Формирователь свч-импульсов

(21) 4802172/09 (22) 14,03.90 (46) 23.08,92.Бю (71) Научно-ис ядерной физики ском институте (72) С.Н,Артеме (56) Авторское с М 862800, кл, НАвторское с М 1487776, кл. лМ 31следовательспри Томскомим,С,М,Кированковидетельство СССР01 Р 1/14, 1979,видетельство СССРН 01 Р 1/14, 1987,кий инсполите титут ничеВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР 4) ФОРМИРОВАТЕЛЬ СВЧ-ИМПУЛ Изобретение относитсяк технике СВЧ и может быть использовано в мощных источниках высокочастотных импульсов для повышения мощности излучения,Устройство работает на основе накопления и быстрого вывода энергии электромагнитного поля из обьемного резонатора.Известен формирователь СВЧ-импульсов, в котором накопленная в резонаторе энергия выводится через интерференционных ключ, выполненный в виде прямоугольного волноводного тройника, одно плечо которого сильно связано с резонатором, второе нагружено на согласованную нагрузку, а в третьем, закороченном плече, организован коммутатор и переключение устройства из режима накопления в режим вывода осуществляется разрядником" коммутатора, расположенным в закороченном плече на расстоянии четверти длины вотхлны А от закоротки. В режиме накопления тройник нзакрыт", Имитируя быстрое перемеще(57) Использование; в мощных источниках СВЧ-импульсов дпя павйшения мощности излучения, Сущность изобретения: устройство содержит накопительный резонатор, выполненный на закороченном с одного конца первом отрезке коаксиальной линии, соединенном последовательно и соосно с вторым отрезком коаксиальной линии, коммутатор в виде разрядного промежутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии, и разрядник, расположенный в стенке разрядного промежутка на его оси. 2 ил,Л ние закоротки бокового плеча на 4, разрядник при срабатывании "открывает" тройник и накопленная энергий поступает в нагрузку в виде короткого радиоимпульса, После этого разрядник отключается и процесс накопления знеогии повторяется. Форми- СЛ рователь наиболее работоспособен в корот- Ой коволновой области диапазона СВЧ Я =3-10 К см) и может обеспечить коэффициент усиле- (О ния ВЧ-мощности К =13-20 дБ и уровеньг выходной мощности Р 1-100 МВт при наносекундной длительноети формируемых импульсов,Известен также формирователь СВЧ- ф импульсов, в котором цилиндрический накопительный резонатор, работающий на Ноп виде колебания, соединен соосно с выходным круглым волно"воодом, запредельным для рабочего типа волны, а управление режимами работы формирователя осуществляется коммутатором, организованным непосредственно в полости резонатора ивыполненным в виде разрядника, который расположен на середине радиуса торцовой стенки резонатора на расстоянии 4 от нее. Переключение режима накопления в режим вывода осуществляется поджигом разряда в разряднике, что приводит к трансформации рабочей волны Но 1 в волнутипа Н 11, для которой выходной волновод является допредельным. При этом накопленная энергия через выходной волновод в виде короткого радиоимпульса поступает в нагрузку. После этого разрядник отключается и начинается очередной процесс накопления энергии, Формирователь, также как и описанный выше, наиболее работоспособен в коротковолновой области диапазона СВЧ и может обеспечить значения коэффициента усиления и уровня выходной мощности, сравнимые с соответствующимихарактеристиками описанного формирователя. Вместе с тем он способен формировать более энергоемкие импульсы,51015 20 Наиболее близким к предлагаемому яв ляется формирователь СВЧ-импульсов, в котором накопительный резонатор выполнен в виде коаксиального тройника, к первому (накопительному) плечу которого подсоединен генератор непрерывных коле баний, второе(боковое) плечо закорочено, а третье является выходом формирователя и нагружено на согласованную нагрузку. При этом коммутатор формирователя выполнен в боковом закороченном плече тройника в 35 виде разрядного промежутка, образованного разрывом центрального проводника коаксиала на рэсстолнии 8 от закоротки плеча. где Л - длина волны. Расстояние от 40 точки разветвления тройника до разрядного промекутка выбирается из условия противофазности сложения волн, излучаемых при накоплении из первого 1 накопительного) и бокового плеч в нагрузку. После заверше ния процесса накопления разрядный промежуток пробивается и закорачивается, Это приводит к изменению электрической длиЛны бокового плеча нэ - 4 и следовательно, к50 суммированию излучаемых в нагрузку волн в фазе, Таким образом, тройник открывается и накопленная энергия поступает в нагрузку в виде короткого СВЧ-импульса, После излучения импульса напряженность 55 полл в разрядном промежутке падает, он раэмыкаетсл и тройник переключается в режим накопления, Формирователь способен обеспечить коэффициент усиления К -20 дБ2и уровень выходной мощности Р 10 УВт,Основными недостатками известного формирователя являются относительная сложность технологии его изготовления, сложность настройки, э также то обстоятельство, что достаточно эффективная работа такого формирователя возможна только в длинноволновой области СВЧ, При этом относительная сложность изготовления связана, прежде всего, с наличием в формирователе коэксиального тройникового сочленения, качественный монтаж которого затруднителен и технологически не очень удобен. Сложность прецизионной настройки элементов формирователя обусловлена необходимостью одновременной подстройки двух-трех параметров устройства, которые взаимосвязаны, и подстройка которых часто находится в противоречии друг с другом. Таким параметрами являются длина накопительного и бокового плеч тройника и высота разрядного промежутка, При этом, если длину накопительного плеча можно фиксировать и на его резонансную частоту насроиться путем соответствующего изменения частоты питающего генератора, то подстройка бокового плеча требует изменения его длины, что может повлечь за собой изменения высоты разрядного промежутка и снижения эффективную его работы и, наоборот, настройка разрядного промежутка на наиболее эффективную работу может привести к расстройке всего бокового плеча. В обоих случаях конечным результатом будет снижение переходного затухания тройника и, как следствие, уменьшение коэффициента усиления формирователя,Снижение эффективности работы формирователя (уменьшение коэффициента усиления К и предельного уровня выходной мощности Р) при переходе в коротковолновую область диапазона СВЧ связано с ростом постоянной затухания а рабочей волны в коаксиале и уменьшением диаметров б и ,0 его внутреннего и внешнего проводников соответственно. Это непосредственно сле 1 дует из известных зависимостей а-и" Л Рд, если учесть, что коэффициент усиления формирователя К м -, а максимальный2 1уровень его выходной мощности равен мощности бегущей волны в накопительном резонаторе,Цель изобретения - упрощение конструкции формирователя и расширение диапазона рабочих частот,Ожидаемый положительный эффект - повышение технологичности изготовления и настройки формирователя, повышениевием управляющих сигналов срабатывает разрядник 4. При этом разрядный промежуток закорачивэется по оси плазменным ка. налом. Это приводит к изменению фазы волны, излученной из промежутка в нагруз ку йа 180 и, следовательно, к ее синфаэности с волной, излученной в нагрузку из накопительного резонатора 1, Таким образом резонатор "открывается" и запасенная энергия поступает в нагрузку в виде импуль сэ СВЧ. После излучения энергии разрядник 4 отключается, промежуток 3 размыкается и формирователь переключа-. ется в режим накопления.Упрощение конструкции формировате-,55ля, по сравнению с прототипом, состоит" в устранении бокового плеча устройства, что позволяет исключить технологически неудобную операцию монтажа этого плеча"и Общая длина накопительного резонатоЬ,Лра = 1+ - (2 п+1) , диаметр внешнегоЗЛпроводника О - , диаметры д и Ьвнутреннего проводника первого и второго отрезков коаксиальной линии, соответственно, связаны соотношением ЬКов 0)б,1 о в -1 где кап и фЪ(п) гп-й и (в)-й корни функции Бесселя Цх) и ее производной)о (х), а ширйна разрядного промежутка Ь удовлетворяет условиям и -, 26=О-Ь.ЛФиг.2 иллюстрирует синфазность колебаний в накопительном резонаторе 1 и разрядном промежутке 3, а также противофазность излучаемых иэ них в йэгрузку волн в режиме накопления энергии.Формирователь работает следующимобразом.От источника энергии через элемент авода энергии в резонатор 1 поступает СВЧ- энергия. Элемент ввода энергии выполнентак, что в резонатор энергия поступает наволне ТЕМ, Размеры резонатора 1 и связанного с ним разрядного промежутка 3 выбраны таким образом, что в них возбуждаются ТЕМ ооп и Еопо виды колебаний соответственно. При этом, так как ширина разрядногопромежутка 1 и диаметры 0 и Ь выбраны удовлетворяющими условиям 26 - О- Ь = Листруктура полей в,накопительном резонаторе и разрядном промежутке в месте-их соединения противоположна, то в нагрузкуизлучаются противофазные волны с практически равными амплитудами. Поэтому потери СВЧ-энергии нэ излучение в нагрузку в режиме накопления отсутствуют. Послеокончания процесса накопления под дейст 5 1020253040 облегчает процесс настройки системы, Расширение диапазона рабочих частот формирователя обеспечивается увеличением отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии к рабочей длине волны и надлежащим выбором соотношений между ними. Повышение предельного уровня выходной мощности устройства связано с относительным увеличением площади поперечного сечения передающей части коаксиальной линии накопительного резонатора.П р и м е р. Для проверки работоспособности устройства был изготовлен и исследован формирователь СВЧ-импульсов 3-сантиметрового диапазона длин волн со следующими характерными размерами, Диаметр О внешнего проводника отрезков коаксиальной линии равнялся 56 мм, диаметр внутреннего проводника первого отрезка коаксиальной линии равнялся 16 мм, диаметр Ь внутреннего проводника второго отрезка 37,5 мм, разрядный промежуток размещался на расстоянии 340,5 мм от закоротки первого отрезка линии, ширина разрядного промежутка сбСтавлялэ 9 мм, диаметры д и Ь на расстоянии 85 мм от промекутка сопрягались" плавным коническим переходом длиной 45 мм,Возбуждение резонансной системы формирователя осуществлялось от магнетронного СВЧ-генератора с длительностью выходного импульса 1 мкс и мощностью в импульсе 100 кВт. При этом энергия в систему вводилась по волноводно-коаксиальному переходу через кольцевое отверстие связи в закоротке первого отрезка коаксиальной линии вокруг ее внутреннего про. водника,На частоте 9,33 ГГц в системе после ее настройки путем взаимного соосного перемещения внутренних проводников линии возбуждались следующие виды колебаний; в накопительном резонаторе ТЕМоор 2) и в разрядном промежутке - колебания вида Ео 22. Измеренная добротность системы составляла 0,8-0,9 10,.что в 2 раза ниже расчетной. Такое снижение добротности, по-видимому, связано с дополнительными потерями СВЧ-энергии нэ излучение в нагрузку из-за трансФормации рабочей волны в высшие типы волн на отклонениях формы коэксиала системы от йдеальной. Вместе с тем, полученное значение добротности говорит о достаточно эффективной работе разрядного промежутКа" коэквивалента закоротки второго отрезка коаксиальной линии при накопленииэнергии, так как расчетное значениемэксймэльного коэффиего коэффициента усиления в области более высоких рабочих частот, а также увеличение уровня выходной мощности.Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом формирователе (фиг.1), содержащем коаксиальный накопительный резонатор 1, выполненный на закороченном с одного конца первом отрезке (плече) коаксиальной линии, другой конец которого соосно соединен с вторым отрезком (плечом) коаксиальной линйи 2, нагруженным на согласованную нагрузку, содержащем коммутатор, который выполнен в виде разрядного промежутка 3, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии, а также содержащем разрядник 4 в разрядном промежутке 3, диаметр О внешнего проводника и диаметр внутреннего проводника второго отрезка коаксиальной линии выбраны согласно неравенствам где Л - длина волны, д - диаметр внутреннего проводника первого отрезка коаксиаль- НОЙ ЛИНИИ, Крв И Ро(Гп) ГЛ-Й И (ГП)-Й КОРНИ функции Бесселя Ях) и ее производной)о(х) соответственно, а ширина разрыва и выбрана из условия и = , 2 п=О- Л и он размещен на расстоянии= (2 п+1)- 2 от закороЛ иченного конца первого отрезка коаксиальной линии, где п 1 - целое число,Возможность такого исполнения работоспособного формирователя основана на следующем, При возбуждении накопительного резонатора 1 на ТЕМ волне в силу полной аксиальной симметрии устройства и в силу выбора диаметров О и Л удовлетворяющими условию Р- Л =2 Ь = Л во втором отрезке коаксиальной линии 2 возможно распространение только ТЕМ волны. При этом, так как расстояниеот закоротки первого отрезка коаксиальной линии до разрыва внутреннего проводника второго отрезка выбрано удовлетворяющим равенству 1=(2 п+1)- , а диаметры О, Л и ширина Ь удовлетворяющими соотношениям О - , Л=и 6"-" - 2 - , тоЗЛ Копз О Л,О - Ь 2Ъ гл - 1в накопительном резонаторе 1 и в разрядном промежутке 3 устанавливаются синфазные колебания вида ТЕМ ооп и Еопо, соответственно (так как соотношения для Ьи Ь соответствуют такому выбору диамет 50 короченном с одного конца первом отрезкекоаксиальной линии, содержит второй отрезок коаксиальной линии 2, коммутатор 3 в 55 устройства следующие. 10 15 20 25 30 35 40 45 ра и ширины разрядного промежутка, прикотором в промежутке в радиальном направлении от его оси укладывается нечетное число полувариантов поля Еовп видаколебаний), Волны, излучаемые в нагрузкуиз накопительного резонатора и разрядного промежутка, оказываются противофазными и практически равными по амплитуде,что связано соответственно, с противоположностью структур этих волн в области соединения накопительного резонатора иразрядного промежутка (фиг.2) и практическим равенством площадей поперечногосечения передающей части второго отрезкакоаксиальной линии и входа разрядногопромежутка, Излучение энергии в нагрузкув этом случае отсутствует, т,е. формирователь работает в режиме накопления.Для переключения формирователя в режим вывода энергии необходимо обеспечить синфазность излучаемых в нагрузкуволн, что легко может быть осуществленопутем быстрого изменения фазы волны, излучаемой из разрядного промежутка, на180 с помощью разрядника, располагаемого в стенке разрядного промежутка в местемаксимума Е-й составляющей ВЧ-поляЕоао вйда колебаний, и осуществляющегопри срабатывании перемыкание промежутка по его оси плазменным каналом.Существенным отличительным признаком предлагаемого формирователя от прототипа является его исполнение не по схеметройникового сочленения, а по проходной(двухплечевой) схеме без бокового плеча,что обеспечивает относительную простотуустройства и одновременное расширениедиапазона рабочих частот в область болеевысоких их значений (т.к, прототип работает2 Л 2при О+О - = - Л, а предлагаемый форми 7 г 3ЗЛ.рователь при О - ),2На фиг.1 представлен предлагаемыйформирователь; на фиг.2 - структура ВЧ-поля в резонансной системе формирователя при накоплении энергии. Формирователь содержит (фиг,1) накопительный резонатор 1, выполненный на завиде разрядного промежутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии и разрядник 4, расположенный в стенке промежутка на его оси. Соотношения характерных размеровциента усиления при такой добротности составляетдБ, что существенно выше, чем предельные значения К=.6-7 дБ для известного формирователя при его исполнении на рабочую частоту 9,33 ГГц,Вывод энергии осуществлялся при возникновении, после подсветки разрядником, самостоятельного СВЧ-разряда по оси разрядного промежутка, Разряд зажигался на воздухе при атмосферном давлении. После поджига разряда на выходе формирователя с помощью детектора и скоростного осциллографа фиксировался СВЧ-импульс с дли- тельностью 10 нс по уровню 0 5. Достигнутый коэффициент усиления ВЧ- мощности по сравнению с мощностью возбуждающего генератора составлял -11.5 дБ, что превышает расчетное значение К для формирователя - прототипа на этой же рабочей частоте на 4-5 дБ, Уровень выходной мощности достигал 1,2-1,3 МВт и превышал предельно допустимый уровень выходной мощности формирователя - прототипа с рабочей частотой 9,33 ГГц в 3-4 раза,Формула изобретения Формирователь СВЧ-импульсов, содержащий накопительный резонатор, выполненный на закороченном с одного конца первой отрезке коаксиальной линии, другой конец которого соосно соединен с вторым отрезком коаксиальной линии, коммутатор, который выполнен в виде разрядного про межутка, образованного разрывом во внутреннем проводнике второго отрезка коаксиальной линии, и разрядник, о т л и ч аю щ и й с я тем.что, с целью упрощения конструкции и расширения диапазона рабо чих частот, диаметр О внешнего проводникаи диаметр Л внутреннего проводника второго отрезка коаксиальной линии выбраны согласно неравенствамо а - 1где Х - длина волны;О - диаметр внутреннего проводника 20 первого отрезка коаксиальной линии;к и Ъ( ц - пз-й и (в)-й корни функции Бесселя Цх) и ее производной 3,(х) соответственно,ширина разрыва Ь выбрана из условия 25 Ь "Ю 2, 2 Ь=О- Л и он размещен на расстоянии 1 =(2 п+1) А/4- - от закороченного концай2первого отрезка коаксиальной линии, где п 1 - целое число.30-ого Составитель С.Артеменкоедактор В,Бугренкова Техред М.Моргентал Корре Тираж .Подписноедарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комб Заказ 309 ВНИИ