RU137159U1

RU137159U1 - INTERFERENCE SWITCH OF RESONANT MICROWAVE COMPRESSOR

Info

Publication number: RU137159U1
Application number: RU2013131869/08U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Артёменко; Владимир Андреевич Августинович; Станислав Андреевич Горев
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-01-27

Abstract

1. Интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора, содержащий волноводный мост из двух Т-образных Н-тройников с общим полуволновым боковым плечом и СВЧ коммутатором тригатронного типа с разрядником подсветки и диэлектрической трубкой, вмонтированной в это плечо ортогонально плоскости, в которой расположены тройники моста, в центре общего плеча при его длине, равной нечетному числу полуволн вдоль плеча, или на расстоянии λ/4 от центра этого плеча при четном числе полуволн, где λ- длина волны в общем плече, отличающийся тем, что мост выполнен из прямоугольного волновода, стенка которого, ортогональная трубке СВЧ коммутатора, равна широкой стенке размером а стандартного одномодового прямоугольного волновода, а стенка, параллельная трубке, выполнена сверхразмерной размером d, удовлетворяющим неравенствуλ<d<10λ,где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве.2. Интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора по п.1, отличающийся также тем, что прямые плечи тройников моста выполнены из N стандартных одномодовых прямоугольных волноводов, прижатых друг к другу широкими стенками с размером а и числом Ν, удовлетворяющим равенствуΝ≈[d/b],где b - размер узкой стенки стандартного прямоугольного волновода.1. An interference switch of a resonant microwave compressor, comprising a waveguide bridge of two T-shaped H-tees with a common half-wave side arm and a trigatron type microwave switch with a backlight discharger and a dielectric tube mounted in this arm orthogonally to the plane in which the bridge tees are located, in the center of the common shoulder with its length equal to an odd number of half-waves along the shoulder, or at a distance λ / 4 from the center of this shoulder with an even number of half-waves, where λ is the wavelength in the common shoulder, characterized in that the bridge is made of a rectangular waveguide whose wall orthogonal to the microwave switch tube is equal to a wide wall of size a of a standard single-mode rectangular waveguide, and the wall parallel to the tube is made with an oversize dimension d satisfying the inequality λ <d <10λ, where λ is the working wavelength in free space. 2. The interference switch of the resonant microwave compressor according to claim 1, characterized in that the straight shoulders of the bridge tees are made of N standard single-mode rectangular waveguides pressed against each other by wide walls with size a and number Ν satisfying Ν ≈ [d / b], where b is the size of the narrow wall of a standard rectangular waveguide.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использовано 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 the formation of powerful microwave pulses of nanosecond duration.

Известен интерференционный переключатель формирователя СВЧ импульсов (резонансного СВЧ компрессора) в виде волноводного моста, выполненного из стандартного одномодового прямоугольного волновода на основе двух T-образных H-тройников с общим боковым плечом [1. Новиков С.А., Разин С.В., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирователь СВЧ импульсов. Авторское свидетельство на изобретение SU №1302995 A1, H03K 12/00, 11.03.85]. Переключение устройства из режима накопления в режим вывода осуществляется СВЧ коммутатором, расположенным в общем плече моста на расстоянии 1/4 длины волны в волноводе от центра плеча. Вывод энергии одновременно через два окна выходной связи обеспечивает повышение коэффициента усиления формирователя. Однако такой переключатель имеет ограниченный уровень рабочей мощности из-за ограниченной площади сечения стандартного прямоугольного волновода и ограниченной электрической прочности изолирующей среды, заполняющей волновод.Known interference switch of the generator of microwave pulses (resonant microwave compressor) in the form of a waveguide bridge made of a standard single-mode rectangular waveguide based on two T-shaped H-tees with a common side shoulder [1. Novikov S.A., Razin S.V., Chumerin P.Yu., Yushkov Yu.G. SHF pulse generator. The copyright certificate for the invention SU No. 1302995 A1, H03K 12/00, 11.03.85]. The device is switched from the accumulation mode to the output mode by a microwave switch located in the common arm of the bridge at a distance of 1/4 of the wavelength in the waveguide from the center of the shoulder. The energy output simultaneously through two windows of the output connection provides an increase in the gain of the driver. However, such a switch has a limited level of operating power due to the limited cross-sectional area of a standard rectangular waveguide and the limited dielectric strength of the insulating medium filling the waveguide.

Известен также аналогичный переключатель из круглого волновода [2. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Новиков С.А. Резонансный СВЧ компрессор с выводом энергии через волноводный мост из круглого волновода. Известия ТПУ. 2010. Т. 316. №4. С. 82-84], который по сравнению с волноводом прямоугольным имеет большую площадь сечения и может обеспечить более высокий уровень рабочей мощности. Вместе с тем, интерференционный переключатели на основе H-тройников из круглого волновода также имеет ограниченную площадь сечения и, соответственно, ограниченный уровень рабочей мощности.Also known is a similar switch from a circular waveguide [2. Avgustinovich V.A., Artemenko S.N., Novikov S.A. Resonant microwave compressor with energy output through a waveguide bridge from a circular waveguide. News TPU. 2010. T. 316. No. 4. P. 82-84], which, compared with a rectangular waveguide, has a large cross-sectional area and can provide a higher level of operating power. At the same time, interference switches based on H-tees from a circular waveguide also have a limited cross-sectional area and, accordingly, a limited level of operating power.

Известен [3. RU №108218 H01P 1/14, Бюлл. №25, 2011] интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора, который также содержит волноводный мост из двух T-образных H-тройников из круглого волновода диаметром удовлетворяющим неравенствам λ/1,7<D<λ1/,03, где λ - длина волны в свободном пространстве, с общим полуволновым боковым плечом. В этом плече переключатель содержит СВЧ коммутатор тригатронного типа с разрядником подсветки, который включает в себя диэлектрическую трубку ортогональную плоскости расположения тройников. При этом в отличие от [2] часть общего бокового плеча изготовлена в виде съемного узла, состоящего из короткозамкнутого полуволнового отрезка круглого волновода диаметром D₁<λ/0,82, D₁>D с расположенным в этом отрезке СВЧ коммутатором, и двух плавных волноводных переходов. Переходы подсоединены к отрезку с двух его сторон и сопрягают этот отрезок с волноводом диаметром D боковых плеч каждого тройника. С целью расширения функциональных возможностей такой переключатель резонансного СВЧ компрессора может выполняться в двух вариантах. В первом варианте длина общего плеча равна четному числу полуволн. При этом отрезок волновода диаметром D₁ с СВЧ коммутатором смещен вдоль плеча на четверть длины волны в волноводе. Во втором варианте длина полуволнового бокового плеча равна нечетному числу вариант поля в резонаторе и отрезок волновода диаметром с СВЧ коммутатором расположен в центре плеча.Known [3. RU No. 108218 H01P 1/14, Bull. No. 25, 2011] an interference switch of a resonant microwave compressor, which also contains a waveguide bridge of two T-shaped H-tees from a circular waveguide with a diameter satisfying the inequalities λ / 1,7 <D <λ1 /, 03, where λ is the free wavelength space, with a common half-wave side shoulder. In this arm, the switch contains a trigatron-type microwave switch with a backlight arrester, which includes a dielectric tube orthogonal to the plane of the tees. Moreover, unlike [2], the part of the common lateral arm is made in the form of a removable assembly consisting of a short-circuited half-wave segment of a circular waveguide of diameter D ₁ <λ / 0.82, D ₁ > D with a microwave switch located in this segment, and two smooth waveguide transitions. The transitions are connected to the segment from its two sides and mate this segment with a waveguide with a diameter D of the lateral arms of each tee. In order to expand the functionality of such a switch resonant microwave compressor can be performed in two versions. In the first embodiment, the length of the common shoulder is equal to an even number of half-waves. In this case, a segment of a waveguide of diameter D ₁ with a microwave switch is shifted along the shoulder by a quarter of the wavelength in the waveguide. In the second embodiment, the length of the half-wave lateral arm is an odd number of field options in the resonator and a segment of a waveguide of diameter with a microwave switch is located in the center of the arm.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является переключатель [2. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Новиков С.А. Резонансный СВЧ компрессор с выводом энергии через волноводный мост из круглого волновода. Известия ТПУ. 2010. Т. 316. №4. С. 82-84], он взят за прототип, выполненный на основе моста из двух T-образных H-тройников из однородного круглого волновода диаметром О, удовлетворяющим неравенствам λ/1,7<D<λ/1,03, и с коммутирующей секцией в общем боковом плече тройников. В этом плече на расстоянии 1/4 длины волны в волноводе от центра общего плеча расположен СВЧ коммутатор. Уровень рабочей мощности такого переключателя ограничен прочностью изолирующей среды и предельной площадью сечения волновода, диаметр которого не может превышать величину, равную отношению λ/1,03. Ограничение диаметра волновода величиной D<λ/1,03, обусловлено тем, что при большем диаметре по волноводу кроме рабочей и E₀₁ волны может распространяться и волна H₂₁. Это приводит к снижению переходного ослабления тройника в режиме «закрыто» до недопустимо низкого уровня (<40 дБ). Кроме того, выходной волной переключателя является H₁₁ волна круглого волновода. Это требует применения на выходе компрессора специального трансформатора типа волны для преобразования волны H₁₁ в удобную для использования на практике основную волну H₁₀ прямоугольного волновода.The closest in technical essence to the proposed device is a switch [2. Avgustinovich V.A., Artemenko S.N., Novikov S.A. Resonant microwave compressor with energy output through a waveguide bridge from a circular waveguide. News TPU. 2010. T. 316. No. 4. P. 82-84], it is taken as a prototype made on the basis of a bridge of two T-shaped H-tees from a homogeneous circular waveguide of diameter O, satisfying the inequalities λ / 1.7 <D <λ / 1.03, and with commuting section in the common lateral shoulder of the tees. A microwave switch is located in this arm at a distance of 1/4 of the wavelength in the waveguide from the center of the common arm. The operating power level of such a switch is limited by the strength of the insulating medium and the limiting cross-sectional area of the waveguide, the diameter of which cannot exceed a value equal to the ratio λ / 1.03. The limitation of the waveguide diameter to D <λ / 1.03 is due to the fact that, with a larger diameter, the wave H ₂₁ can propagate along with the waveguide and E ₀₁ . This leads to a decrease in the transient attenuation of the tee in the “closed” mode to an unacceptably low level (<40 dB). In addition, the output wave of the switch is an H ₁₁ wave of a circular waveguide. This requires the use of a special wave type transformer at the compressor output to convert the H ₁₁ wave into a main wave H _{10 of a} rectangular waveguide that is convenient for use in practice.

Задачей полезной модели является повышение рабочей мощности переключателя и сохранение в качестве его рабочей волны основной волны прямоугольного волновода.The objective of the utility model is to increase the operating power of the switch and preserve the main wave of the rectangular waveguide as its working wave.

Технический результат разработки заключается в увеличении рабочей мощности устройства за счет увеличения площади поперечного сечения волновода, из которого изготовлен переключатель. Результат также заключается в сохранении на выходе переключателя в качестве рабочей волны основной волны прямоугольного волновода. Этот результат обусловлен сохранением прямоугольной геометрии волновода переключателя.The technical result of the development is to increase the operating power of the device by increasing the cross-sectional area of the waveguide from which the switch is made. The result also consists in maintaining the output of the switch as the working wave of the main wave of a rectangular waveguide. This result is due to the preservation of the rectangular geometry of the switch waveguide.

Указанный результат достигается тем, что в интерференционном СВЧ переключателе резонансного СВЧ компрессора, содержащем, как и прототип, волноводный мост из двух T-образных H-тройников с общим полуволновым боковым плечом и СВЧ коммутатором тригатронного типа с разрядником подсветки и диэлектрической трубкой, вмонтированной в это плечо ортогонально плоскости, в которой расположены тройники моста, в центре общего плеча при его длине, равной нечетному числу полуволн вдоль плеча, или на расстоянии λ_в/4 от центра этого плеча при четном числе полуволн, где λ_в - длина волны в общем плече, в отличие от прототипа, мост выполнен из прямоугольного волновода, стенка которого, ортогональная трубке СВЧ коммутатора, равна широкой стенке, размером а, стандартного одномодового прямоугольного волновода, а стенка, параллельная трубке, выполнена сверхразмерной размером d, удовлетворяющим неравенству λ<d<10λ,, где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве.This result is achieved by the fact that in the interference microwave switch of the resonant microwave compressor, containing, like the prototype, a waveguide bridge of two T-shaped H-tees with a common half-wave side arm and a trigatron microwave switch with a backlight discharger and a dielectric tube mounted in it the shoulder is orthogonal to the plane in which the tees of the bridge are located, in the center of the common shoulder with its length equal to an odd number of half-waves along the shoulder, or at a distance λ _in / 4 from the center of this shoulder with an even number half-waves, where λ _in is the wavelength in the common arm, unlike the prototype, the bridge is made of a rectangular waveguide, the wall of which, orthogonal to the microwave switch tube, is equal to a wide wall, size a , of a standard single-mode rectangular waveguide, and the wall parallel to the tube is made oversize dimension d satisfying the inequality λ <d <10λ, where λ is the length of the working wave in free space.

Целесообразно, прямые плечи тройников моста выполнять из N стандартных одномодовых прямоугольных волноводов, прижатых друг к другу широкими стенками с размером a, и числом N, удовлетворяющим равенству N≈[d/b], где b - размер узкой стенки стандартного прямоугольного волновода.It is advisable that the straight shoulders of the bridge tees be made of N standard single-mode rectangular waveguides pressed against each other by wide walls with size a and number N satisfying the equality N≈ [d / b], where b is the size of the narrow wall of a standard rectangular waveguide.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 изображены предлагаемые модели интерференционного переключателя резонансного СВЧ компрессора. Модели содержат волноводный мост в виде двух T-образных H-тройников 1 из сверхразмерного прямоугольного волновода с общим полуволновым боковым плечом 2. Они также содержат СВЧ коммутатор 3 с диэлектрической трубкой и разрядником подсветки 4, вмонтированный в общее плечо в меньшую стенку волновода, т.е. в стенку с размером a. В зависимости от фазового сдвига между волнами во входных плечах переключателя СВЧ коммутатор располагается в центре плеча либо на расстоянии четверти длины волны в волноводе от центра плеча. В одной модели входные и выходные плечи моста выполнены из прямоугольного сверхразмерного волновода, идентичного волноводу общего плеча. Во второй модели они выполняются в виде такого же волновода, но собранного из N стандартных прямоугольных волноводов, прижатых друг к другу широкими стенками, с числом волноводов N, определяемым равенством N≈[2,3b/a].In FIG. 1 and FIG. 2 shows the proposed models of the interference switch of the resonant microwave compressor. The models contain a waveguide bridge in the form of two T-shaped H-tees 1 from an oversized rectangular waveguide with a common half-wave side arm 2. They also contain a microwave switch 3 with a dielectric tube and a backlight arrester 4 mounted in a common arm in a smaller waveguide wall, t. e. into a wall with size a. Depending on the phase shift between the waves in the input arms of the microwave switch, the switch is located in the center of the arm or at a quarter of the wavelength in the waveguide from the center of the arm. In one model, the input and output shoulders of the bridge are made of a rectangular oversized waveguide identical to the common shoulder waveguide. In the second model, they are made in the form of the same waveguide, but assembled from N standard rectangular waveguides pressed against each other by wide walls, with the number of waveguides N determined by the equality N≈ [2,3b / a ].

Устройство работает следующим образом. На входы подается сформированная специальным образом рабочая волна H₀₁ т.е. волна с вектором электрического поля параллельным сверхразмерной стенке 2-b волновода моста, не являющаяся основной волной волновода. При этом в случае синфазных волн во входных плечах переключателя общее плечо моста выполняется полуволновой длины с нечетным числом полуволн вдоль плеча. При противофазных волнах плечо выполняется полуволновой длины с четным числом полуволн вдоль плеча. В таких устройствах рабочая волна делится тройниками 1 на волны, отраженные от тройников моста, волны, поступающие в общее боковое плечо 3, и волны, следующие к выходам переключателя. Волны, поступающие в общее плечо 3, проходят это плечо и возвращаются к сочленениям плеч тройников 1. Здесь они делятся тройниками на волны, идущие к входу и выходу. В силу выбора длины общего плеча 3 полуволновой и в силу известных свойств T-образных H-тройников, а также при условии изготовления устройства с практически правильной геометрией, т.е. не формирующей сильную межмодовую связь, волны, поступающие на выход устройства из общего 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 тройников. В результате волны, поступающие на вход переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражаются от тройников. Таким образом, при использовании H₀₁ волны в качестве рабочей и при условии сохранения правильной геометрии устройства предлагаемый переключатель в режиме «закрыто» работает как переключатель на основе моста, выполненного в виде двух H-тройников из стандартного прямоугольного волновода и общим боковым плечом. После подачи на разрядник подсветки 4 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 волны. В этом месте расположена газоразрядная диэлектрическая трубка, заполненная менее прочным газом, чем газ, заполняющий остальной объем переключателя. Поэтому разряд развивается в трубке, генерируя в ней плазму. Развиваясь в максимуме электрического поля, плазма разряда быстро и сильно, в масштабе полосы пропускания резонанса, меняет резонансную частоту общего бокового плеча тройников, являющегося низкодобротным резонатором в силу несогласованности тройников со стороны бокового плеча. Так как время пробега рабочей волны вдоль плеча обычно мало по сравнению с временем пробега вдоль накопительного резонатора СВЧ компрессора, то в масштабе этого времени, после развития плазмы, фаза волн, поступающих в общее плечо, быстро меняется на 180°. Это приводит к синфазному сложению волн, излучаемых из входных и боковых плеч в нагрузку, и противофазному сложению волн, излучаемых в сторону входа. Таким образом, тройники открываются, и переключатель переходит в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. После этого цикл накопления и вывода энергии повторяется.The device operates as follows. The working wave H ₀₁ formed in a special way, i.e. a wave with an electric field vector parallel to the oversized wall 2-b of the bridge waveguide, which is not the main waveguide wave. In the case of common-mode waves in the input arms of the switch, the common arm of the bridge is half-wavelength with an odd number of half-waves along the arm. In antiphase waves, the shoulder is half wavelength with an even number of half waves along the shoulder. In such devices, the working wave is divided by tees 1 into waves reflected from the bridge tees, waves entering the common lateral arm 3, and waves following to the switch outputs. The waves entering the common arm 3 pass this arm and return to the joints of the shoulders of the tees 1. Here they are divided by tees into the waves going to the input and output. Due to the choice of the length of the total arm 3 half-wave and due to the known properties of T-shaped H-tees, as well as subject to the manufacture of a device with almost the correct geometry, i.e. not forming a strong intermode coupling, the waves arriving at the output of the device from the common side shoulder 3 and from the input side of the switch have the same amplitudes and opposite phases. Therefore, they cancel each other, and this eliminates the emission of microwave energy into the load in the "closed" mode. The wave emitted from the side shoulder toward the input of the switch is in phase-summed with the wave reflected from the tees. As a result, the waves entering the input of the switch in the “closed” mode are completely reflected from the tees. Thus, when using the H ₀₁ wave as a working one and provided that the correct geometry of the device is maintained, the proposed switch in the “closed” mode works as a switch based on a bridge made in the form of two H-tees from a standard rectangular waveguide and a common lateral shoulder. After applying 4 high voltage pulses to the backlight spark gap, the discharge spark carries out ultraviolet illumination of the discharge gap of the waveguide, initiating free electrons in the gap and provoking the development of the microwave discharge in the electrically weakest place - the maximum point of the electric field of the working wave. At this point there is a gas discharge dielectric tube filled with a less durable gas than gas filling the rest of the volume of the switch. Therefore, the discharge develops in the tube, generating plasma in it. Developing at the maximum of the electric field, the discharge plasma quickly and strongly, in the scale of the resonance passband, changes the resonance frequency of the common lateral arm of the tees, which is a low-Q resonator due to the inconsistency of the tees on the side of the side arm. Since the travel time of the working wave along the shoulder is usually small compared with the travel time along the storage cavity of the microwave compressor, on the scale of this time, after the development of the plasma, the phase of the waves entering the common shoulder quickly changes by 180 °. This leads to the in-phase addition of waves emitted from the input and lateral arms to the load, and the out-of-phase addition of waves emitted to the input side. Thus, the tees open, and the switch goes into open mode, i.e. into the mode of wave passage through the switch without reflections. After this, the cycle of accumulation and removal of energy is repeated.

Как и в прототипе, часть мощности (1-3 дБ) теряется в плазме. Кроме потерь в плазме в предлагаемом устройстве имеют место 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. Влияние этих потерь можно оценить, сопоставив их с влиянием потерь в плазме. Согласно известному свойству H-тройников, максимальное понижение их коэффициента передачи, имеющее место при полном поглощении волны в боковом плече, составляет 6 дБ. Это максимальная величина возможного понижения усиления и мощности компрессора с таким переключателем. 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 H₁₁, 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. Потери в плазме и на трансформации могут понизить усиление на 3-4 дБ.As in the prototype, part of the power (1-3 dB) 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. 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 H-tees, the maximum decrease in their transfer coefficient, which occurs when the wave is completely absorbed in the side arm, is 6 dB. This is the maximum possible reduction in gain and compressor power with such a switch. 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 mode H ₁₁ , results in the transfer of 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. Losses in plasma and transformation can reduce the gain by 3-4 dB.

Повышение коммутируемой мощности достигается за счет увеличения площади сечения волновода, из которого выполнен переключатель. Оценочно максимальное увеличение определяется следующими двумя ограничениями.The increase in switching power is achieved by increasing the cross-sectional area of the waveguide from which the switch is made. The estimated maximum magnification is determined by the following two restrictions.

Первое ограничение связано с ограничением времени пробега волны вдоль сторон бокового плеча. Если T - время двойного пробега волны вдоль накопительного резонатора СВЧ компрессора, а допустимое время пробега вдоль плеча, которое должно быть много меньше T, составляет ~0,1 T, то b_max≈0,1Tv_g≈0,2L см, где v_g - групповая скорость волны. Поэтому с учетом того, что высота сверхразмерного волновода равна ширине a одномодового волновода, для площади сечения находим оценочную величину 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≈0,46L см², а в 10-см диапазоне с a=7,2 см имеем S_max≈1,44L см². Так для резонатора длиной около метра площадь составит около 0,2L≈20 площадей сечения одномодового волновода 3-см диапазона и около 0,06L≈6 площадей для волновода 10-см диапазона.The first limitation 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 storage cavity of the microwave compressor, and the admissible travel time along the shoulder, which should be much less than T, is ~ 0.1 T, then b _max ≈0.1Tv _g ≈0.2L cm, where v _g is the group velocity of the wave. 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 the estimated value S _max ≈0.2 L a . It follows that, for example, in the 3-cm wavelength range for a waveguide with a = 2.3 cm, the area S _max ≈0.46 L cm ² , and in the 10-cm range with a = 7.2 cm we have S _max ≈ 1.44 L cm ² . So, for a resonator about a meter long, the area will be about 0.2L≈20 cross-sectional areas for a single-mode waveguide of 3 cm range and about 0.06L≈6 areas for a 10-cm waveguide.

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, где a - длина широкой стенки стандартного прямоугольного волновода, b≤0,2L получаем ограничение на длину резонатора в виде L≤0,2λ(λQ/a)^1/2. Поскольку типичная величина добротности большинства колебаний сверхразмерных объемных резонаторов составляет значения Q~5×10⁴, то 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 5λ<L<50λ,. В принципе, переключатель способен работать и при меньшей длине резонатора, но эффективность работы переключателя по мере укорочения резонатора будет падать. Это связано с увеличением части накопленной энергии, идущей на переключение. Особенно сильно эффективность начинает падать при уменьшении длины резонатора до такой величины, при которой время двойного пробега становится меньше времени переключения. В этом случае за время двойного пробега волны вдоль резонатора коммутирующий разряд не успевает развиться. В диапазоне частот, в котором применение объемных накопительных резонаторов оправдано, время переключения составляет t_s~0,5-1,5 нс. Отсюда следует оценочная длина резонатора L₀≈t_sc/2~0,1 м, при которой резко падает усиление и КПД компрессора, где c - скорость света, L₀≤5λ.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, where a is the length of the wide wall of a standard rectangular waveguide, b≤0,2L we get a restriction on the cavity length in the form L≤0,2λ (λQ / a) ^1/2 . Since the typical figure of merit of most oscillations of oversized volume resonators is Q ~ 5 × 10 ⁴ , for the maximum maximum length we get 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 5λ <L <50λ ,. In principle, the switch is able to work even with a shorter cavity length, but the efficiency of the switch will decrease as the cavity shortens. This is due to an increase in the part of the stored energy that goes into switching. The efficiency begins to decrease especially strongly when the cavity length decreases to such a value that the double travel time becomes less than the switching time. In this case, during the double run of the wave along the resonator, the commuting discharge does not have time to develop. In the frequency range in which the use of volumetric storage resonators is justified, the switching time is t _s ~ 0.5-1.5 ns. This implies the estimated cavity length L ₀ ≈t _s c / 2 ~ 0.1 m, at which the gain and efficiency of the compressor drop sharply, where c is the speed of light, L ₀ ≤5λ.

Второе ограничение связано с тем, что объем бокового плеча должен быть не более величины, при которой плазменный канал быстро обеспечивает изменение собственной частоты плеча не менее чем в 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≈-377ℓ³E²/360Vlg(2ℓ/r) [Штейншлейгер В.Б. Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах. Гос. Издат-во Оборон. Пром. М. 1955, С. 113], где E - напряженность электрического поля в месте плазменного канала, выраженная в единицах нормирования поля на объем резонатора V, r - радиус канала. Если принять, что n полос пропускания достаточно для инверсии фазы, то из соотношения для изменения частоты получаем выражение для величины b_max≈377?³QE²/360naλlg(2ℓ/r), где Q - добротность бокового плеча. Кроме того, плазменный канал должен развиться 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~5, длине канала ℓ~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 100 МВт и 10-см диапазона до 1 ГВт.The second limitation is due to the fact that the volume of the lateral arm should not be more than the value at which the plasma channel quickly provides a change in the natural frequency of the arm not less than several bandwidths of the resonator - arm. In this case, the phase of the wave reflected from the shoulder changes by almost 180 °. The natural frequency of the arm with the appearance of a channel of length ℓ changes by an amount determined by the ratio δf / f≈-377ℓ ³ E ² / 360Vlg (2ℓ / r) [Shteinshleiger VB Phenomenon of the interaction of waves in electromagnetic resonators. Gos. Publishing House Defense. Prom. M. 1955, S. 113], where E is the electric field strength in the place of the plasma channel, expressed in units of normalizing the field per resonator volume V, r is the radius of the channel. 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 ≈377? ³ QE ² / 360naλlg (2ℓ / r), where Q is the quality factor of the lateral shoulder. In addition, the plasma channel should develop in a time of the order of 0.1 T. Therefore, finally, for the limiting value of the oversized wall, we obtain b _max ≈3.77 (0.02L) ² QE ² / 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 ~ 5, the channel length ℓ ~ λ / 2, and the cavity length of the order of 50 cm, the dimensions b _max determined by the maximum travel time and 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

Работоспособность и преимущество предлагаемого устройства проверены на макете переключателя 3-см диапазона длин волн в виде волноводного моста из двух H-тройников, изготовленных из сверхразмерного прямоугольного волновода сечением 58×25 мм², не превышающим оценочное допустимое его значение. Рабочей волной резонатора и переключателя являлась волна H₀₁. Вектор электрического поля этой волны параллелен сверхразмерной стенке волновода резонатора и переключателя и не зависит от координаты этой стенки. В продольном сечении переключатель идентичен мосту из одномодовых тройников, изготовленных из стандартного прямоугольного волновода, с тем лишь отличием, что стенка волновода переключателя, ортогональная вектору электрического поля, имела величину 25 мм вместо 23 мм. Длина общего бокового плеча тройников составляла 100 мм. Диэлектрическая (кварцевая) трубка СВЧ коммутатора была вмонтирована в узкую стенку волновода этого плеча, т.е. в стенку с размером 25 мм, на расстоянии 10 мм от центра плеча. Это расстояние соответствует четверти длины рабочей H₀₁ волны в волноводе. Трубка с толщиной стенки 1 мм имела наружный диаметр 6 мм и ориентировалась ортогонально узкой и параллельно сверхразмерной стенке волновода общего плеча.The performance and advantage of the proposed device were tested on a mock switch of a 3 cm wavelength range in the form of a waveguide bridge of two H-tees made of an oversized rectangular waveguide with a cross section of 58 × 25 mm ² not exceeding its estimated permissible value. The working wave of the resonator and switch was the wave H ₀₁ . The vector of the electric field of this wave is parallel to the oversized wall of the resonator and switch waveguides and does not depend on the coordinate of this wall. In longitudinal section, the switch is identical to the bridge of single-mode tees made of a standard rectangular waveguide, with the only difference being that the wall of the switch waveguide, orthogonal to the electric field vector, had a value of 25 mm instead of 23 mm. The total lateral shoulder length of the tees was 100 mm. The dielectric (quartz) tube of the microwave switch was mounted in a narrow wall of the waveguide of this arm, i.e. into a wall with a size of 25 mm, at a distance of 10 mm from the center of the shoulder. This distance corresponds to a quarter of the length of the working H ₀₁ wave in the waveguide. A tube with a wall thickness of 1 mm had an outer diameter of 6 mm and was oriented orthogonally narrow and parallel to the oversized wall of the waveguide of the common arm.

При достаточно правильной геометрии переключателя и чистой волне H₀₁ устройство должно работать идентично обычному одномодовому переключателю в виде волноводного моста из двух стандартных Н-тройников с общим боковым плечом, поскольку физические причины, препятствующие работе переключателя, в этом случае практически отсутствуют. Это подтверждено экспериментально при измерении его переходного ослабления в режиме «закрыто». На частоте 9480 МГц с длиной волны в волноводе 40 мм и числом вариант поля вдоль плеча, равным 6, переходное ослабление составило 41 дБ, что практически равно ослаблению моста из одномодового волновода или обычного тройника с короткозамкнутым плечом. Подвод СВЧ мощности к мосту с таким числом вариант осуществлялся через боковое плечо стандартного E-тройника, что обеспечивало противофазность волн во входных плечах. Прямые плечи E-тройника с подсоединенным к ним 90° волноводным поворотам в H-плоскости подключались к прямым входным плечам моста. Подключение осуществлялось через пирамидальные рупорные переходы с сечения 23×10 мм² на сечение 58×25 мм². Переходы согласовывали сверхразмерный и одномодовый волноводы и осуществляли взаимное преобразование H₁₀ и H₀₁ волн. Волноводный тракт, идентичный тракту входному, был организован и на выходе моста. К боковому плечу выходного E-тройника через прецизионный аттенюатор подключалась детекторная секция. Переходное затухание измерялось методом сравнения.With a sufficiently correct switch geometry and a clean H ₀₁ wave, the device should operate identically to a conventional single-mode switch in the form of a waveguide bridge from two standard H-tees with a common lateral shoulder, since there are practically no physical reasons that impede the operation of the switch. This is confirmed experimentally by measuring its transient attenuation in the "closed" mode. At a frequency of 9480 MHz with a wavelength in the waveguide of 40 mm and a field variant number along the shoulder of 6, the transient attenuation was 41 dB, which is almost equal to the attenuation of the bridge from a single-mode waveguide or a conventional short-circuited tee. The microwave power supply to the bridge with such a number was carried out through the lateral shoulder of a standard E-tee, which ensured the out-of-phase waves in the input arms. The straight shoulders of the E-tee with 90 ° waveguide turns in the H-plane connected to them were connected to the direct input shoulders of the bridge. Connection was made through pyramidal horn transitions from 23 × 10 mm ² to 58 × 25 mm ² . Transitions coordinated oversized and single-mode waveguides and carried out the mutual conversion of H ₁₀ and H ₀₁ waves. The waveguide path, identical to the inlet path, was also organized at the exit of the bridge. A detector section was connected to the lateral arm of the output E-tee through a precision attenuator. Transient attenuation was measured by comparison.

Подтверждено и свойство практически полного открывания моста с H₀₁ волной при незначительном изменении параметров общего бокового плеча тройников. Такой результат получен при имитации плазменного канала разряда введением в общее боковое плечо тонкой медной проволоки в месте максимума электрического поля рабочей волны (10 мм от центра бокового плеча, т.е. на расстоянии четверти длины рабочей волны в волноводе). Проволока диаметром 0,5 мм и длиной ~10 мм вводилась параллельно силовой линии электрического поля. Идентично отрезку проволоки действовал и диэлектрик в виде кварцевой трубки диаметром 6 мм и толщиной стенки 1 мм. Введение трубки до середины волновода, т.е. на глубину ~30 мм, полностью открывало тройник. Частота запирания при этом смещалась на ~100 МГц.The property of almost complete opening of the bridge with the H ₀₁ wave was confirmed with a slight change in the parameters of the common lateral shoulder of the tees. This result was obtained by simulating the plasma channel of the discharge by introducing a thin copper wire into the common lateral shoulder at the maximum electric field of the working wave (10 mm from the center of the side shoulder, i.e., at a quarter of the length of the working wave in the waveguide). A wire with a diameter of 0.5 mm and a length of ~ 10 mm was introduced parallel to the electric field line. The dielectric in the form of a quartz tube with a diameter of 6 mm and a wall thickness of 1 mm acted identically to the wire segment. Insertion of the tube to the middle of the waveguide, i.e. to a depth of ~ 30 mm, fully opened the tee. The locking frequency was shifted by ~ 100 MHz.

Таким образом, предлагаемый переключатель продемонстрировал характеристики, практически идентичные характеристикам аналогичного переключателя в виде волноводного H-тройника. Однако, поскольку предлагаемый переключатель имеет площадь сечения входных плеч, в два раза превышающую площадь сечения входного плеча переключателя в виде H-тройника, а условия в боковом плече мост и тройника идентичны, то при прочих равных условиях рабочая мощность предлагаемого переключателя будет в два раза выше. По сравнению с переключателем-прототипом, у которого предельный диаметр волновода определяется критическим диаметром для H₂₁ волны, составляющим около 1,57 см на частоте 9,48 ГГц, площадь сечения волновода предлагаемого переключателя практически также в два раза больше, чем у прототипа. При прочих равных условиях это обеспечит такое же превышение рабочей мощности переключателя. Более того, в приведенном примере исполнения предлагаемого переключателя сечение волновода не является предельным и может быть увеличено, тогда как для прототипа указанный выше диаметр волновода, а, следовательно, и площадь сечения является предельной.Thus, the proposed switch demonstrated characteristics that are almost identical to the characteristics of a similar switch in the form of a waveguide H-tee. However, since the proposed switch has a cross-sectional area of the input arms twice the cross-sectional area of the input arm of the switch in the form of an H-tee, and the conditions in the side arm of the bridge and the tee are identical, ceteris paribus, the working power of the proposed switch will be twice as high . Compared with the prototype switch, in which the maximum waveguide diameter is determined by the critical diameter for the H ₂₁ wave, which is about 1.57 cm at a frequency of 9.48 GHz, the waveguide cross-sectional area of the proposed switch is also almost twice as large as that of the prototype. Ceteris paribus, this will provide the same excess of the operating power of the switch. Moreover, in the above example of the proposed switch, the cross section of the waveguide is not limit and can be increased, while for the prototype the diameter of the waveguide indicated above, and, therefore, the cross-sectional area, is limit.

Сохранение основной волны прямоугольного волновода в качестве рабочей обеспечивается рабочей волной переключателя и геометрией волновода, из которого переключатель выполнен.Saving the main wave of a rectangular waveguide as a working one is ensured by the working wave of the switch and the geometry of the waveguide from which the switch is made.

Таким образом, предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора обеспечивает повышение уровня коммутируемой или рабочей мощности переключателя. По сравнению с прототипом повышение мощности может составлять не менее, чем в два раза, поскольку площадь сечения волновода исследованного переключателя может более чем в два раза превышать площадь сечения волновода прототипа. Кроме того, вывод энергии через предлагаемый переключатель осуществляется практически только на основной волне прямоугольного волновода.Thus, the proposed interference switch of the resonant microwave compressor provides an increase in the level of switched or operating power of the switch. Compared with the prototype, the increase in power can be no less than two times, since the cross-sectional area of the waveguide of the studied switch can more than double the cross-sectional area of the prototype waveguide. In addition, the energy output through the proposed switch is carried out almost exclusively on the main wave of a rectangular waveguide.

По оценкам, при достижимой плотности потока мощности в волноводе 5-10 MW/см², в 3-см диапазоне длин волн переключатель может позволить формировать наносекундные СВЧ импульсы мощностью ~0,1-0,2 ГВт. В 10-см диапазоне длин волн переключатель может обеспечить формирование таких же импульсов мощностью ~1-2 ГВт.According to estimates, at an achievable power flux density in the waveguide of 5-10 MW / cm ² , in the 3 cm wavelength range, the switch can allow the formation of nanosecond microwave pulses with a power of ~ 0.1-0.2 GW. In the 10 cm wavelength range, the switch can provide the formation of the same pulses with a power of ~ 1-2 GW.

Claims

1. An interference switch of a resonant microwave compressor, comprising a waveguide bridge of two T-shaped H-tees with a common half-wave side arm and a trigatron type microwave switch with a backlight discharger and a dielectric tube mounted in this arm orthogonally to the plane in which the bridge tees are located, in the center of the common shoulder with its length equal to an odd number of half waves along the shoulder, or at a distance λ _in / 4 from the center of this shoulder with an even number of half waves, where λ _in is the wavelength in the common shoulder, which differs m, that the bridge is made of a rectangular waveguide, the wall of which, orthogonal to the tube of the microwave switch, is equal to a wide wall of size a of a standard single-mode rectangular waveguide, and the wall parallel to the tube is made of an oversize dimension d satisfying the inequality

λ <d <10λ,

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

2. The interference switch of the resonant microwave compressor according to claim 1, characterized in that the straight shoulders of the bridge tees are made of N standard single-mode rectangular waveguides pressed against each other by wide walls with size a and number Ν satisfying the equality

Ν≈ [d / b],

where b is the size of the narrow wall of a standard rectangular waveguide.