RU140975U1

RU140975U1 - RESONANT MICROWAVE COMPRESSOR

Info

Publication number: RU140975U1
Application number: RU2013156172/08U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Артёменко; Владимир Андреевич Августинович
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-05-20

Abstract

Резонансный СВЧ компрессор, содержащий резонатор, накопительный объем которого выполнен из двух идентичных короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов, имеющих длину L=2nλ, где λ- длина волны в волноводе, n- целое число от 2 до ~10, расположенных в E-плоскости и ортогонально пересекающихся по центру, образуя крест, в месте пересечения отрезки объединены через окна связи, выполненные в цилиндрической стенке проходного резонатора в полное сечение волновода диаметром 2R≈a, где a - максимальный поперечный размер волновода секций, СВЧ коммутатор с газоразрядной трубкой, устройство ввода и устройство вывода энергии на основе Н-тройников, суммирующее устройство, подключенное к выходам устройства вывода, отличающийся тем, что резонатор имеет дополнительный накопительный объем, идентичный первому, объемы расположены соосно и плоскопараллельно по принципу зеркального отображения и их проходные резонаторы объединены в общий проходной резонатор длиной ℓ≈3a, газоразрядная трубка СВЧ коммутатора ориентирована под углом ±45° к волноводным отрезкам накопительных объемов и размещена в центре общего проходного резонатора посредине между объемами, а устройство ввода выполнено в виде двух волноводных секций, одним торцом и по одной подсоединенных к торцевым стенкам проходного резонатора, вторым торцом симметрично подключенных к прямым плечам входного делящего Н-тройника и стенки секций ориентированы под углом ±45° к волноводным отрезкам накопительных объемов, а выходы суммирующих устройств симметрично подсоединены к прямым плечам суммирующего выходного Н-тройника.A resonant microwave compressor containing a resonator, the storage volume of which is made of two identical short-circuited segments of rectangular waveguides having a length L = 2nλ, where λ is the wavelength in the waveguide, n is an integer from 2 to ~ 10, located in the E-plane and orthogonally intersecting in the center, forming a cross, at the intersection, the segments are combined through communication windows made in the cylindrical wall of the through resonator into a full section of the waveguide with a diameter of 2R≈a, where a is the maximum transverse sectional waveguide size, microwave commutator a torus with a gas discharge tube, an input device and an energy output device based on H-tees, a summing device connected to the outputs of the output device, characterized in that the resonator has an additional storage volume identical to the first, the volumes are aligned and plane parallel according to the mirror image principle and their pass-through resonators are combined into a common pass-through resonator длиной≈3a long, the gas discharge tube of the microwave switch is oriented at an angle of ± 45 ° to the waveguide segments of the storage volumes and on the center of the common passage cavity in the middle between the volumes, and the input device is made in the form of two waveguide sections, one end and one connected to the end walls of the passage resonator, the second end symmetrically connected to the straight shoulders of the input dividing H-tee and the walls of the sections are oriented at an angle ± 45 ° to the waveguide segments of the storage volumes, and the outputs of the summing devices are symmetrically connected to the straight shoulders of the summing output H-tee.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.The utility model relates to the field of radio engineering and can be used to form powerful microwave pulses of nanosecond duration.

Известен ряд оригинальных конструкций резонансных СВЧ компрессоров, работающих на основе накопления и быстрого вывода СВЧ энергии в резонансном объеме [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. Наиболее распространенными среди них являются компрессоры, накопительный объем которых выполнен из одномодового прямоугольного либо круглого волновода, а устройство вывода организовано в виде интерференционного переключателя на основе T-образного волноводного H-тройника [RU патент №2328062, публ. 27.06.2008; В.А. Августинович, С.Н. Артеменко, В.Ф. Дьяченко, В.Л. Каминский, С.А. Новиков, Ю.Г. Юшков. Исследование переключателя СВЧ компрессора с коммутацией в круглом волноводе. ПТЭ, 2009, №4, с. 106-109]. Одно из прямых плеч такого переключателя используется в качестве накопительного объема и имеет длину nλ_в/2, где n>>1, λ_в - длина волны в волноводе. Второе прямое либо боковое плечо выполняется полуволновым и ограничивается короткозамыкателем. В этом плече на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя размещается СВЧ коммутатор, соединенный с источником управляющих сигналов. Свободное плечо связывается с нагрузкой и через него осуществляется вывод энергии. Мощность резонансных СВЧ компрессоров с выводом энергии через интерференционный переключатель определяется электрической прочностью коммутатора. В таких компрессорах коммутируемая мощность практически равна мощности бегущей волны резонатора, т.е. предельной мощности выходных импульсов компрессора. Например, в 10-см диапазоне длин волн этот уровень, обычно, не превышает 400-500 МВт. Из-за потерь при выводе он снижается до 250-300 МВт [RU патент №2387055, публ. 20.04.2010].A number of original designs of resonant microwave compressors are known, operating on the basis of the accumulation and rapid output of microwave energy in a resonant volume [A.N. Didenko, Yu.G. Yushkov. Powerful microwave pulses of nanosecond duration. M .: Energoatomizdat, 1984, p. 112.]. The most common among them are compressors, the storage volume of which is made of a single-mode rectangular or circular waveguide, and the output device is organized in the form of an interference switch based on a T-shaped waveguide H-tee [RU patent No. 2328062, publ. 06/27/2008; V.A. Augustinovich, S.N. Artemenko, V.F. Dyachenko, V.L. Kaminsky, S.A. Novikov, Yu.G. Yushkov. Study of a switch of a microwave compressor with switching in a circular waveguide. PTE, 2009, No. 4, p. 106-109]. One of the straight arms of such a switch is used as the storage volume and has a length nλ _in / 2, where n >> 1, λ _in is the wavelength in the waveguide. The second straight or lateral shoulder is half-wave and is limited by a short circuit. A microwave switch connected to a source of control signals is located in this arm at a distance of λ _in / 4 from the short circuit. The free shoulder is associated with the load and through it the energy is output. The power of resonant microwave compressors with energy output through an interference switch is determined by the electrical strength of the switch. In such compressors, the switched power is almost equal to the power of the traveling cavity of the resonator, i.e. ultimate power of the compressor output pulses. For example, in the 10 cm wavelength range, this level usually does not exceed 400-500 MW. Due to losses during the withdrawal, it is reduced to 250-300 MW [RU patent No. 2387055, publ. 04/20/2010].

С целью увеличения мощности импульсов при неизменном уровне коммутируемой мощности в [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, №10, p. 2475-2480] предложен СВЧ компрессор с симметричным накопительным резонатором и устройством ввода-вывода энергии на основе двойного волноводного тройника. Ввод энергии осуществляется через элемент ввода в E-плоскости тройника, а вывод - через элемент вывода на основе тройника в H-плоскости. В одном из плеч резонатора, на расстоянии четверти длины волны в волноводе от короткозамыкателя плеча, располагается СВЧ коммутатор. Такое исполнение устройства позволяет выводить энергию одновременно из обоих плеч через один общий выходной волновод. Теоретически, в случае коммутации без потерь, одновременный вывод может обеспечить двукратное повышение мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью бегущей волны резонатора при двукратном укорочении импульсов по сравнению с временем двойного пробега волны вдоль резонатора. Поэтому мощность импульсов компрессора с симметричным резонатором, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 500-600 МВт.In order to increase the power of pulses at a constant level of switched power in [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, No. 10, p. 2475-2480] a microwave compressor with a symmetrical storage resonator and a device for input-output energy based on a double waveguide tee is proposed. The energy input is carried out through the input element in the E-plane of the tee, and the output is through the output element based on the tee in the H-plane. In one of the resonator arms, at a quarter of the wavelength in the waveguide from the arm short circuit, there is a microwave switch. This embodiment of the device allows you to output energy simultaneously from both shoulders through one common output waveguide. Theoretically, in the case of lossless switching, simultaneous output can provide a twofold increase in the power of the output pulses in comparison with the power of the traveling wave of the resonator with a twofold shortening of the pulses compared to the double travel time of the wave along the resonator. Therefore, the pulse power of a compressor with a symmetric resonator, for example, in the 10 cm range, in principle, can be increased to 500-600 MW.

Известен также СВЧ компрессор с выводом энергии из двух идентичных накопительных резонаторов через интерференционный переключатель в виде волноводного моста, который собран на основе двух Н-тройников с общим боковым плечом и расположенным в этом плече СВЧ коммутатором [Августинович В.А., Артеменко С.Н., С.А. Новиков. Волноводный мост как элемент вывода энергии резонансного СВЧ компрессора. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2008, т. LI, №3, с. 216-222]. Такое исполнение переключателя позволяет выводить энергию одновременно из обоих резонаторов через два выхода моста и, используя H-тройник как суммирующее устройство, суммировать импульсы этих выходов в боковом плече тройника как общем выходном волноводе. Кроме того, при согласованных со стороны бокового плеча тройниках такой переключатель допускает двукратное повышение мощности бегущей волны накопительного резонатора по сравнению с симметричной системой [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, №10, p. 2475-2480]. Энергия в резонаторы подается через делящее устройство в виде волноводного E- либо H-тройника. В качестве суммирующего устройства используется также E- либо H-тройник, в прямые плечи которого подводятся суммируемые импульсы, а боковое плечо служит общим выходом. Поскольку переключение резонаторов в режим вывода осуществляется одним коммутатором, то суммируемые импульсы синхронны и синфазны. В случае коммутации без потерь одновременный вывод из двух резонаторов может обеспечить двукратное повышение мощности выходных импульсов по сравнению с мощностью бегущей волны каждого из резонаторов и четырехкратное по сравнению с мощностью волны в симметричной системе [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, №10, p. 2475-2480]. Поэтому теоретически мощность импульсов такого компрессора, например, в 10-см диапазоне, в принципе, может быть увеличена до 0,8-1 ГВт.Also known is a microwave compressor with energy output from two identical storage resonators through an interference switch in the form of a waveguide bridge, which is assembled on the basis of two H-tees with a common lateral arm and a microwave switch located in this arm [Avgustinovich V.A., Artemenko S.N. ., S.A. Novikov. Waveguide bridge as an element of energy output of a resonant microwave compressor. Izv. Universities. Radiophysics. 2008, vol. LI, No. 3, p. 216-222]. This design of the switch allows energy to be simultaneously outputted from both resonators through two bridge outputs and, using the H-tee as a summing device, to sum the pulses of these outputs in the side arm of the tee as a common output waveguide. In addition, with tees matched from the side of the lateral shoulder, such a switch allows a twofold increase in the power of the traveling wave of the storage resonator in comparison with a symmetric system [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, No. 10, p. 2475-2480]. Energy is supplied to the resonators through a fission device in the form of a waveguide E or H tee. An E- or H-tee is also used as a summing device, in the direct shoulders of which summable pulses are fed, and the lateral shoulder serves as a common output. Since the switching of the resonators to the output mode is carried out by a single switch, the summed pulses are synchronous and in-phase. In the case of lossless switching, simultaneous output from two resonators can provide a twofold increase in the output pulse power compared to the traveling wave power of each of the resonators and a four-fold increase in comparison with the wave power in a symmetric system [R.A. Alvarez, D.P. Byrne, R.M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. Review Scientific Instruments, v. 57, No. 10, p. 2475-2480]. Therefore, theoretically, the pulse power of such a compressor, for example, in the 10 cm range, in principle, can be increased to 0.8-1 GW.

В известном СВЧ компрессоре с симметричным одномодовым накопительным резонатором, имеющим длину, кратную нечетному числу полуволн в волноводе [RU патент №2440647, публ. 20.01.2012], устройство ввода энергии выполнено со стороны бокового плеча H-тройника, расположенного по центру резонатора. Устройство вывода организовано на основе двух H-тройников, включенных симметрично в короткозамкнутые плечи резонатора на расстоянии nλ_в/2 от соответствующего короткозамыкателя. Кроме того, к боковым (выходным) плечам тройников симметрично прямыми плечами подсоединен выходной суммирующий H-тройник, а СВЧ коммутатор с газонаполненной трубкой размещен в центре резонатора. По сути, накопительный резонатор компрессора разделен на четыре практически равные части, из которых вывод энергии осуществляется одновременно. Такая конструкция компрессора теоретически позволяет получать на выходе устройства импульсы, мощность которых четырехкратно превышает мощность бегущей волны резонатора.In the known microwave compressor with a symmetric single-mode storage resonator having a length that is a multiple of an odd number of half-waves in the waveguide [RU patent No. 2440647, publ. 01/20/2012], the energy input device is made from the side of the lateral shoulder of the H-tee located in the center of the resonator. The output device is organized on the basis of two H-tees connected symmetrically to the short-circuited arms of the resonator at a distance of nλ _in / 2 from the corresponding short-circuit. In addition, the summing H-tee is connected to the lateral (output) shoulders of the tees with symmetrically straight shoulders, and the microwave switch with a gas-filled tube is located in the center of the resonator. In fact, the compressor storage cavity is divided into four almost equal parts, from which energy is output simultaneously. Such a compressor design theoretically allows receiving pulses at the device output, the power of which is four times higher than the power of the traveling cavity of the resonator.

Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому устройству является резонансный СВЧ компрессор [V.A. Avgustinovich, S.N. Artemenko, S.A. Novikov and Yu.G. Yushkov Synchronous energy extraction through four output ports of microwave compressor Review of Scientific Instruments 84, 066107-1-3 (2013)] с накопительным резонатором в виде двух идентичных короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов, которые расположены в E-плоскости и ортогонально пересекаются по центру, образуя крест. В месте пересечения отрезки объединены в единую резонансную систему через четыре окна связи, выполненные в цилиндрической стенке проходного резонатора в полное сечение волновода. Проходной резонатор имеет диаметр и длину сопоставимую с широкой стенкой волновода. Его рабочая частота равна частоте накопительного резонатора, а четыре окна связи обеспечивают сильную связь с волноводами и коэффициент усиления близкий к единице. Устройство ввода энергии выполнено в виде секции прямоугольного волновода, подсоединенной к центру одной из торцевых стенок проходного резонатора. Стенки этого волновода ориентированы под углом 45° к отрезкам накопительного резонатора. На второй торцевой стенке проходного резонатора расположен разрядник подсветки СВЧ коммутатора с газоразрядной трубкой. Разрядной областью коммутатора является объем проходного резонатора. Устройства вывода представляют собой четыре H-тройника, прямыми плечами встроенные в волноводные отрезки на расстоянии четверти длины отрезка от проходного резонатора. Тройниками и проходным резонатором накопительный объем делится на восемь равных частей. К боковым плечам тройников подключено суммирующее устройство в виде турникетного соединения с входными прямоугольными волноводами и круглым волноводом, являющимся выходом компрессора. Этот резонансный СВЧ компрессор взят за прототип.The closest, in technical essence, to the proposed device is a resonant microwave compressor [V.A. Avgustinovich, S.N. Artemenko, S.A. Novikov and Yu.G. Yushkov Synchronous energy extraction through four output ports of a microwave compressor Review of Scientific Instruments 84, 066107-1-3 (2013)] with a storage resonator in the form of two identical short-circuited segments of rectangular waveguides that are located in the E-plane and intersect orthogonally in the center, forming a cross. At the intersection, the segments are combined into a single resonant system through four communication windows made in the cylindrical wall of the through resonator into a full section of the waveguide. The pass-through resonator has a diameter and length comparable to the wide wall of the waveguide. Its operating frequency is equal to the frequency of the storage resonator, and four communication windows provide a strong connection with the waveguides and a gain close to unity. The energy input device is made in the form of a section of a rectangular waveguide connected to the center of one of the end walls of the passage resonator. The walls of this waveguide are oriented at an angle of 45 ° to the segments of the storage resonator. On the second end wall of the passage resonator there is a spark gap illuminator of a microwave switch with a gas discharge tube. The discharge region of the switch is the volume of the passage cavity. The output devices are four H-tees, straight shoulders embedded in the waveguide segments at a distance of a quarter of the length of the segment from the passage of the resonator. The tees and the pass-through cavity are divided into eight equal parts. A summing device in the form of a turnstile connection with rectangular input waveguides and a circular waveguide, which is the compressor output, is connected to the lateral shoulders of the tees. This resonant microwave compressor is taken as a prototype.

Задачей является создание СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности.The task is to create a microwave compressor that provides increased operating power.

Технический результат заключается в увеличении мощности выходных импульсов компрессора за счет увеличения объема накопительного резонатора и количества каналов вывода энергии.The technical result consists in increasing the power of the compressor output pulses by increasing the volume of the storage resonator and the number of energy output channels.

Указанный результат достигается тем, что резонансный СВЧ компрессор, как и прототип, содержит резонатор, накопительный объем которого выполнен из двух идентичных короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов, имеющих длину L=2nλ_в, где λ_в - длина волны в волноводе, n - целое число от 2 до ~10, расположенных в E-плоскости и ортогонально пересекающихся по центру, образуя крест, в месте пересечения отрезки объединены через окна связи, выполненные в цилиндрической стенке проходного резонатора в полное сечение волновода диаметром 2R≈a, где a - максимальный поперечный размер волновода секций, СВЧ коммутатор с газоразрядной трубкой, устройство ввода и устройство вывода энергии на основе H-тройников, суммирующее устройство, подключенное к выходам устройства вывода. В отличие от прототипа, резонатор имеет дополнительный накопительный объем идентичный первому, объемы расположены соосно и плоскопараллельно по принципу зеркального отображения и их проходные резонаторы объединены в общий проходной резонатор длиной ℓ≈3а, газоразрядная трубка СВЧ коммутатора ориентирована под углом ±45° к волноводным отрезкам накопительных объемов и размещена в центре общего проходного резонатора посредине между объемами, а устройство ввода выполнено в виде двух волноводных секций, одним торцом и по одной подсоединенных к торцевым стенкам проходного резонатора, вторым торцом симметрично подключенных к прямым плечам входного делящего H-тройника и стенки секций ориентированы под углом ±45° к волноводным отрезкам накопительных объемов, а выходы суммирующих устройств симметрично подсоединены к прямым плечам суммирующего выходного H-тройника.This result is achieved in that the resonant microwave compressor, like the prototype, contains a resonator, the storage volume of which is made of two identical short-circuited segments of rectangular waveguides having a length L = 2nλ _in , where λ _in is the wavelength in the waveguide, n is an integer from 2 to about 10 arranged in the E-plane and orthogonally intersecting at the center, forming a cross, the intersection of segments connected through connection windows formed in the cylindrical wall of the through cavity in the total cross section of the waveguide diameter 2R≈ a, where a - Maximum Feed transverse dimension of the waveguide sections, the microwave switch the discharge tube, the device input and the energy output device based on H-tees adder connected to the outputs of the output device. Unlike the prototype, the resonator has an additional storage volume identical to the first, the volumes are aligned and plane parallel to the mirror image principle, and their pass-through resonators are combined into a common pass-through resonator with a length of длиной≈3 a , the gas discharge tube of the microwave switch is oriented at an angle of ± 45 ° to the waveguide segments storage volumes and is located in the center of the common passage resonator in the middle between the volumes, and the input device is made in the form of two waveguide sections, one end and one connected connected to the end walls of the passage cavity, the second end symmetrically connected to the straight shoulders of the input dividing H-tee and the walls of the sections are oriented at an angle of ± 45 ° to the waveguide segments of the storage volumes, and the outputs of the summing devices are symmetrically connected to the straight shoulders of the summing output H-tee.

На Фиг. 1, 2 приведена схема предлагаемого резонансного СВЧ компрессора. Компрессор представляет собой накопительный резонатор в виде двух идентичных резонансных объемов, каждый из которых представляет собой две ортогональные короткозамкнутые волноводные секции 1 длиной L каждая, лежащие в E-плоскости и образующие крестообразный резонансный объем. Объемы объединены через окна связи 2 по краям цилиндрической стенки встроенного общего проходного резонатора 3, радиус которого R≈0,315ℓ_в и длина ℓ≈3а, с СВЧ коммутатором 4 и устройством ввода энергии в виде двух волноводных отрезков 5. Газоразрядная трубка 6 СВЧ коммутатора 4 расположена в центре общего проходного резонатора 3, посредине между накопительными объемами и ориентирована под углом ±45° к волноводным секциям 1. Устройство ввода энергии 5 в виде двух волноводных отрезков выполнено из стандартного прямоугольного волновода и подсоединено к торцевым стенкам встроенного резонатора 3, соосно с ним, по одному волноводному отрезку 5 на каждой стенке, а узкие стенки отрезков ориентированы параллельно газоразрядной трубке 6. Свободные торцы отрезков 5 симметрично подсоединены к прямым плечам входного делящего H-тройника. Встроенный общий проходной резонатор 3 имеет радиус (R≈0,375λ_в) и длину (ℓ≈3a), обеспечивающую на рабочей частоте накопительных объемов его работу на H₁₁₍₃₎ виде колебаний. Устройства вывода энергии идентичных накопительных объемов идентичны и каждое из них состоит из четырех H-тройников 7, прямыми плечами включенных в волноводные секции 1 накопительных объемов резонатора на одинаковом расстоянии от соответствующего короткозамыкателя 8, равном 0,25L=nλ_в/2. H-тройники 7 включены так, что их боковые плечи ортогональны плоскости, в которой расположены волноводные секции 1 накопительных объемов и в каждом объеме ориентированы в одном направлении. К боковым плечам H-тройников 7 каждого накопительного объема подсоединены входные волноводы 9 суммирующих устройств, с прямоугольными входными волноводами 10 и выходными круглыми волноводами 11, которые являются выходами компрессора.In FIG. 1, 2 shows a diagram of the proposed resonant microwave compressor. The compressor is a storage resonator in the form of two identical resonant volumes, each of which is two orthogonal short-circuited waveguide sections 1 of length L each, lying in the E-plane and forming a cross-shaped resonant volume. The volumes are combined through communication windows 2 along the edges of the cylindrical wall of the integrated common pass-through resonator 3, whose radius is R≈0.315ℓ _in and length ℓ≈3 a , with a microwave switch 4 and an energy input device in the form of two waveguide segments 5. Gas discharge tube 6 of a microwave switch 4 is located in the center of the common passage cavity 3, in the middle between the storage volumes and is oriented at an angle of ± 45 ° to the waveguide sections 1. The energy input device 5 in the form of two waveguide segments is made of a standard rectangular waveguide and is aligned with the end walls of the built-in resonator 3, one waveguide segment 5 on each wall, and the narrow walls of the segments are oriented parallel to the gas discharge tube 6. The free ends of the segments 5 are symmetrically connected to the straight shoulders of the input dividing H-tee. The built-in common pass-through resonator 3 has a radius (R≈0.375λ _in ) and a length (ℓ≈3 a ), which ensures its operation at H _{11 (3) in the} form of oscillations at the operating frequency of the storage volumes. Energy output device of identical cumulative volumes are identical and each of them consists of four H-7 tees, straight shoulders included in the waveguide section 1 accumulative volume of the resonator at the same distance from the respective short-circuiting 8 equal _in 0,25L = nλ / 2. H-tees 7 are included so that their lateral arms are orthogonal to the plane in which the waveguide sections 1 of the storage volumes are located and in each volume are oriented in the same direction. To the lateral shoulders of the H-tees 7 of each storage volume are connected input waveguides 9 of the summing devices, with rectangular input waveguides 10 and output circular waveguides 11, which are the outputs of the compressor.

Предлагаемый резонансный СВЧ компрессор работает следующим образом. В двух накопительных объемах резонансной системы, каждый из которых выполнен в виде двух одномодовых ортогональных волноводных секций 1, через волноводные отрезки 5 и окна связи 2 накапливается СВЧ энергия. При этом волноводные отрезки 5 устройства ввода ориентированы под углом 45° по отношению к секциям 1 накопительных объемов и питаются через H-тройник, прямые плечи которого симметрично подсоединены к отрезкам, в силу чего в проходном цилиндрическом резонаторе 3, через который идет накопление, возбуждается H₁₁₍₃₎ вид колебаний. Возбуждение этого вида обусловлено соответствующим выбором диаметра и длины резонатора. Плоскость поляризации P-P рабочего вида колебаний этого резонатора при отмеченной ориентации волноводных отрезков 5 устройства ввода лежит в плоскости симметрии накопительной системы компрессора, ориентированной под углом 45° относительно волноводных секций 1 системы. Это обеспечивает равномерное распределение энергии по накопительным объемам. Этому же способствует идентичное исполнение окон связи секций с проходным резонатором, которые выполнены в полное сечение волновода секций. При этом H-тройники 7 устройства вывода включены в волноводные секции 1 симметрично между общим проходным резонатором 3 и короткозамыкателями 8 секций, поэтому при четном числе вариант поля в половине длины волноводной секции боковое плечо каждого H-тройника оказывается в узле стоячей волны. В силу этого излучение в нагрузку в режиме накопления практически отсутствует. После завершения процесса накопления в общем проходном резонаторе 3 включается быстродействующий СВЧ коммутатор 4. Это приводит к быстрому изменению резонансной частоты встроенного резонатора и инверсии фазы отраженных от него волн. В результате в плоскости симметрии Н-тройников 7, т.е. в месте расположения бокового плеча тройников устанавливается пучность стоячей волны и начинается излучение волны в нагрузку. Таким образом, тройники открываются, и начинается процесс вывода энергии. Энергия через каждый тройник выводится в течение четвертой части времени двойного пробега волны вдоль каждой из четырех волноводных секций резонансной системы. Далее энергия поступает в суммирующие устройства 9 и выводится в нагрузку с восьмикратным увеличением мощности по каждому выходу 11 компрессора и возможным шестнадцатикратным усилением после суммирования по сравнению с мощностью бегущей волны резонансной накопительной системы. Восьмикратное увеличение мощности выходного импульса по сравнению с мощностью бегущей волны накопительного объема достигается за счет восьмикратного уменьшения длительности выходного импульса по сравнению с временем двойного пробега рабочей волны вдоль двух волноводных секций объема. Повышение рабочей мощности обеспечивается увеличением накопленной энергии из-за увеличения объема резонансной системы и количества каналов вывода энергии при фиксированном уровне коммутируемой мощности. При фиксированной мощности входных импульсов увеличение объема накопительной резонансной системы приводит к понижению напряженности поля в резонаторе и, соответственно, к повышению стабильности параметров выходных импульсов компрессора. Шестнадцатикратное увеличение достигается после суммирования выходных импульсов двух выходов компрессора. Суммирование осуществляется в H-тройнике, прямыми плечами подсоединенном к выходам компрессора (суммирующих устройств).The proposed resonant microwave compressor operates as follows. In two storage volumes of the resonance system, each of which is made in the form of two single-mode orthogonal waveguide sections 1, microwave energy is accumulated through the waveguide segments 5 and the communication window 2. In this case, the waveguide segments 5 of the input device are oriented at an angle of 45 ° with respect to sections 1 of the storage volumes and are fed through an H-tee, the straight shoulders of which are symmetrically connected to the segments, whereby in the cylindrical passage through the cavity 3 through which the accumulation takes place, H _{11 (3)} type of oscillation. The excitation of this type is due to the appropriate choice of the diameter and length of the resonator. The polarization plane PP of the working form of the oscillations of this resonator with the noted orientation of the waveguide segments 5 of the input device lies in the plane of symmetry of the compressor storage system, oriented at an angle of 45 ° relative to the waveguide sections 1 of the system. This ensures a uniform distribution of energy over storage volumes. This is also facilitated by the identical design of the communication windows of the sections with the passage resonator, which are made in the full section of the section waveguide. In this case, the H-tees 7 of the output device are included in the waveguide sections 1 symmetrically between the common pass-through resonator 3 and the short-circuits of 8 sections, therefore, with an even number, the field variant in half the length of the waveguide section, the lateral arm of each H-tee is in the standing wave node. Due to this, radiation to the load in the accumulation mode is practically absent. After the accumulation process is completed, a high-speed microwave switch 4 is switched on in the common pass-through resonator 3. This leads to a rapid change in the resonant frequency of the built-in resonator and phase inversion of the waves reflected from it. As a result, in the symmetry plane of the H-tees 7, i.e. at the location of the lateral shoulder of the tees, the antinode of the standing wave is established and the radiation of the wave into the load begins. Thus, the tees open and the process of energy removal begins. Energy is released through each tee during the fourth part of the double wave path along each of the four waveguide sections of the resonant system. Further, the energy enters the summing devices 9 and is output to the load with an eight-fold increase in power for each compressor output 11 and a possible sixteen-fold gain after summing in comparison with the traveling wave power of the resonant storage system. An eight-fold increase in the output pulse power compared to the traveling wave power of the storage volume is achieved due to an eight-fold decrease in the output pulse duration compared to the double travel time of the working wave along two waveguide sections of the volume. The increase in operating power is provided by an increase in the stored energy due to an increase in the volume of the resonant system and the number of energy output channels at a fixed level of switched power. At a fixed input pulse power, an increase in the volume of the storage resonant system leads to a decrease in the field strength in the resonator and, accordingly, to an increase in the stability of the parameters of the compressor output pulses. A sixteen-fold increase is achieved after summing the output pulses of the two compressor outputs. Summation is carried out in the H-tee, with straight shoulders connected to the outputs of the compressor (summing devices).

В качестве примера конкретного исполнения предлагаемого устройства рассмотрим результаты исследования макета предлагаемого резонансного СВЧ компрессора 3-см диапазона длин волн. Для накопления в макете использовалось два идентичных накопительных объема, каждый из которых был выполнен из двух короткозамкнутых прямоугольных волноводных отрезков сечением 23×10 мм² и длиной ~650 мм каждый. В центральной части отрезки ортогонально пересекались с цилиндром встроенного резонатора диаметром 26 мм и длиной 69 мм. Восемь окон связи резонатора с отрезками были выполнены в полное сечение волновода и располагались симметрично через 90° по краям встроенного резонатора. Возбуждение системы осуществлялось через окна в центре торцовых стенок этого резонатора. Подвод энергии к окнам осуществлялся по входным волноводным отрезкам через Н-тройник. Стенки входных отрезков прямоугольного волновода были ориентированы под углом 45° по отношению к секциям волноводов накопительных объемов, при этом узкие стенки отрезков были параллельны кварцевой трубке СВЧ коммутатора.As an example of a specific implementation of the proposed device, we consider the results of a study of the layout of the proposed resonant microwave compressor of a 3 cm wavelength range. For accumulation in the layout, two identical storage volumes were used, each of which was made of two short-circuited rectangular waveguide segments with a section of 23 × 10 mm ² and a length of ~ 650 mm each. In the central part, the segments intersected orthogonally with the cylinder of the built-in resonator with a diameter of 26 mm and a length of 69 mm. Eight windows connecting the resonator with the segments were made in the full section of the waveguide and were located symmetrically through 90 ° along the edges of the built-in resonator. The system was excited through windows in the center of the end walls of this resonator. Energy was supplied to the windows through the input waveguide segments through the H-tee. The walls of the input segments of the rectangular waveguide were oriented at an angle of 45 ° with respect to the sections of the waveguides of the storage volumes, while the narrow walls of the segments were parallel to the quartz tube of the microwave switch.

Волноводные отрезки резонансной системы работали на виде колебаний H₁₀₍₅₆₎ на частоте 9,15 ГГц, а встроенный резонатор - на виде H₁₁₍₃₎ с плоскостью поляризации, ориентированной под углом 45° по отношению к волноводным секциям резонатора. Такое расположение плоскости поляризации и идентичность окон связи встроенного резонатора с секциями обеспечивали практически равномерное распределение энергии по объему системы. Это установлено сравнением сигналов на выходах накопительных объемов в режиме «открыто». Четыре Н-тройника устройств вывода каждого из объемов располагались посредине между короткозамыкателями отрезков и встроенным резонатором. Боковые плечи тройников служили выходами накопительных объемов.The waveguide segments of the resonance system operated in the form of H _{10 (56)} oscillations at a frequency of 9.15 GHz, and the integrated resonator worked in the form of H _{11 (3)} with a polarization plane oriented at an angle of 45 ° with respect to the waveguide sections of the resonator. Such an arrangement of the plane of polarization and the identity of the communication windows of the built-in resonator with the sections ensured an almost uniform distribution of energy throughout the system. This is established by comparing the signals at the outputs of the cumulative volumes in the open mode. Four H-tees of the output devices of each of the volumes were located in the middle between the short-circuits of the segments and the built-in resonator. The lateral shoulders of the tees served as outputs of cumulative volumes.

Измеренная собственная добротность системы составила 6,1×10³. Расчетное время двойного пробега вдоль накопительных объемов резонатора составляет ~25 нс. При такой добротности и таком времени пробега расчетный коэффициент усиления системы равен 6,3 дБ. Поэтому при выводе энергии без потерь на выходе компрессора можно получить импульсы с усилением 18,3 дБ и длительностью в шестнадцать раз меньше времени пробега, т.е. около 1,6 нс. С учетом потерь при коммутации, составляющих 2-3 дБ, ожидаемое усиление составляет 15-16 дБ. При этом увеличение объема в два раза понижает напряженность поля в накопительной системе в 1,41 раза. Это позволяет увеличить мощность входных импульсов в два раза и, соответственно, в два раза увеличить мощность формируемых импульсов.The measured intrinsic Q factor of the system was 6.1 × 10 ³ . The estimated double travel time along the accumulator cavity volumes is ~ 25 ns. With such a quality factor and such a travel time, the calculated system gain is 6.3 dB. Therefore, when outputting energy without loss at the compressor output, it is possible to obtain pulses with a gain of 18.3 dB and a duration of sixteen times less than the travel time, i.e. about 1.6 ns. Given switching losses of 2–3 dB, the expected gain is 15–16 dB. Moreover, an increase in volume halves the field strength in the storage system by 1.41 times. This allows you to double the power of the input pulses and, accordingly, double the power of the generated pulses.

Система работала на воздухе при атмосферном давлении. Переключение в режим вывода осуществлялось СВЧ коммутатором с подсветкой искрой электрического разряда, инициируемого в центре встроенного резонатора. В этом месте в объеме этого резонатора на полувысоте цилиндра находится максимум электрической составляющей поля центральной варианты H₁₁₍₃₎ вида колебаний. Здесь в смеси аргона с воздухом либо на воздухе при атмосферном давлении зажигался коммутирующий СВЧ разряд. Смесь готовилась подачей аргона в заполненную воздухом тонкостенную кварцевую трубку, ориентированную по силовой линии электрического поля центральной варианты H₁₁₍₃₎ вида колебаний в максимуме поля. При коммутации в такой смеси был получен максимальный коэффициент усиления ~5 дБ по каждому выходу при длительности импульсов ~1,6 не по уровню -3 дБ. Суммирование импульсов увеличивало усиление на 9 дБ, тогда как длительность импульса оставалась практически неизменной. Максимальное усиление суммарного импульса достигало ~14 дБ. Так как переключение в режим вывода осуществлялось одним коммутатором, то это исключало проблемы с суммированием. При мощности входных импульсов 50 кВт и длительности ~1 мкс максимальная мощность выходных импульсов составила немногим более 1.2 МВт. По сравнению с расчетной мощностью коммутируемой волны увеличение мощности выходных импульсов достигало трехкратного значения. Отличие измеренного усиления от расчетного обусловлено потерями при коммутации и малым временем пробега волны от короткозамыкателя до выходного канала, сопоставимым с временем развития СВЧ разряда. За время пробега порядка 1,6 не разряд не успевал полностью развиться.The system worked in air at atmospheric pressure. Switching to the output mode was carried out by a microwave switch illuminated by a spark of an electric discharge initiated in the center of the built-in resonator. At this point, in the volume of this resonator at half maximum of the cylinder, there is a maximum of the electric component of the field of the central variant H _{11 (3) of the} form of oscillation. Here, in a mixture of argon with air or in air at atmospheric pressure, a switching microwave discharge was ignited. The mixture was prepared by feeding argon into an air-filled thin-walled quartz tube oriented along the electric field line of the central variant H _{11 (3) of the} form of oscillations at the field maximum. When switching in such a mixture, a maximum gain of ~ 5 dB was obtained for each output with a pulse duration of ~ 1.6 not at the level of -3 dB. Pulse summation increased the gain by 9 dB, while the pulse duration remained almost unchanged. The maximum gain of the total pulse reached ~ 14 dB. Since switching to the output mode was carried out by a single switch, this eliminated the problems with summation. With an input pulse power of 50 kW and a duration of ~ 1 μs, the maximum output pulse power was a little over 1.2 MW. Compared with the calculated power of the switched wave, the increase in the power of the output pulses reached a triple value. The difference between the measured gain and the calculated one is due to switching losses and a short travel time of the wave from the short circuit to the output channel, which is comparable with the development time of the microwave discharge. During the run of the order of 1.6, the discharge did not have time to fully develop.

Таким образом, продемонстрирована работоспособность четырехканальной системы компрессии СВЧ импульсов с синхронным выводом энергии. Достигнуто трехкратное превышение мощности выходных импульсов над мощностью коммутируемой волны при длительности импульсов, равной одной восьмой времени двойного пробега рабочей волны вдоль накопительного резонатора. Заниженное превышение мощности обусловлено потерями при коммутации и сопоставимостью времени вывода энергии и времени переключения резонатора из режима накопления в режим вывода. Оценки показывают, что выполнение исследованной системы из круглого волновода может обеспечить формирование наносекундных импульсов СВЧ мощностью до ~0,1-0,2 ГВт в 3-см диапазоне длин волн и до ~2 ГВт в 10-см диапазоне, что приблизительно в два раза выше мощности компрессора-прототипа.Thus, the operability of a four-channel microwave pulse compression system with synchronous energy output has been demonstrated. A triple excess of the power of the output pulses over the power of the switched wave was achieved with a pulse duration equal to one eighth of the double travel time of the working wave along the storage resonator. The underestimated excess of power is caused by switching losses and the comparability of the energy output time and the time the resonator switches from accumulation to output mode. Estimates show that the implementation of the studied system from a circular waveguide can provide the formation of nanosecond microwave pulses with a power of up to ~ 0.1-0.2 GW in the 3 cm wavelength range and up to ~ 2 GW in the 10 cm range, which is approximately two times higher power of the prototype compressor.

Claims

A resonant microwave compressor containing a resonator, the storage volume of which is made of two identical short-circuited segments of rectangular waveguides having a length L = 2nλ _in , where λ _in is the wavelength in the waveguide, n is an integer from 2 to ~ 10, located in the E-plane and orthogonally intersecting in the center, forming a cross, at the intersection, the segments are combined through communication windows made in the cylindrical wall of the through resonator into a full section of the waveguide with a diameter of 2R≈a, where a is the maximum transverse sectional waveguide size, microwave a mutator with a gas discharge tube, an input device and an energy output device based on H-tees, a summing device connected to the outputs of the output device, characterized in that the resonator has an additional storage volume identical to the first, the volumes are aligned and plane-parallel according to the mirror image principle and their pass-through resonators are combined into a common pass-through resonator with a length of длиной≈3a, the gas discharge tube of the microwave switch is oriented at an angle of ± 45 ° to the waveguide segments of the storage volumes and times placed in the center of the common passage cavity in the middle between the volumes, and the input device is made in the form of two waveguide sections, one end and one connected to the end walls of the passage resonator, the second end symmetrically connected to the straight shoulders of the input dividing H-tee and the walls of the sections are oriented at an angle ± 45 ° to the waveguide segments of the storage volumes, and the outputs of the summing devices are symmetrically connected to the straight shoulders of the summing output H-tee.