RU137158U1

RU137158U1 - INTERFERENCE SWITCH OF RESONANT MICROWAVE COMPRESSOR

Info

Publication number: RU137158U1
Application number: RU2013129180/08U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Артёменко; Андрей Юрьевич Арбузов
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2014-01-27

Abstract

Интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора, содержащий Т-образный Н-тройник с полуволновым короткозамкнутым плечом и СВЧ коммутатором тригатронного типа с диэлектрической трубкой, расположенной в этом плече на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя, отличающийся тем, что входное и выходное прямое плечо Т-образного Н-тройника переключателя выполнено в виде пакета из N одномодовых стандартных прямоугольных волноводов с узкой стенкой b, прилегающих друг к другу широкой стенкой a, N удовлетворяет условиюλ/b<Ν<0,2L/b,где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве,L - длина сверхразмерного накопительного резонатора, удовлетворяющая неравенствам 5λ<L<50λ, а короткозамкнутое полуволновое боковое плечо тройников выполнено в виде отрезка сверхразмерного прямоугольного волновода со стенкой, ортогональной диэлектрической трубке СВЧ коммутатора, равной размеру а широкой стенки одномодового стандартного прямоугольного волновода, и сверхразмерной стенкой, параллельной диэлектрической трубке и равной N(b+2d), где d - толщина стенки одномодового волновода.An interference switch of a resonant microwave compressor containing a T-shaped H-tee with a half-wave short-circuited shoulder and a trigatron-type microwave switch with a dielectric tube located in this arm at a distance of 0.25 wavelength in the waveguide from the short-circuit, characterized in that the input and output direct the shoulder of the T-shaped H-tee of the switch is made in the form of a packet of N single-mode standard rectangular waveguides with a narrow wall b adjacent to each other by a wide wall a, N satisfies the condition juλ / b <Ν <0.2L / b, where λ is the length of the working wave in free space, L is the length of the oversize storage resonator satisfying the inequalities 5λ <L <50λ, and the short-circuited half-wave side arm of the tees is made in the form of a segment of an oversized rectangular waveguide with a wall orthogonal to the dielectric tube of the microwave switch equal to the size a of the wide wall of a single-mode standard rectangular waveguide, and an oversized wall parallel to the dielectric tube and equal to N (b + 2d), where d is the wall thickness of the single-mode olnovoda.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в резонансных СВЧ компрессорах в качестве устройства вывода энергии для формирования мощных СВЧ - импульсов наносекундной длительности.The utility model relates to the field of radio engineering and can be used in resonant microwave compressors as an energy output device for generating powerful microwave pulses of nanosecond duration.

Известны интерференционные переключатели резонансного СВЧ компрессора, содержащие Т-образный Н-тройник из стандартного прямоугольного волновода с короткозамкнутым полуволновым плечом и СВЧ коммутатором, расположенным в этом плече на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя [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; D.L. Birx, D.J. Scalapino., A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetic, 1979, V. MAG-15, №1, P.33-35], где λ_в - длина волны в волноводе. Коммутатор выполнен с газоразрядной диэлектрической трубкой либо без нее. Из-за ограниченной электрической прочности изолирующей среды и малой площади сечения волновода такой переключатель имеет относительно низкую рабочую мощность. Например, в 10-см диапазоне длин волн мощность не превышает 200МВт.Known interference switches of a resonant microwave compressor containing a T-shaped H-tee from a standard rectangular waveguide with a short-circuited half-wave arm and a microwave switch located in this arm at a distance of λ _in / 4 from the short circuit [R. Alvarez, D. Birke, D. Bern. , Lauer E., Scalapino D., Compression of microwave energy in time for use in charged particle accelerators. - Nuclear technology abroad, 1982, No. 11, S.36-39; DL Birx, DJ Scalapino., A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetic, 1979, V. MAG-15, No. 1, P.33-35], where λ _in - the wavelength in the waveguide. The switch is made with a gas discharge dielectric tube or without it. Due to the limited dielectric strength of the insulating medium and the small cross-sectional area of the waveguide, such a switch has a relatively low operating power. For example, in the 10 cm wavelength range, the power does not exceed 200 MW.

Известны также аналогичные переключатели на основе Т-образного H-тройника из круглого двумодового волновода, по которому кроме рабочей H₁₁ волны может распространяться E₀₁ волна, практически не влияющая на рабочие характеристики переключателя [RU №2328062, Бюл. №18, 2008; RU №2387055, Бюлл. №11, 2010]. Использование такого волновода позволяет более чем в 1,5 раза увеличить площадь сечения по сравнению с круглым одномодовым волноводом и более чем в 3 раза по сравнению со стандартным прямоугольным волноводом. Практически во столько же раз может быть увеличена рабочая мощность переключателя и компрессора. Вместе с тем, по тем же причинам, которые отмечены для переключателей из стандартного прямоугольного волновода, мощность таких устройств также ограничена.Similar switches based on a T-shaped H-tee from a circular two-mode waveguide are also known, along which in addition to the working H ₁₁ wave, the E ₀₁ wave can propagate, which practically does not affect the switch’s performance [RU No. 2328062, Bull. No. 18, 2008; RU No. 2387055, Bull. No. 11, 2010]. The use of such a waveguide makes it possible to increase the cross-sectional area by more than 1.5 times in comparison with a round single-mode waveguide and by more than 3 times in comparison with a standard rectangular waveguide. Almost the same number of times the operating power of the switch and compressor can be increased. However, for the same reasons that are noted for the switches from a standard rectangular waveguide, the power of such devices is also limited.

В [Артеменко CH., 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 устройств вывода из крупногабаритных аксиально-симметричных резонаторов предложено использовать интерференционный переключатель на основе многомодового коаксиального волновода с включенной в волновод радиальной линией. Переключение резонатора из режима накопления в режим вывода осуществляется СВЧ коммутатором, расположенным в линии. Рабочей волной является низшая магнитная либо электрическая аксиально-симметричная волна. Из-за большей площади сечения мощность таких переключателей может быть значительно выше мощности переключателей на основе тройников из прямоугольного либо круглого волновода. Однако аксиально-симметричные переключатели также имеют недостатки, связанные с тем, что волны, на которых идет накопление, могут трансформироваться в другие волны, излучаемые в нагрузку, что может привести к снижению коэффициента усиления компрессора. Кроме того, на выходе устройства такие переключатели требуют преобразования рабочей волны в удобный для применения основной тип волны прямоугольного волновода. Следствием трансформации рабочей волны в паразитные является сильная зависимость переходного ослабления переключателя в режиме накопления от степени идеальности геометрии резонатора и переключателя и нестабильность амплитуды выходного импульса. Следствием также являются дополнительные потери и необходимость применения в выходном тракте трансформатора типа волны.In [Artemenko CH., Kaminsky V.L., Yushkov Yu.G. The output of microwave energy from large axisymmetric resonators through an oversized coaxial line. ZhTF, 1993, T.63, No. 2, S.106-112] as an output device from large axially symmetric resonators it is proposed to use an interference switch based on a multimode coaxial waveguide with a radial line included in the waveguide. The resonator is switched from the accumulation mode to the output mode by a microwave switch located in the line. The working wave is the lowest magnetic or electric axially symmetric wave. Due to the larger cross-sectional area, the power of such switches can be significantly higher than the power of switches based on tees from a rectangular or circular waveguide. However, axially symmetric switches also have disadvantages due to the fact that the waves that are being accumulated can be transformed into other waves emitted into the load, which can lead to a decrease in the compressor gain. In addition, at the device output, such switches require the conversion of the working wave into the main wave type of a rectangular waveguide convenient for use. The result of the transformation of the working wave into spurious waves is a strong dependence of the transient attenuation of the switch in the accumulation mode on the degree of ideality of the cavity and switch geometry and the instability of the amplitude of the output pulse. The consequence is also additional losses and the need to use a wave type transformer in the output path.

По технической сущности к предлагаемому устройству наиболее близок переключатель, представленный в [D.L. Birx, D.J. Scalapino., A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetic, 1979, V. MAG-15, №1, P.33-35]. Он взят за прототип.Переключатель разработан на основе Т-образного H-тройника из одномодового прямоугольного волновода с расположенным в короткозамкнутом прямом плече СВЧ коммутатором тригатронного типа. Коммутатор содержит газоразрядную диэлектрическую трубку, установленную на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя, параллельно узким стенкам волновода, в которой локализуется плазма переключающего СВЧ разряда. Переключатель отличается высоким переходным ослаблением в режиме «закрыто», а также сохраняет основную рабочую моду на выходе компрессора, что обеспечивается использованием тройника из одномодового волновода. Вместе с тем, уровень рабочей мощности такого переключателя невысок и ограничен прочностью изолирующей среды и площадью сечения волновода.By technical nature, the switch closest to [D.L. Birx, D.J. Scalapino., A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetic, 1979, V. MAG-15, No. 1, P.33-35]. It is taken as a prototype. The switch is designed on the basis of a T-shaped H-tee from a single-mode rectangular waveguide with a trigatron type microwave switch located in the short-circuited direct arm. The switch contains a gas discharge dielectric tube installed at a distance of 0.25 wavelength in the waveguide from the short circuit, parallel to the narrow walls of the waveguide, in which the plasma of the switching microwave discharge is localized. The switch has a high transient attenuation in the "closed" mode, and also maintains the main operating mode at the compressor output, which is ensured by the use of a tee from a single-mode waveguide. However, the operating power level of such a switch is low and limited by the strength of the insulating medium and the cross-sectional area of the waveguide.

Задачей полезной модели является повышение рабочей мощности переключателя с сохранением основной моды прямоугольного волновода в качестве рабочей и расширением оперативных возможностей переключателя.The objective of the utility model is to increase the operating power of the switch while maintaining the main mode of the rectangular waveguide as a working mode and expanding the operational capabilities of the switch.

Технический результат разработки заключается в повышении рабочей мощности переключателя за счет увеличения площади сечения волноводной линии, из которой выполнен переключатель. Результат также заключается в сохранении основной моды прямоугольного волновода в качестве рабочей моды. Этот результат обусловлен выполнением волноводной линии входного и выходного плеча переключателя в виде пакета одномодовых стандартных прямоугольных волноводов, прилегающих друг к другу широкими стенками, а короткозамкнутого плеча - в виде сверхразмерного прямоугольного волновода с поперечным сечением, равным сечению входного (и/или выходного) плеча. Результат, заключающийся в расширение оперативных возможностей, обеспечивается выполнением входного и выходного плеча переключателя в виде пакета волноводов, что позволяет использовать для накопления энергии несколько резонаторов, питаемых от одного источника входных СВЧ импульсов.The technical result of the development is to increase the operating power of the switch by increasing the cross-sectional area of the waveguide line from which the switch is made. The result also consists in maintaining the main mode of the rectangular waveguide as a working mode. This result is due to the implementation of the waveguide line of the input and output arm of the switch in the form of a package of single-mode standard rectangular waveguides adjacent to each other by wide walls, and the short-circuited arm - in the form of an oversized rectangular waveguide with a cross section equal to the cross section of the input (and / or output) arm. The result, which is the expansion of operational capabilities, is provided by the implementation of the input and output arm of the switch in the form of a package of waveguides, which allows the use of several resonators powered by a single source of input microwave pulses for energy storage.

Указанный результат достигается тем, что в интерференционном переключателе резонансного СВЧ компрессора, как и в прототипе, содержащем Т-образный H-тройник с полуволновым короткозамкнутым плечом и СВЧ коммутатором тригатронного типа с диэлектрической трубкой, расположенной в этом плече на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя, в отличие от прототипа, входное и выходное прямое плечо Т-образного H-тройника выполнено в виде пакета из N одномодовых стандартных прямоугольных волноводов с узкой стенкой b, прилегающих друг к другу широкой стенкой a, где N удовлетворяет условиюThis result is achieved by the fact that in the interference switch of the resonant microwave compressor, as in the prototype, containing a T-shaped H-tee with a half-wave short-circuited arm and a microwave switch of the trigatron type with a dielectric tube located in this arm at a distance of 0.25 wavelength in the waveguide from the short circuit, unlike the prototype, the input and output straight arm of the T-shaped H-tee is made in the form of a package of N single-mode standard rectangular waveguides with a narrow wall b adjacent each other to a friend by a wide wall a , where N satisfies the condition

λ/b/<N<,2L/b,λ / b / <N <, 2L / b,

где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве,where λ is the length of the working wave in free space,

L - длина сверхразмерного накопительного резонатора, удовлетворяющая неравенствам 5λ<L<50λ, а короткозамкнутое полуволновое боковое плечо тройников выполнено в виде отрезка сверхразмерного прямоугольного волновода со стенкой, ортогональной диэлектрической трубке СВЧ коммутатора, равной размеру а широкой стенки одномодового стандартного прямоугольного волновода, и сверхразмерной стенкой, параллельной диэлектрической трубке и равной N(b+2d), где d - толщина стенки одномодового волновода.L is the length of the oversize storage resonator satisfying the inequalities 5λ <L <50λ, and the short-circuited half-wave lateral shoulder of the tees is made in the form of a segment of an oversized rectangular waveguide with a wall orthogonal to the dielectric tube of the microwave switch equal to the size of a wide wall of a single-mode standard rectangular waveguide and an oversize parallel to the dielectric tube and equal to N (b + 2d), where d is the wall thickness of the single-mode waveguide.

Выполнение входного и выходного плеча переключателя в виде пакета параллельных одномодовых волноводов, а бокового плеча сверхразмерным обеспечивает увеличение площади поперечного сечения переключателя и, соответственно, увеличение рабочей мощности. При идентичном поле на входах волноводов входного плеча переключателя такое выполнение обеспечивает сохранение основной моды прямоугольного волновода в качестве рабочей, поскольку по волноводам входного и выходного плеча может распространяться только основная мода, что способствует ее сохранению в выходном тракте устройства. Короткозамкнутое сверхразмерное плечо тройника выравнивает (усредняет) поле в одномодовых волноводах входного плеча переключателя, воздействуя через них на поле в накопительном резонаторе компрессора, улучшает структуру поля и обеспечивает синхронное открывание пакета волноводов. Сохранению на входе и выходе устройства основной моды прямоугольного волновода способствует сохранение геометрии переключателя, идентичной геометрии переключателя на основе H-тройника из одномодового прямоугольного волновода. Перечисленные особенности конфигурации переключателя позволяют осуществлять прямое и обратное преобразование рабочих мод накопительного резонатора, переключателя и выходного волноводного тракта не прибегая к специальным преобразователям мод.The implementation of the input and output arm of the switch in the form of a package of parallel single-mode waveguides, and the lateral arm is oversized provides an increase in the cross-sectional area of the switch and, accordingly, an increase in operating power. With an identical field at the inputs of the waveguides of the input arm of the switch, this embodiment ensures that the main mode of the rectangular waveguide is preserved as the working mode, since only the main mode can propagate along the waveguides of the input and output arms, which contributes to its conservation in the output path of the device. A short-circuited oversized tee arm aligns (averages) the field in single-mode waveguides of the input arm of the switch, acting through them on the field in the compressor storage resonator, improves the field structure and ensures simultaneous opening of the waveguide packet. Maintaining the main mode of a rectangular waveguide at the input and output of the device contributes to maintaining the switch geometry identical to the switch geometry based on an H-tee from a single-mode rectangular waveguide. The listed features of the switch configuration allow direct and inverse conversion of the working modes of the storage resonator, switch, and output waveguide path without resorting to special mode converters.

На Фиг.1-3 изображен предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора. Переключатель представляет собой Т-образный H-тройник 1, входное 1a и выходное 1b плечо которого выполнено в виде пакета из N параллельных одномодовых прямоугольных волноводов 2, прилегающих друг к другу широкими стенками a, а короткозамкнутое плечо 3 выполнено из сверхразмерного волновода с узкой стенкой a и широкой, равной N(b+2d). Переключатель содержит СВЧ коммутатор 4, расположенный в плоскости симметрии плеча, параллельной сверхразмерной стенке 6, на расстоянии, равном четверти длины волны в волноводе λ_в/4 от короткозамыкателя 5. СВЧ коммутатор 4 состоит из разрядника подсветки 7 и газоразрядной трубки 8, параллельной сверхразмерной стенке 6 волновода.Figure 1-3 shows the proposed interference switch resonant microwave compressor. The switch is a T-shaped H-tee 1, the input arm 1a and output 1b of which is made in the form of a packet of N parallel single-mode rectangular waveguides 2 adjacent to each other by wide walls a , and the short-circuited arm 3 is made of an oversized waveguide with a narrow wall a and wide equal to N (b + 2d). The switch contains a microwave switch 4 located in the plane of symmetry of the shoulder parallel to the oversize wall 6, at a distance equal to a quarter of the wavelength in the waveguide λ _in / 4 from the short circuit 5. The microwave switch 4 consists of a spark gap 7 and a gas discharge tube 8 parallel to the oversize wall 6 waveguides.

Устройство работает следующим образом. На вход подается сформированная рабочая мода H₀₁ сверхразмерного прямоугольного волновода, т.е. мода с вектором электрического поля, параллельным узким стенкам b одномодовых волноводов пакета. Эта мода не является основной, но по структуре практически идентична ей. Поэтому, поступая во входные плечи, легко преобразуется в основную моду каждого из волноводов пакета. Далее, в месте сочленения плеч волны этих мод делятся на волны, отраженные от тройника, волны, поступающие в короткозамкнутое плечо 3, и волны, следующие к выходу переключателя. Волна, поступающая в плечо 3, формируется синфазными H₀₁ волнами одномодовых входных плеч тройника и представляет собой волну H₀₁ моды. Отражаясь от короткозамыкателя 5, H₀₁ волна возвращается к месту сочленения плеч, претерпевает обратное преобразование и делится на волны моды Ню, идущие к входу и выходу переключателя. В силу выбора длины короткозамкнутого плеча полуволновой и в силу известных свойств Т-образного H-тройника волны, поступающие на выход устройства из бокового плеча 3 и со стороны входа переключателя, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ - энергии в нагрузку в режиме «закрыто». Волна, излучаемая из бокового плеча в сторону входа переключателя, синфазно суммируется с волной, отраженной от тройника. В результате волны, поступающие на вход переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражаются от тройника. Таким образом, при использовании H₀₁ волны в качестве рабочей волны накопительного резонатора предлагаемый переключатель в режиме «закрыто» работает как переключатель на основе Т-образного H-тройника из стандартного прямоугольного волновода.The device operates as follows. The generated working mode H _{01 of an} oversize rectangular waveguide, i.e. mode with an electric field vector parallel to narrow walls b of single-mode packet waveguides. This mode is not basic, but in structure it is almost identical to it. Therefore, entering the input arms, it is easily transformed into the main mode of each of the waveguides of the packet. Further, at the junction of the shoulders, the waves of these modes are divided into waves reflected from the tee, waves entering the short-circuited shoulder 3, and waves following to the output of the switch. The wave entering the arm 3 is formed by the in-phase H ₀₁ waves of the single-mode input arms of the tee and represents the H ₀₁ mode wave. Reflecting from short circuit 5, H _{01 the} wave returns to the place of articulation of the shoulders, undergoes the inverse transformation and is divided into Nu mode waves going to the input and output of the switch. Due to the choice of the length of the short-circuited shoulder of the half-wave and due to the known properties of the T-shaped H-tee, the waves coming to the output of the device from the side shoulder 3 and from the input side of the switch have the same amplitudes and opposite phases. Therefore, they compensate each other, and this eliminates the emission of microwave energy into the load in the "closed" mode. The wave emitted from the side shoulder towards the input of the switch is in phase summed with the wave reflected from the tee. As a result, the waves entering the input of the switch in the “closed” mode are completely reflected from the tee. Thus, when using the H ₀₁ wave as the operating wave of the storage resonator, the proposed switch in the “closed” mode operates as a switch based on a T-shaped H-tee from a standard rectangular waveguide.

После подачи на разрядник подсветки 7 импульса высокого напряжения искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка волновода, инициируя в промежутке свободные электроны и провоцируя развитие СВЧ разряда в электрически наиболее слабом месте - месте максимума электрического поля рабочей моды короткозамкнутого плеча 3. В этом месте расположена газоразрядная диэлектрическая трубка 8, заполненная менее прочным газом, чем газ, заполняющий остальной объем переключателя и резонатор. Поэтому разряд развивается в трубке, генерируя в ней плазму. Развиваясь в максимуме электрического поля, плазма разряда быстро меняет резонансную частоту короткозамкнутого плеча 3, являющегося низкодобротным резонатором в силу неидеального согласования тройника со стороны короткозамкнутого плеча 3. Так как размеры короткозамкнутого плеча выбраны малыми по сравнению с длиной накопительного резонатора, то время пробега волны рабочей моды H₀₁ вдоль плеча мало по сравнению с временем пробега вдоль резонатора. Поэтому в масштабе этого времени, фаза волны, подводимой к плечу, после развития плазмы быстро меняется на 180°. Это приводит к синфазному сложению волн, излучаемых из входных и короткозамкнутого плеча в нагрузку, и противофазному сложению волн, излучаемых в сторону входа. Таким образом, тройник открывается, и переключатель переходит в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. После этого цикл накопления и вывода повторяется.After a high-voltage pulse 7 is applied to the backlight spark gap, the discharge spark ultraviolet illuminates the discharge gap of the waveguide, initiating free electrons in the gap and provoking the development of the microwave discharge in the electrically weakest spot - the maximum point of the working field electric field of the short-circuited shoulder 3. At this point there is a gas-discharge dielectric a tube 8 filled with less durable gas than gas filling the rest of the volume of the switch and the resonator. Therefore, the discharge develops in the tube, generating plasma in it. Developing at the maximum of the electric field, the discharge plasma rapidly changes the resonant frequency of the short-circuited arm 3, which is a low-Q resonator due to imperfect matching of the tee from the side of the short-circuited arm 3. Since the dimensions of the short-circuited arm are chosen small compared to the length of the storage cavity, the travel time of the working mode wave H ₀₁ along the shoulder is small compared with the travel time along the cavity. Therefore, on the scale of this time, the phase of the wave supplied to the shoulder, after the development of the plasma, rapidly changes by 180 °. This leads to the in-phase addition of the waves emitted from the input and short-circuited arms to the load, and the antiphase addition of the waves emitted to the input side. Thus, the tee opens, and the switch goes into open mode, i.e. into the mode of wave passage through the switch without reflections. After this, the accumulation and withdrawal cycle is repeated.

Как и в прототипе, часть энергии (1-3 дБ) при переключении теряется в плазме. Кроме потерь в плазме в предлагаемом устройстве имеются потери, связанные с трансформацией рабочей моды в моды паразитные. Однако, т.к. в паразитные моды преобразование идет частичное, то связанные с преобразованием потери не имеют доминирующего значения.As in the prototype, part of the energy (1-3 dB) when switching is lost in the plasma. In addition to losses in the plasma in the proposed device, there are losses associated with the transformation of the working mode into spurious modes. However, since In parasitic modes, the conversion is partial, then the losses associated with the conversion are not dominant.

Влияние этих потерь можно оценить, сопоставив их с влиянием потерь в плазме. Согласно известному свойству H-тройника, при полном поглощении волны в боковом плече понижение усиления компрессора составляет 6 дБ. При уровне потерь 1 дБ понижение уменьшается до значения менее 2 дБ. Как показывают оценки, при плазменном канале длиной порядка полдлины волны и диаметром около 1 мм межмодовая связь рабочей моды, например, с родственной модой Ни, приводит к передаче от моды к моде не более 20% энергии. Поэтому потери на преобразование не превысят 2 дБ. Более того, т.к. условия для паразитных мод создаются нерезонансные, то преобразование будет еще слабее. Таким образом, потери в плазме и на трансформации могут понизить усиление на 3-4 дБ.The effect of these losses can be estimated by comparing them with the effect of losses in the plasma. According to the well-known property of the H-tee, when the wave is completely absorbed in the side arm, the compressor gain reduction is 6 dB. At a loss level of 1 dB, the reduction decreases to less than 2 dB. According to estimates, in a plasma channel with a wavelength of the order of half a wavelength and a diameter of about 1 mm, the intermode coupling of the working mode, for example, with the related Ni mode, transfers no more than 20% of the energy from mode to mode. Therefore, the conversion loss will not exceed 2 dB. Moreover, since the conditions for spurious modes are created non-resonant, then the conversion will be even weaker. Thus, plasma and transformation losses can reduce the gain by 3-4 dB.

Повышение коммутируемой мощности достигается за счет увеличения площади сечения переключателя. Оценочно максимальное увеличение определяется следующими двумя ограничениями.Increased switching power is achieved by increasing the cross-sectional area of the switch. The estimated maximum magnification is determined by the following two restrictions.

Первое связано с ограничением времени пробега волны вдоль сторон бокового плеча. Если T - время двойного пробега волны вдоль резонатора, а допустимое время пробега вдоль плеча, которое должно быть много меньше T, составляет ~0,1 T, то b_max≈0,1 Tvg≈0,2 Lcm, где v_g - групповая скорость волны. Поэтому с учетом того, что высота сверхразмерного волновода равна ширине а одномодового волновода, для площади сечения находим S_max≈0,2 La. Отсюда получаем, что, например, в 3-см диапазоне длин волн для волновода с a=2,3 см площадь S_max≈0,46 Lсм², а в 10-см диапазоне с a=7,2 см имеем S_max≈1,44 Lсм². Так для резонатора длиной около метра площадь составит около 0,2 L≈20(Ν≈20) площадей сечения одномодового волновода 3-см диапазона и около 0,06 L≈6(Ν≈6) площадей для волновода 10-см диапазона. Предельная максимальная длина резонатора задается его допустимым объемом. Согласно формуле Рэлея-Джинса в интервале частот Δf вблизи рабочей частоты f количество ΔN резонансов в резонаторе объемом V можно оценить из соотношения ΔN≈4πVΔf/λ³f [например, Л.А. Вайнштейн. Открытые резонаторы и открытые волноводы. «Советское радио», Москва. 1966. с.475]. Если принять, что предельная плотность спектра колебаний составляет не более одного резонанса на десять полос пропускания δf резонанса с типичной для сверхразмерного резонатора добротностью Q=f/δf, то соотношение для плотности спектра приобретает вид 1≈40πV/λ³Q. Далее, учитывая, что V~abL, a - длина широкой стенки стандартного прямоугольного волновода, b≤0,2 L получаем ограничение на длину резонатора в виде L<0,2λ(λQ/a)^1/2. Типичная величина добротности большинства колебаний сверхразмерных объемных резонаторов составляет значения Q~5×104. Поэтому для предельной максимальной длины получаем L~45λ(λ/a)^1/2~50λ. Минимальная длина L определяется верхним пределом величины сверхразмерной стенки b, т.е. для эффективной работы переключателя не должна быть меньше 5λ. Таким образом, длина резонатора должна удовлетворять неравенствам 5 λ<L<50λ.The first is related to the limitation of the travel time of the wave along the sides of the lateral shoulder. If T is the double travel time of the wave along the cavity, and the permissible travel time along the shoulder, which should be much less than T, is ~ 0.1 T, then b _max ≈0.1 Tvg≈0.2 Lcm, where v _g is the group wave speed. Therefore, taking into account the fact that the height of the oversized waveguide is equal to the width a of the single-mode waveguide, for the cross-sectional area we find S _max ≈0.2 L a . From this we obtain that, for example, in the 3-cm wavelength range for a waveguide with a = 2.3 cm, the area S _max ≈0.46 Lcm ² , and in the 10-cm range with a = 7.2 cm we have S _max ≈ 1.44 Lcm ² . So for a resonator about a meter long, the area will be about 0.2 L≈20 (Ν≈20) of the cross-sectional area of a single-mode waveguide of the 3 cm range and about 0.06 L≈6 (Ν≈6) of areas for the 10-cm waveguide. The maximum maximum length of the resonator is determined by its permissible volume. According to the Rayleigh-Jeans formula, in the frequency range Δf near the operating frequency f, the number ΔN of resonances in a resonator of volume V can be estimated from the relation ΔN≈4πVΔf / λ ³ f [for example, L.A. Weinstein. Open resonators and open waveguides. Soviet Radio, Moscow. 1966. p. 475]. If we assume that the maximum density of the vibrational spectrum is no more than one resonance per ten transmission bands of the δf resonance with a Q factor f = δ / δf typical of an oversized resonator, then the ratio for the spectrum density takes the form 1≈40πV / λ ³ Q. Further, considering that V ~ abL, a is the length of the wide wall of a standard rectangular waveguide, b≤0,2 L we get a restriction on the cavity length in the form L <0,2λ (λQ / a) ^1/2 . A typical figure of merit of most oscillations of oversized volume resonators is Q ~ 5 × 104. Therefore, for the maximum maximum length, we obtain L ~ 45λ (λ / a) ^1/2 ~ 50λ. The minimum length L is determined by the upper limit of the size of the oversized wall b, i.e. for effective operation of the switch should not be less than 5λ. Thus, the cavity length must satisfy the inequalities 5 λ <L <50λ.

Второе ограничение площади короткозамкнутого плеча связано с тем, что объема бокового плеча должен быть не более величины, при которой плазменный канал обеспечивает быстрое изменение собственной частоты плеча не менее чем несколько полос пропускания резонатора - плеча. В этом случае фаза отраженной от плеча волны меняется практически на 180°. Собственная частота плеча при появлении канала длиной l меняется на величину, определяемую соотношением δf/f≈-377l³Ε²/360Vlg(2E/r, где E - напряженность электрического поля в месте плазменного канала V, r - радиус канала [Штейншлейгер В.Б. Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах. Гос. Издат-во Оборон. Пром. М.1955, С.113],. Если принять, что n полос пропускания достаточно для инверсии фазы, то из соотношения для изменения частоты получаем выражение для величины b_max≈377l³QE²/360naλlg(2l/r), где Q - добротность бокового плеча. Кроме того, плазменный канал должен появиться за время порядка 0,1 Т. Поэтому окончательно для предельной величины сверхразмерной стенки получаем b_max≈3,77(0,02L)²QE2/28.8nalg(2l/r). Расчеты показывают, что, например, при реальной добротности плеча Q ~ 300, числе полос пропускания n ~ 3, длине канала 1 ~ λ/2 и длине резонатора порядка 50 см размеры b_max, определенные по максимальному времени пробега и по изменению частоты, сопоставимы. Из приведенных оценок следует, что допустимое увеличение площади в 2-3 десятка раз в 3-см диапазоне длин волн и до 10 раз в 10-см диапазоне может обеспечить повышение мощности компрессоров 3-см диапазона до 100МВт и 10-см диапазона до 1 ГВт.The second limitation of the area of the short-circuited shoulder is due to the fact that the volume of the side shoulder should not be more than the value at which the plasma channel provides a quick change in the natural frequency of the shoulder not less than several passband resonator - shoulder. In this case, the phase of the wave reflected from the shoulder changes by almost 180 °. The natural frequency of the arm when a channel of length l appears is changed by the value determined by the ratio δf / f≈-377l ³ Ε ² / 360Vlg (2E / r, where E is the electric field strength in the place of the plasma channel V, r is the radius of the channel [Steinshleiger V. B. The phenomena of wave interaction in electromagnetic resonators, State Publishing House of Defense, Prom M.1955, p.113], If we assume that n passbands are sufficient for phase inversion, then from the relation for changing the frequency we obtain the expression for the quantity b _max ≈377l ³ QE ² / 360n a λlg (2l / r), where Q is the quality factor of the lateral shoulder. the first channel should appear in a time of the order of 0.1 T. Therefore, finally, for the limit value of the oversized wall, we obtain b _max ≈3.77 (0.02L) ² QE2 / 28.8n a log (2l / r). Calculations show that, for example , with a real Q factor of the arm Q ~ 300, the number of pass bands n ~ 3, the channel length 1 ~ λ / 2 and the cavity length of the order of 50 cm, the dimensions b _max determined by the maximum travel time and the frequency change are comparable. From the above estimates it follows that a permissible increase in the area of 2-3 dozen times in the 3-cm wavelength range and up to 10 times in the 10-cm range can increase the power of compressors of the 3-cm range to 100 MW and 10-cm range to 1 GW .

Примеры конкретного выполнения. Исследования переключателя выполнены в два этапа. На первом этапе переключатель изучен как устройство вывода из пачки одномодовых резонаторов. Исследование проведено с целью выяснения условий, при которых переключатель работает наиболее эффективно. На втором этапе оптимизированный переключатель использован как устройство вывода из сверхразмерного резонатора.Examples of specific performance. Switch studies are performed in two stages. At the first stage, the switch was studied as an output device from a stack of single-mode resonators. The study was conducted to determine the conditions under which the switch works most efficiently. At the second stage, the optimized switch is used as an output device from an oversize resonator.

Первоначально переключатель был выполнен из пяти идентичных H-тройников 3-см диапазона длин волн из волновода сечением 23×10 мм². Выбор количества тройников обусловлен размерами плавного перехода с выходным сечением 58×25 мм², использованного в экспериментах по выводу энергии из сверхразмерного резонатора.Initially, the switch was made of five identical H-tees of a 3-cm wavelength range from a waveguide with a cross section of 23 × 10 mm ² . The choice of the number of tees is due to the size of the smooth transition with an output cross section of 58 × 25 mm ² used in experiments on the removal of energy from an oversize resonator.

Коммутирующими были полуволновые короткозамкнутые боковые плечи. В плечах на расстоянии 0,25 длины волны в волноводе от короткозамыкателя в месте максимума электрического поля параллельно силовым линиям располагалась газоразрядная кварцевая трубка. Через нее в разрядные промежутки подавался газ - аргон либо азот под атмосферным давлением. Подсветка промежутков осуществлялась с торца трубки искрой электрического разряда. В процессе исследований конфигурация боковых плеч варьировалась от плеч, которые были полностью изолированы, до плеч, сильно связанных, вплоть до замены секцией сверхразмерного волновода сечением 58×23 мм².Commuting were half-wave short-circuited lateral shoulders. In the shoulders at a distance of 0.25 wavelength in the waveguide from the short circuit at the peak of the electric field, a gas discharge quartz tube was located parallel to the force lines. Through it, gas - argon or nitrogen was supplied to the discharge gaps under atmospheric pressure. The gaps were illuminated from the end of the tube by a spark of an electric discharge. During the study, the configuration of the lateral shoulders varied from the shoulders, which were completely isolated, to the shoulders, which were strongly connected, until the section was replaced by an oversized waveguide with a cross section of 58 × 23 mm ² .

Система компрессии с пачкой из пяти одномодовых резонаторов 3-см диапазона длин волн также была изготовлена из волноводов сечением 23×10 мм². Волноводы располагались параллельно, были спаяны по широким стенкам и подсоединялись непосредственно к переключателю. Система работала на воздухе при атмосферном давлении. Ее возбуждение осуществлялось через одинаковые окна связи на торцовой стенке. Энергия подводилась на H₀₁ волне по рупорному переходу, который заканчивался пятью отрезками волновода сечением 23×10 мм². Рупор с отрезками на входах пакета формировал волны основной моды H₁₀. К выходу переключателя подсоединялся переход идентичный входному. Он осуществлял суммирование волн волноводов выходного плеча переключателя и обратное преобразование H₀₁ моды на выходе переключателя в моду H₁₀ выходного тракта.The compression system with a pack of five single-mode resonators of the 3 cm wavelength range was also made of waveguides with a cross section of 23 × 10 mm ² . The waveguides were located in parallel, were soldered along wide walls and connected directly to the switch. The system worked in air at atmospheric pressure. Its excitation was carried out through identical communication windows on the end wall. Energy was supplied to the H ₀₁ wave through a horn transition, which ended with five segments of the waveguide with a cross section of 23 × 10 mm ² . A horn with segments at the inputs of the packet formed the waves of the fundamental mode H ₁₀ . A transition identical to the input was connected to the output of the switch. He carried out the summation of the waves of the waveguides of the output arm of the switch and the inverse transformation of the H ₀₁ mode at the output of the switch into H ₁₀ mode of the output path.

В системе компрессии со сверхразмерным накопительным объемом с учетом результатов исследования вывода из одномодовых резонаторов в качестве устройства вывода использовался переключатель с короткозамкнутым плечом из сверхразмерного волновода сечением 58×23 мм². Подсветка разрядного промежутка осуществлялась также как и в системе с пачкой одномодовых резонаторов. Энергия накапливалась в резонаторе из прямоугольного волновода 10-см диапазона длин волн сечением 72×34 мм². Отрезок этого волновода сопрягался с плавным переходом с сечения 72×34 мм² на сечение волновода 58×25 мм². К выходу перехода подсоединялся переключатель, а к входу и выходу системы - рупорные переходы, осуществлявшие взаимное преобразование H₀₁ и H₁₀ волн.In the compression system with an oversize storage volume, taking into account the results of studying the output from single-mode resonators, a switch with a short-circuited shoulder from an oversized waveguide with a cross section of 58 × 23 mm ^{2 was} used as an output device. The discharge gap was illuminated as in a system with a pack of single-mode resonators. Energy was accumulated in the resonator from a rectangular waveguide of a 10-cm wavelength range with a cross section of 72 × 34 mm ² . A segment of this waveguide was associated with a smooth transition from a section of 72 × 34 mm ² to a section of a waveguide of 58 × 25 mm ² . A switch was connected to the transition output, and horn transitions that mutually transformed H ₀₁ and H ₁₀ waves were connected to the input and output of the system.

В качестве источника входных импульсов использовался импульсный магнетрон мощностью 50 кВт при длительности импульсов ~1 мкс и частоте следования до 50 Гц. Генератор высоковольтных импульсов разрядника подсветки обеспечивал формирование импульсов напряжения до 6 кВ.A 50 kW pulsed magnetron with a pulse duration of ~ 1 μs and a repetition rate of up to 50 Hz was used as a source of input pulses. The high-voltage pulse generator of the backlight discharger provided the formation of voltage pulses up to 6 kV.

В процессе работы с пачкой одномодовых резонаторов настроенная система работала на частоте f=9080 МГц на моде колебаний H₀₁₍₁₆₎ и имела собственную добротность Q₀≈7,8×10. Расчетное время двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора составляло 3,8 нс. Поэтому расчетный коэффициент усиления резонаторов, определяемый отношением Q₀/2πfT, равнялся 15,6 дБ. С учетом 2-3 дБ потерь при выводе ожидаемый коэффициент усиления компрессора составлял ~13 дБ.In the process of working with a pack of single-mode resonators, the tuned system worked at a frequency f = 9080 MHz in the oscillation mode H _{01 (16)} and had its own Q factor Q ₀ ≈7.8 × 10. The estimated double travel time of the working wave along the cavity was 3.8 ns. Therefore, the calculated resonator gain, determined by the ratio Q ₀ / 2πfT, was equal to 15.6 dB. Taking into account 2-3 dB of losses during output, the expected compressor gain was ~ 13 dB.

Исследования на высоком уровне мощности показали, что необходимым условием полной синхронизации вывода через пакет волноводов является сильная связь между коммутирующими плечами тройников. Связь формировалась разными способами - отверстием в стенках соседних коммутирующих плеч в месте прохождения газоразрядной трубки, щелью между торцами этих плеч и короткозамыкателем, а также заменой пакета плеч общим плечом в виде секции сверхразмерного волновода сечением 58×23 мм². При этом степень синхронизма росла по мере увеличения связи между плечами. Для пакета с несвязанными плечами характерна нестабильная картина вывода энергии с разбросом выходных импульсов системы во времени. Введение сильной связи между переключателями однозначно обеспечивает стабильный одновременный вывод энергии из пачки. Вывод в этом случае идет практически за время двойного пробега. При этом максимальное усиление получено при коммутации в аргоне. Коэффициент усиления составил 12дБ при длительности импульсов 3,2 нс и пиковой мощности 0,8МВт.Такой переключатель был использован для вывода энергии из сверхразмерного резонатора.Studies at a high power level have shown that a strong condition between the commutating arms of the tees is a necessary condition for complete synchronization of the output through the waveguide packet. The connection was formed in different ways - a hole in the walls of adjacent commuting arms at the gas discharge tube passage, a gap between the ends of these arms and a short circuit, and also replacing the arm pack with a common arm in the form of a section of an oversized waveguide with a cross section of 58 × 23 mm ² . At the same time, the degree of synchronism increased as the connection between the shoulders increased. An unstable arms package is characterized by an unstable picture of energy output with a spread of the output pulses of the system in time. The introduction of a strong connection between the switches uniquely ensures a stable simultaneous output of energy from the stack. The conclusion in this case is almost during the double run. In this case, the maximum gain is obtained when switching in argon. The gain was 12 dB for a pulse duration of 3.2 ns and a peak power of 0.8 MW. This switch was used to output energy from an oversize resonator.

При исследовании вывода из сверхразмерного резонатора основное внимание было уделено получению «чистого» рабочей моды колебаний, что необходимо для обеспечения требуемого значения переходного ослабления переключателя в режиме накопления. Поэтому были приняты меры для сохранения правильной геометрии системы и доминирующего возбуждения рабочей моды. Длина системы была выбрана такой, что на частоте 8850 МГц в полосе частот ±25 МГц находился только рабочая H₀₁₍₂₈₎ мода колебаний. Измеренная собственная добротность системы была близка к 2×10⁴. Расчетное время двойного пробега волны вдоль резонатора составило ~4 нс. Поэтому максимальный расчетный коэффициент усиления компрессора равнялся ~19,5 дБ. С учетом потерь при выводе ожидаемое усиление составило 16,5-17,5 дБ, что, фактически, и было получено в экспериментах при коммутации в аргоне (~16.5 дБ). При длительности формируемых импульсов 3,5нс их пиковая мощность достигала 2,2 МВт и ограничивалась мощностью источника входных СВЧ импульсов.In studying the output from the oversize resonator, the main attention was paid to obtaining a “pure” working mode of oscillations, which is necessary to ensure the required value of the transition attenuation of the switch in the accumulation mode. Therefore, measures were taken to maintain the correct geometry of the system and the dominant excitation of the working mode. The length of the system was chosen such that at the frequency of 8850 MHz in the frequency band ± 25 MHz there was only the operating H _{01 (28)} vibration mode. The measured intrinsic Q factor of the system was close to 2 × 10 ⁴ . The estimated time of the double mean free path along the resonator was ~ 4 ns. Therefore, the maximum calculated compressor gain was ~ 19.5 dB. Taking into account losses during output, the expected gain was 16.5-17.5 dB, which, in fact, was obtained in experiments with switching in argon (~ 16.5 dB). With a duration of 3.5 ns generated pulses, their peak power reached 2.2 MW and was limited by the power of the source of input microwave pulses.

Таким образом, продемонстрирована возможность эффективной работы предлагаемого интерференционного переключателя в качестве устройства вывода энергии резонансного СВЧ компрессора. Предлагаемый переключатель может позволить значительно повысить рабочую мощность компрессора при сохранении на выходе основной рабочей моды прямоугольного волновода. Кроме того, возможность распределения входных волноводов переключателя по разным накопительным резонаторам, питаемым от одного источника входных СВЧ импульсов, обеспечивает расширение оперативных возможностей переключателя.Thus, the possibility of the effective operation of the proposed interference switch as a device for energy output of a resonant microwave compressor has been demonstrated. The proposed switch can significantly increase the operating power of the compressor while maintaining the output of the main working mode of a rectangular waveguide. In addition, the ability to distribute the input waveguides of the switch across different storage resonators powered from a single source of input microwave pulses, provides an extension of the operational capabilities of the switch.

Claims

An interference switch of a resonant microwave compressor containing a T-shaped H-tee with a half-wave short-circuited shoulder and a trigatron-type microwave switch with a dielectric tube located in this arm at a distance of 0.25 wavelength in the waveguide from the short-circuit, characterized in that the input and output direct the shoulder of the T-shaped H-tee of the switch is made in the form of a packet of N single-mode standard rectangular waveguides with a narrow wall b adjacent to each other by a wide wall a, N satisfies the condition uw

λ / b <Ν <0.2L / b,

where λ is the length of the working wave in free space,

L is the length of the oversize storage resonator satisfying the inequalities 5λ <L <50λ, and the short-circuited half-wave lateral shoulder of the tees is made in the form of a segment of an oversized rectangular waveguide with a wall orthogonal to the dielectric tube of the microwave switch equal to the size of a wide wall of a single-mode standard rectangular waveguide and an oversize parallel to the dielectric tube and equal to N (b + 2d), where d is the wall thickness of the single-mode waveguide.