядка 10 мм и более, Например при постоянном О = 90 мм и б = 10 мм Л - 11 3 мм/ . Ф б =20 мм Л - 14 мм; б = 30 мм Л - 152 мм Отличие от коммутатора-прототипа заключается в том, что в закороченное плечо тройника включается коаксиальный резонансный отрезок с укорачивающей емкость)о, длина внутреннего проводника которого близка Л /4, Большие величины Л обьясняются большой нелинейностью левой части(1) при О 1- Л/4 и малой величиной Л/Л, В прототипе же иснпользудтся два коак- " сиальных отрезка длиной=-Л /8 с укорачива)ощей емкостью, вкл)оченных навстречу друг другу. При неигмейной частоте чем короче отрезок, тем больше должна быть укорачиваюц 1 ая емкость и меньше зазор. С учетом зависимости величины зазора от длины волны конструкция прототипа в мет-.ровом диапазоне длин волн становится неприемлемой.Например размеры формирователя, рассчитанного на рабочую частоту 1 = 150752199 Составитель С. НовиковТехред М,Моргентал грректор О. Кравцова Редактор М. Товтин аз 2699 , Тираж - :. - ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственноиздательский комбинат "Патент", г. Угкгород, улрагв рина, 1 О 1 МГц, Л=2 м.Диаметры коаксиала 0=90 мм ки мегава 1 т в метровом диапазон дпин и д = 30 мм, Длина резонатора до плоскости волн. симметрии тройника 2000 мм, длина закоро- Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я ченного плеча - 500 мм, Величина зазора Формирователь импульса. содержащий между концом центрального проводника-и 5 СВЧ-генератор, накопительный резонатор, закорачивающей стенкой Ь = 15,2 мм, что коаксиальный тройник с разрядным промепри той же максимальной напряженности жутком, выполненным в боковом плече кополя в зазоре Ео - 210 кВ/см позволяет аксиальноготройника,отличающийся получить соответствующее максимальное . тем; что, с целью увеличения выходной имвысокочастотное напряжение Оо = 318 кВ и .10 пульсной мощгности в метровом диапазоне такое же напряжение стоячей волны в резо-: длин волн, разрядный промежуток шириной наторев регулярной части, Отсюда следует; Ь 0,15 А+ фт что максимальная. выходная мощность 150 МВт.: . ", " : + (0,15 А +Ая 6+2(0 - д)/8Учитывая общие преимущества коаксй альных формирователей - большую скоро-где А = (бпО/г 1/л, :.д,", сть коммутации, хорошие весогабаритные г 1 и.О - диаметрывнутреннегоиь внешнего характерис,ики, возможность получать ко-проводниковкоаксиальноготрогйника,соот: .роткие импульсы длительностью 1-2 нс; ветственно,.выполнен между торцовой запредлагаемое устройство имеет большое 20 корачивающей стенкой и концом значение для техники получения наносекун- . "внутреннего проводнйка бокового плеча кодных СВЧ-импульсов с мощностью в десят-.аксиального тройника,