RU140527U1 - Интерференционный переключатель резонансного свч компрессора - Google Patents

Abstract

Интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора, содержащий Т-образный Н-тройник из прямоугольного волновода с одним 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 стенки волновода, параллельные трубке, выполнены свехразмерными величиной b, удовлетворяющей неравенству λ<b, где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве.

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.

Известны интерференционные переключатели резонансного СВЧ компрессора, содержащие Т-образный Н-тройник из стандартного одномодового прямоугольного волновода с короткозамкнутым полуволновым прямым либо боковым 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 200 Вт.

Известны также аналогичные переключатели на основе Т-образного Н - тройника из круглого двумодового волновода, по которому кроме рабочей Нц 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.

В [Артеменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ энергии из крупногабаритных осесимметричных 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.

По технической сущности к предлагаемому устройству наиболее близок переключатель, представленный в [D.L.Birx, D.IScalapino., 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 Н-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.

Задачей полезной модели является повышение рабочей мощности переключателя с сохранением на выходе компрессора основной рабочей моды прямоугольного волновода.

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 моды основной моды прямоугольного волновода. Этот результат обусловлен сохранением прямоугольной геометрии волновода переключателя.

Указанный результат достигается тем, что в интерференционном СВЧ переключателе, как и в прототипе, содержащем Т-образный Н-тройник из прямоугольного волновода с одним 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, стенки волновода, параллельные трубке, выполнены свехразмерными величиной b, удовлетворяющей неравенствам

λ<b<10λ,

где: λ - длина рабочей волны в свободном пространстве.

Это обеспечивает увеличение площади сечения переключателя и, соответственно, увеличение рабочей мощности переключателя. Кроме того, указанный результат достигается тем, что диэлектрическая трубка располагается параллельно сверхразмерной стенке волновода переключателя. Сохранение на выходе устройства основной моды прямоугольного волновода достигается сохранением геометрии переключателя подобной геометрии переключателя на основе Н-тройника из одномодового прямоугольного волновода. Это позволяет легко осуществлять прямое и обратное преобразование H₀₁ и Н₁₀ рабочих мод устройства.

На Фиг.1, 2 изображен предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора. Переключатель представляет собой Т-образный Н-тройник 1 из прямоугольного волновода со стенкой а одномодового волновода и стенкой 2, увеличенной до сверхразмерной величины b, с короткозамкнутым боковым плечом 3 и СВЧ коммутатором 4, расположенным в этом плече на расстоянии, равном четверти длины волны в волноводе λ_в/4 от короткозамыкателя, в плоскости симметрии плеча, параллельной сверхразмерной стенке 2-b, с разрядником подсветки 5 и газоразрядной трубкой 6, параллельной сверхразмерной стенке 2 волновода.

Устройство работает следующим образом. На вход подается сформированная специальным образом рабочая волна H₀₁ т.е. волна с вектором электрического поля параллельным сверхразмерной стенке 2-b волновода тройника, не являющаяся основной волной волновода. Волна делится тройником 1 на волну, отраженную от тройника, волну, поступающую в боковое плечо 3, и волну, следующую к выходу переключателя. Волна, поступающая в боковое плечо, отражается от короткозамыкателя 4, возвращается к тройнику 1 и делится тройником на две волны, идущие к входу и выходу. В силу выбора длины короткозамкнутого плеча полуволновой и в силу известных свойств Т-образного Н-тройника, а также при условии изготовления устройства с практически правильной геометрией, т.е. не формирующей сильную межмодовую связь, 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 волна, поступающая на вход переключателя, в режиме «закрыто» полностью отражается от тройника. 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 Н-тройника из стандартного прямоугольного волновода.

После подачи на разрядник подсветки 5 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 и резонатор. 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 короткозамкнутого плеча тройника, являющегося низкодобротным резонатором в силу несогласованности тройника со стороны бокового плеча для рабочей моды. Так как время пробега рабочей волны вдоль плеча выбрано малым по сравнению с временем пробега вдоль резонатора, то в масштабе этого времени, после развития плазмы, фаза волны, подводимой к плечу, быстро меняется на 180°. Это приводит к синфазному сложению волн, излучаемых из входного и бокового 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 энергии повторяется.

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 Н-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 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.

Повышение коммутируемой мощности достигается за счет увеличения площади сечения переключателя. Оценочно максимальное увеличение определяется следующими двумя ограничениями. Первое связано с ограничением времени пробега волны вдоль сторон бокового плеча. Если Т - время двойного пробега волны вдоль накопительного резонатора СВЧ компрессора, а допустимое время пробега вдоль плеча, которое должно быть много меньше Т, составляет ~0.1Т, 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 S_max≈0.2La. Отсюда получаем, что, например, в 3-см диапазоне длин волн для волновода с а=2.3 см площадь S_max≈0.46L см, а в 10-см диапазоне 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.

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, а - 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/а)^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.

Второе ограничение связано с тем, что объема 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 1 меняется на величину, определяемую соотношением δf/f≈-3771³E²/360Vlg(21/r) [Штейншлейгер В.Б. Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах. Гос. Издат-во Оборон. Пром. М. 1955, С.113], где Е - напряженность электрического поля в месте плазменного канала, выраженная в единицах нормирования поля на объем резонатора V, r - радиус канала. Если положить, что n полос пропускания достаточно для инверсии фазы, то из соотношения для изменения частоты получаем выражение для величины b_max≈3771³QE²/360naλlg(21/r), где Q - добротность бокового плеча. Кроме того, плазменный канал должен появиться за время порядка 0.1Т. Поэтому окончательно для предельной величины сверхразмерной стенки получаем b_max≈3.77(0.02L)²QE²/28.8nalg(21/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.

Таким образом, предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора обеспечивает повышение уровня коммутируемой или рабочей мощности переключателя. Кроме того, вывод энергии через предлагаемый переключатель осуществляется практически только на основной волне прямоугольного волновода.

Работоспособность и преимущество предлагаемого устройства проверено на макете компрессора 3-см диапазона длин волн с переключателем в виде Н-тройника из сверхразмерного прямоугольного волновода сечением 58×25 мм², не превышающим допустимое оценочное его значение. Рабочей волной резонатора и переключателя являлась волна Н₀₁. Вектор электрического поля этой волны параллелен сверхразмерной стенке волновода резонатора и переключателя и не зависит от координаты этой стенки. В продольном сечении переключатель идентичен одномодовому тройнику из стандартного прямоугольного волновода, с тем лишь отличием, что стенка волновода переключателя, ортогональная вектору электрического поля, имела величину 25 мм вместо 23 мм.

При достаточно правильной геометрии переключателя и чистой волне H₀₁ устройство должно работать идентично обычному одномодовому переключателю, поскольку физические причины, препятствующие этому, отсутствуют. Это было подтверждено результатами измерения переходного ослабления устройства. В состоянии «закрыто» его ослабление практически совпало с ослаблением обычного тройника и составило ~41 дБ. При измерении на входе и выходе переключателя ставились плавные рупорные переходы с сечения 23×010 мм² на 58×25 мм². Переходы согласовывали сверхразмерный и одномодовый волноводы и осуществляли взаимное преобразование H₁₀ и H₀₁ волн.

Экспериментально подтвердилось и практически полное открывание переключателя при имитации плазменного канала разряда введением в короткозамкнутое боковое плечо тонкой медной проволоки в месте максимума электрического поля рабочей волны. 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 5 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 ~150 МГц. Такое поведение ослабления в состоянии «открыто» говорит о том, что в сверхразмерном переключателе короткозамкнутое плечо является низкодобротным резонатором с оценочной добротностью порядка несколько сот единиц.

Энергия в исследованном макете компрессора накапливалась в объеме из прямоугольного волновода сечением 72×34 мм² и длиной 356 мм. Возбуждение рабочей волны осуществлялось через несколько щелевидных окон связи, равномерно расположенных на входной стенке резонатора в максимуме магнитного поля. Накопительный объем работал на виде колебаний H₀₁₍₁₉₎ на частоте 9000 МГц. Через плавный согласующий переход с сечения резонатора на сечение 58×25 мм² объем сопрягался с входным плечом тройника переключателя. Переход имел длину 88 мм и работал на виде колебаний Н₀₁₍₄₎. Входное плечо переключателя длиной 64 мм возбуждалось на колебаниях вида Н₀₁₍₃₎. Вся резонансная система работала на виде Н₀₁₍₂₆₎.

Выбору рабочей частоты предшествовал выбор оптимальной длины резонатора, т.к. переходное ослабление переключателя, связанного с накопительным объемом, оказалось чувствительным к локальному спектру. Это проявлялось в том, что добротность резонатора зависела от настройки, содержание которой сводилось к варьированию длины резонатора и выбору такой ее величины, при которой добротность в режиме накопления максимальна и связь с выходом слабая. Для обеспечения такой связи кроме подбора длины резонатора потребовалось определенное изменение конфигурации поля в области сочленения тройника. Изменение осуществлялось введением в область ориентированной определенным образом диэлектрической трубки диаметром 5 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной ~20 мм. При этом максимальное значение добротности системы составило 1.8×10⁴, что практически совпадает с добротностью резонатора с короткозамыкателем вместо переключателя. Расчетное время двойного пробега рабочей волны вдоль системы равнялось 4нс. При таком значении добротности, времени двойного пробега и рабочей частоты расчетный коэффициент усиления составляет ~19дБ.

В качестве источника входных импульсов компрессора использовался магнетронный генератор мощностью до 150 кВт при длительности импульсов ~1 мкс. При коммутации в смеси воздуха с аргоном при атмосферном давлении было достигнуто усиление ~15 дБ при длительности импульсов ~3.5 нс по уровню - 3 дБ. Таким образом, мощность выходных импульсов достигала 4.5 МВт. Вывод энергии шел практически идентично выводу из одномодового резонатора через одномодовый тройник, но мощность импульсов была более чем в три раза выше. Это обеспечивалось возможностью повышения мощности входных импульсов с 50 кВт для компрессора с одномодовым переключателем до 150 кВт для компрессора со сверхразмерным переключателем. Коммутация режимов накопления и вывода осуществлялось с использованием подсветки разрядного промежутка СВЧ коммутатора искрой электрического разряда или лазером в кварцевой трубке.

Полученные результаты позволяют предположить, что применение в исследованном компрессоре входных импульсов мощностью ~1 МВт может обеспечить получение наносекундных СВЧ импульсов мощностью ~30 МВт, что на порядок выше мощности компрессоров с обычным одномодовым переключателем. Увеличение площади сечения переключателя до предельной величины может позволить повысить мощность формируемых импульсов до уровня порядка 100 МВт при пропорциональном повышении мощности входных импульсов. При этом выходной рабочей волной переключателя будет основная рабочая волна одномодового прямоугольного волновода.

Таким образом, предлагаемый переключатель позволяет повысить рабочую мощность переключателя при сохранении на выходе основной рабочей волны прямоугольного волновода.

Claims (1)

1. Интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора, содержащий Т-образный Н-тройник из прямоугольного волновода с одним 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 стенки волновода, параллельные трубке, выполнены свехразмерными величиной b, удовлетворяющей неравенству λ<b, где λ - длина рабочей волны в свободном пространстве.

   

Images