RU141773U1

RU141773U1 - RESONANT MICROWAVE COMPRESSOR

Info

Publication number: RU141773U1
Application number: RU2013156173/08U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Артёменко
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-06-10

Abstract

Резонансный СВЧ компрессор, содержащий многомодовый накопительный резонатор длиной L с устройством ввода энергии, устройством вывода на выходной стенке, выполненной в виде плавного перехода с корпуса резонатора на выходной волновод, и размещенный на плоской торцевой стенке электронный СВЧ коммутатор в виде волноводного Н-тройника, отличающийся тем, что содержит второй СВЧ коммутатор, коммутаторы расположены симметрично относительно центра стенки, на расстоянии от центра, равном четверти размера стенки d, и прямые плечи тройников СВЧ коммутаторов выполнены из n стандартных прямоугольных волноводов с меньшей стенкой размером b, где n удовлетворяет неравенствам n<0,2L/b<d/b, а полуволновое короткозамкнутое боковое плечо тройников выполнено из сверхразмерного волновода, в котором сверхразмерная стенка имеет размер nb, а вторая стенка идентична широкой стенке a стандартного прямоугольного волновода и в боковом плече соосно с плечом расположена диэлектрическая газоразрядная трубка, ортогональная стенке с размером a, устройство ввода выполнено симметрично по принципу зеркального отображения на боковых стенках резонатора в Η-плоскости рабочей моды колебаний на расстоянии от плоской торцевой стенки резонатора, равном нечетному числу четвертей длины волны рабочей моды в резонаторе, а выходной волновод устройства вывода выполнен идентичным боковым плечам тройников СВЧ коммутаторов и ориентированным идентично прямым плечам тройников.Resonant microwave compressor containing a multimode storage resonator of length L with an energy input device, an output device on the output wall made in the form of a smooth transition from the resonator body to the output waveguide, and an electronic microwave switch located on the flat end wall in the form of an N-tee waveguide, characterized the fact that the second microwave switch contains, the switches are located symmetrically relative to the center of the wall, at a distance from the center equal to a quarter of the wall size d, and the straight shoulders of the microwave tees Mutators are made of n standard rectangular waveguides with a smaller wall of size b, where n satisfies the inequalities n <0.2L / b <d / b, and the half-wave short-circuited lateral shoulder of the tees is made of an oversized waveguide in which the oversize wall has size nb and the second the wall is identical to the wide wall a of a standard rectangular waveguide and a dielectric gas discharge tube is arranged coaxially with the shoulder in the lateral shoulder, orthogonal to the wall with size a, the input device is symmetrically mirror-shaped about the display on the side walls of the resonator in the плоскости-plane of the working mode of oscillations at a distance from the flat end wall of the resonator equal to an odd number of quarters of the wavelength of the working mode in the resonator, and the output waveguide of the output device is identical to the side arms of the tees of the microwave switches and oriented identically to the straight arms of the tees .

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована 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.

Известны резонансные СВЧ компрессоры с многомодовым накопительным резонатором и элементом вывода энергии в виде интерференционного СВЧ переключателя на основе T-образного H-тройника, подсоединенного к плоской торцовой крышке резонатора [например, 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]. Предельная мощность таких устройств определяется электрической прочностью переключателя. Обычно СВЧ компрессоры работают с входными импульсами микросекундной длительности, поэтому прочность переключателей сопоставима с прочностью устройств, питаемых непрерывным СВЧ сигналом. Как показывают эксперименты, предельная мощность таких компрессоров составляет (1…2)λ² МВт, где λ - рабочая длина волны в сантиметрах. Для повышения мощности резонансных СВЧ компрессоров необходимы иные технические решения проблемы вывода.Known resonant microwave compressors with a multimode storage resonator and an energy output element in the form of an interference microwave switch based on a T-shaped H-tee connected to a flat end cap of the resonator [for example, Alvarets R., Birke D., Bern D., Lauer E. , Scalapino D., Microwave energy compression in time for use in charged particle accelerators. - Nuclear technology abroad, 1982, No. 11, p. 36-39]. The ultimate power of such devices is determined by the electrical strength of the switch. Usually microwave compressors work with microsecond input pulses, so the strength of the switches is comparable to the strength of devices fed by a continuous microwave signal. As experiments show, the ultimate power of such compressors is (1 ... 2) λ ² MW, where λ is the working wavelength in centimeters. Other technical solutions to the output problem are needed to increase the power of resonant microwave compressors.

С целью повышения рабочей мощности резонансных СВЧ компрессоров предложен ряд компрессоров с выводом энергии трансформацией моды колебаний. В таких устройствах вывод осуществляется трансформацией добротной моды колебаний, на которой энергия накоплена, в моду низкодобротную, сильно связанную с нагрузкой [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. Трансформация осуществляется на специально организуемом в накопительном резонаторе быстродействующем элементе межмодовой связи. В одной из первых конструкций СВЧ компрессоров такого типа энергия накапливалась в многомодовом цилиндрическом резонаторе на H_01(p) моде колебаний и выводилась на моде H₁₁ через выходной круглый волновод, запредельный для H₀₁ моды и допредельный для моды H₁₁, подсоединенный к плоской выходной торцовой стенке резонатора соосно с ним [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112.]. В качестве быстродействующего элемента межмодовой связи (СВЧ коммутатора) использовался электрический разрядник с электродами, введенными в объем резонатора в максимум электрического поля рабочей моды H_01(p). Такое исполнение элемента понижает рабочую мощность компрессора из-за падения электрической прочности накопительного объема.In order to increase the operating power of resonant microwave compressors, a number of compressors with energy output by the transformation of the oscillation mode have been proposed. In such devices, the conclusion is made by the transformation of the high-quality oscillation mode, on which the energy is stored, into the low-Q mode, which is strongly associated with the load [A.N. Didenko, Yu.G. Yushkov. Powerful microwave pulses of nanosecond duration. M .: Energoatomizdat, 1984, p. 112.]. The transformation is carried out on a high-speed intermode coupling element specially organized in the storage cavity. In one of the first designs of microwave compressors of this type, energy was accumulated in a multimode cylindrical resonator on the H _{01 (p)} mode of oscillation and was output on the H ₁₁ mode through an output circular waveguide, beyond the H ₀₁ mode and beyond the limit for the H ₁₁ mode, connected to a flat output the end wall of the resonator coaxially with it [A.N. Didenko, Yu.G. Yushkov. Powerful microwave pulses of nanosecond duration. M .: Energoatomizdat, 1984, p. 112.]. An electric discharger with electrodes inserted into the cavity volume to the maximum of the electric field of the working mode H _{01 (p) was} used as a high-speed element of intermode coupling (microwave commutator ₎ . This embodiment of the element lowers the operating power of the compressor due to a drop in the electric strength of the storage volume.

Известен формирователь СВЧ импульсов (резонансный СВЧ компрессор) [RU патент №2137265, дата публикации 10.09.1999], который также содержит многомодовый цилиндрический резонатор с элементами ввода и вывода энергии и электронный СВЧ коммутатор (элемент межмодовой связи), выполненный в виде короткозамкнутого волноводного отрезка длиной λ_в/2, подсоединенного к входной торцовой стенке резонатора на расстоянии d/4 от его оси. При этом электрод коммутатора, соединенный с источником управляющих сигналов, расположен за пределами накопительного объема на широкой стенке отрезка на расстоянии четверти длины волны в волноводе λ_в от короткозамыкателя отрезка. Элементом устройством вывода энергии служит выходной круглый волновод, запредельный для основной рабочей моды H₀₁ допредельный для моды H₁₁ и расположенный на плоской выходной торцовой стенке резонатора. В таком компрессоре мощность формируемых импульсов относительно невысока из-за малого размера окна связи отрезка с резонатором по сравнению с сечением резонатора и, соответственно, слабой межмодовой связи.The known generator of microwave pulses (resonant microwave compressor) [RU patent No. 2137265, publication date 09/10/1999], which also contains a multimode cylindrical resonator with elements of input and output energy and an electronic microwave switch (element of intermode coupling), made in the form of a short-circuited waveguide segment length λ _in / 2 connected to the input end wall of the resonator at a distance d / 4 from its axis. In this case, the switch electrode connected to the source of control signals is located outside the storage volume on the wide wall of the segment at a distance of a quarter of the wavelength in the waveguide λ _in from the short circuit of the segment. An element of the energy output device is an output circular waveguide, which is beyond the limits for the main operating mode H ₀₁ , which is beyond the limits for mode H ₁₁ and is located on the flat output end wall of the resonator. In such a compressor, the power of the generated pulses is relatively low due to the small size of the communication window of the segment with the resonator in comparison with the cross section of the resonator and, accordingly, weak intermode coupling.

Известен аналогичный резонансный СВЧ компрессор [RU патент на полезную модель №89285, дата публикации 27.11.2009] содержащий цилиндрический многомодовый резонатор с элементами ввода и вывода энергии, электронный СВЧ коммутатор в виде внешнего волноводного отрезка с короткозамыкателем и электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. При этом в короткозамкнутый отрезок последовательно встроен волноводный H-тройник с определенной длиной входного и выходного прямого плеча и полуволновым короткозамкнутым боковым плечом. В боковом плече расположен СВЧ разрядник, а короткозамыкатель выходного прямого плеча выполнен подвижным. Кроме того, элемент вывода выполнен на основе выходной торцовой стенки резонатора в виде плавного волноводного перехода с диаметра резонатора на одномодовый круглый волновод и в этот волновод встроен еще один H-тройник. По аналогичному принципу организован и резонансный СВЧ компрессор, в котором вместо одного плавного перехода в качестве устройства вывода используется два перехода и встроенный в переходы волноводный мост на основе двух H-тройников с общим боковым плечом [RU патент на полезную модель №94062, дата публикации 10.05.2010]. Такие компрессоры позволяют получать достаточно мощные СВЧ импульсы за счет последовательной компрессии на двух модах, но имеют относительно низкий КПД из-за использования двух СВЧ коммутаторов.A similar resonant microwave compressor is known [RU patent for utility model No. 89285, publication date 11/27/2009] containing a cylindrical multimode resonator with energy input and output elements, an electronic microwave switch in the form of an external waveguide segment with a short circuit and an electrode connected to a source of control signals. At the same time, a waveguide H-tee with a certain length of the input and output straight arms and a half-wave short-circuited lateral arm is sequentially integrated into the short-circuited segment. A microwave arrester is located in the side arm, and the output short arm short circuit is movable. In addition, the output element is made on the basis of the output end wall of the resonator in the form of a smooth waveguide transition from the diameter of the resonator to a single-mode circular waveguide, and another H-tee is built into this waveguide. According to a similar principle, a resonant microwave compressor is organized, in which instead of one smooth transition, two transitions and a waveguide bridge built into the transitions based on two H-tees with a common lateral shoulder are used [RU patent for utility model No. 94062, publication date 10.05 .2010]. Such compressors allow you to get quite powerful microwave pulses due to sequential compression on two modes, but have a relatively low efficiency due to the use of two microwave switches.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является резонансный СВЧ компрессор с трансформацией моды колебаний на элементе межмодовой связи в виде короткозамкнутого отрезка волновода с встроенным H-тройником и устройством вывода энергии в виде плавного перехода [Августинович В.А., Артеменко С.Н., Игумнов В.С., Новиков С.А., Юшков Ю.Г. Формирование нано и субнаносекундных СВЧ импульсов при выводе энергии из резонатора трансформацией моды колебаний. // Изв. ВУЗов. Физика. 2011, Т. 54, №11/2, С. 229-234]. Этот компрессор взят за прототип. В нем для накопления используется цилиндрический многомодовый резонатор с основной рабочей модой H_01(p), на которой энергия накапливается через устройство ввода энергии, выполненное на входной торцовой стенке резонатора. Устройство межмодовой связи в виде короткозамкнутого волноводного отрезка с последовательно встроенным H-тройником подсоединено к этой же стенке на середине радиуса цилиндра. Первое (входное) прямое плечо тройника имеет полуволновую длину и связано с резонатором через окно связи, а второе (выходное) плечо короткозамкнуто и короткозамыкатель плеча выполнен подвижным. Боковое плечо также короткозамкнуто, имеет полуволновую длину и в нем расположен газоразрядный СВЧ коммутатор с электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. На выходной торцовой стенке резонатора, выполненной в виде плавного перехода с цилиндра резонатора на выходной круглый волновод. Переход выполнен согласованным для вспомогательной рабочей моды H₁₁ круглого волновода, а выходной волновод - одномодовым.In terms of technical nature, the closest to the proposed device is a resonant microwave compressor with vibration mode transformation on the intermode coupling element in the form of a short-circuited waveguide segment with an integrated H-tee and an energy output device in the form of a smooth transition [Avgustinovich V.A., Artemenko S.N. , Igumnov V.S., Novikov S.A., Yushkov Yu.G. The formation of nano and subnanosecond microwave pulses during energy removal from the resonator by vibration mode transformation. // Izv. Universities. Physics. 2011, T. 54, No. 11/2, S. 229-234]. This compressor is taken as a prototype. It uses a cylindrical multimode resonator with the main operating mode H _{01 (p)} for storage, on which energy is accumulated through an energy input device made on the input end wall of the resonator. The intermode communication device in the form of a short-circuited waveguide segment with a series-integrated H-tee is connected to the same wall in the middle of the cylinder radius. The first (input) straight arm of the tee has a half-wave length and is connected to the resonator through a communication window, and the second (output) arm is short-circuited and the short-circuit of the arm is movable. The lateral shoulder is also short-circuited, has a half-wavelength, and there is a gas-discharge microwave switch with an electrode connected to a source of control signals. On the output end wall of the resonator, made in the form of a smooth transition from the cylinder of the resonator to the output circular waveguide. The transition is made consistent for the auxiliary operating mode H _{11 of the} circular waveguide, and the output waveguide is single-mode.

Основным недостатком компрессора-прототипа является относительно низкий уровень рабочей мощности из-за слабой межмодовой связи на окне связи резонатора с H-тройником. Кроме того, частота следования импульсов в таком компрессоре ограничена предельной рабочей частотой газоразрядного СВЧ коммутатора.The main disadvantage of the prototype compressor is the relatively low level of operating power due to the weak intermode coupling at the coupling window of the resonator with the H-tee. In addition, the pulse repetition rate in such a compressor is limited by the limiting operating frequency of the gas-discharge microwave switch.

Задачей является создание резонансного СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение рабочей мощности и частоты следования формируемых компрессором импульсов СВЧ.The objective is to create a resonant microwave compressor that provides an increase in the operating power and repetition rate of microwave pulses generated by the compressor.

Технический результат заключается в увеличении рабочей мощности компрессора за счет увеличения площади сечения волновода, из которого выполнен элемент межмодовой связи, и увеличении частоты следования импульсов за счет применения двух поочередно работающих идентичных устройств межмодовой связи.The technical result consists in increasing the operating power of the compressor by increasing the cross-sectional area of the waveguide from which the intermode coupling element is made, and increasing the pulse repetition rate through the use of two alternately working identical intermodal communication devices.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый резонансный СВЧ компрессор, как и прототип, содержит многомодовый накопительный резонатор длиной L с устройством ввода энергии, устройством вывода на выходной стенке, выполненной в виде плавного перехода с корпуса резонатора на выходной волновод и расположенный на плоской торцевой стенке электронный СВЧ коммутатор в виде волноводного H-тройника. В отличие от прототипа он содержит второй СВЧ коммутатор, коммутаторы расположены симметрично относительно центра стенки, на расстоянии от центра, равном четверти размера стенки d, и прямые плечи тройников СВЧ коммутаторов выполнены из n стандартных прямоугольных волноводов с меньшей стенкой размером b, где n удовлетворяет неравенствам n<0,2L/b<d/b, а полуволновое короткозамкнутое боковое плечо тройников выполнено из сверхразмерного волновода, в котором сверхразмерная стенка имеет размер nb, а вторая стенка идентична широкой стенке а стандартного прямоугольного волновода и в боковом плече соосно с плечом расположена диэлектрическая газоразрядная трубка, ортогональная стенке с размером а, устройство ввода выполнено симметрично по принципу зеркального отображения на боковых стенках резонатора в H-плоскости рабочей моды колебаний на расстоянии от плоской торцевой стенки резонатора, равном нечетному числу четвертей длины волны рабочей моды в резонаторе, а выходной волновод устройства вывода выполнен идентичным боковым плечам тройников СВЧ коммутаторов и ориентированным идентично прямым плечам тройников.The problem is solved in that the proposed resonant microwave compressor, as well as the prototype, contains a multimode storage resonator of length L with an energy input device, an output device on the output wall, made in the form of a smooth transition from the resonator body to the output waveguide and located on a flat end wall Microwave switch in the form of a waveguide H-tee. Unlike the prototype, it contains a second microwave switch, the switches are located symmetrically relative to the center of the wall, at a distance from the center equal to a quarter of the wall size d, and the straight shoulders of the tees of the microwave switches are made of n standard rectangular waveguides with a smaller wall of size b, where n satisfies the inequalities n <0.2L / b <d / b, and the half-wave short-circuited lateral shoulder of the tees is made of an oversized waveguide in which the oversized wall has a size of nb and the second wall is identical to the wide wall and the standard a rectangular waveguide and in the side arm coaxially with the shoulder there is a dielectric gas discharge tube orthogonal to a wall of size a , the input device is symmetrical according to the principle of mirror imaging on the side walls of the resonator in the H-plane of the working mode of vibration at a distance from the flat end wall of the resonator equal to an odd the number of quarters of the wavelength of the working mode in the cavity, and the output waveguide of the output device is identical to the lateral arms of the tees of the microwave switches and oriented Similar to the straight shoulders of the tees.

На Фиг. 1, 2 схематично изображен вариант выполнения предложенного резонансного СВЧ компрессора. Резонансный СВЧ компрессор содержит призматический многомодовый резонатор 1 длиной L и поперечным сечением d×d. Компрессор также содержит устройство ввода энергии 2 на стенках резонатора 1 и устройство вывода 3, выполненное в виде плавного перехода с корпуса резонатора 1 на выходной сверхразмерный волновод, в котором одна стенка взята размером nb, где b - размер узкой стенки стандартного волновода, а вторая стенка имеет размер, равный широкой стенке а стандартного прямоугольного волновода. Элементы межмодовой связи выполнены на плоской торцовой стенке на основе T-образных H-тройников 4 с полуволновым входным прямым плечом 5, связанным с резонатором 1, с выходным четвертьволновым прямым плечом 6, заканчивающимся подвижным короткозамыкателем 7. Устройство также содержит газоразрядную трубку 8 СВЧ коммутатора с электродом, соединенным с блоком управляющих сигналов 9. При этом входные 5 и выходные плечи 6 H-тройников собраны из n параллельных и прижатых друг к другу широкими стенками с размером а отрезков стандартных прямоугольных волноводов, где n<0,2L/b<d/b, а боковые плечи выполнены из сверхразмерного полуволнового отрезка волновода с широкой стенкой, равной nb и узкой стенкой, равной а, и газоразрядная трубка расположена в этом плече параллельно широкой стенке бокового плеча и соосно с плечом.In FIG. 1, 2 schematically shows an embodiment of the proposed resonant microwave compressor. The resonant microwave compressor contains a prismatic multimode resonator 1 of length L and a cross section d × d. The compressor also contains an energy input device 2 on the walls of the resonator 1 and an output device 3 made in the form of a smooth transition from the resonator housing 1 to the output oversize waveguide, in which one wall is taken in size nb, where b is the size of the narrow wall of the standard waveguide, and the second wall has a size equal to the wide wall of a standard rectangular waveguide. The intermode coupling elements are made on a flat end wall based on T-shaped H-tees 4 with a half-wave input straight arm 5 connected to the resonator 1, with an output quarter-wave straight arm 6 ending with a moving short circuit 7. The device also contains a gas discharge tube 8 of the microwave switch with an electrode connected to the control signal unit 9. In this case, the input 5 and output arms 6 of the H-tees are assembled from n parallel and pressed against each other by wide walls with a size of segments of standard rectangular olnovodov where n <0,2L / b <d / b, and the side arms are made of an oversized waveguide half-wave length of a broad wall equal to nb, and the narrow wall equal to a, and the discharge tube is located in the shoulder side parallel to the broad wall of the shoulder and coaxially with the shoulder.

Представленный в качестве примера на Фиг. 1, 2 резонансный СВЧ компрессор, работает следующим образом. В призматическом многомодовом накопительном резонаторе 1 через устройство ввода энергии 2 на H_02(p) моде колебаний накапливается СВЧ энергия. Для более «чистого» возбуждения рабочей моды ввод энергии осуществляется через два окна связи, возбуждающие противофазные варианты поля рабочей моды. Поэтому подвод энергии к окнам осуществляется через волноводный E-тройник. Выходной волновод плавного перехода 3 для рабочей моды H₀₂ запределен и поэтому в режиме накопления энергия в нагрузку резонатора не поступает. Высокая добротность этой моды обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности входной волны. Элементы межмодовой связи 4, 5, 6 расположены так, что на окнах связи тройников 4 с резонатором 1 при определенной длине плеч 5, 6 может возникать сильная связь основной H₀₂ моды с модой вспомогательной H₀₁ сильно связанной с выходным волноводом перехода 3, согласованным для вспомогательной моды в широкой полосе частот. Длина плеча между резонатором 1 и закрытым H-тройником 5, встроенным в волноводный отрезок, подбираются так, что в режиме накопления связь между основной и вспомогательной модой слабая. Этому же способствует использование двух симметрично расположенных СВЧ коммутаторов. Поэтому излучение в выходной волновод практически отсутствует. После завершения процесса накопления и подачи управляющего сигнала с блока управления на электрод СВЧ коммутатора включается СВЧ коммутатор H-тройника 4 в его короткозамкнутом боковом плече. Зажигается СВЧ разряд в трубке и тройник 4 открывается. Это приводит к быстрому изменению электрической длины отрезка и изменению картины поля на окне связи отрезка с резонатором 1 и, соответственно, изменению связи основной моды с модой вспомогательной. Величина этой связи оптимизируется подбором положения подвижного короткозамыкающего поршня 7 волноводного отрезка. В результате структура поля на окне меняется и начинается передача энергии от основной моды, на которой энергия запасена, к вспомогательной. Эффективность передачи определяется величиной межмодовой связи, которая пропорциональна эффективному радиусу окна связи резонатора с тройником. При этом вспомогательная мода хорошо связана с выходным волноводом и нагрузкой резонатора. В результате накопленная энергия на H₀₁ волне выводится в нагрузку в виде мощного СВЧ импульса. Повышение мощности сигналов, по сравнению с прототипом, достигается за счет уменьшения времени вывода накопленной энергии в силу более сильной межмодовой связи. Повышение составляет величину пропорциональную отношению площади окон связи элемента межмодовой связи с резонатором 1, т.е. пропорционально n. Частота следования импульсов может быть увеличена в два раза за счет поочередного включения элементов межмодовой связи.Presented by way of example in FIG. 1, 2 resonant microwave compressor, operates as follows. In the prismatic multimode storage resonator 1, microwave energy is accumulated through the energy input device 2 on the H _{02 (p)} mode of oscillation. For a more “pure” excitation of the working mode, energy is inputted through two communication windows that excite antiphase field variants of the working mode. Therefore, energy is supplied to the windows through the waveguide E-tee. The output waveguide of smooth transition 3 for the operating mode H _{02 is} reserved and therefore, in the accumulation mode, energy is not supplied to the resonator load. The high quality factor of this mode provides a high gain of the input wave power. The intermode coupling elements 4, 5, 6 are arranged so that the coupling windows of the tees 4 with the resonator 1 at a certain arm length 5, 6 can cause a strong coupling between the main H ₀₂ mode and the auxiliary H ₀₁ mode strongly connected with the output transition waveguide 3, which is matched for auxiliary mode in a wide frequency band. The shoulder length between the resonator 1 and the closed H-tee 5 embedded in the waveguide segment is selected so that in the accumulation mode the coupling between the main and auxiliary modes is weak. The use of two symmetrically located microwave switches contributes to this. Therefore, radiation in the output waveguide is practically absent. After the process of accumulation and supply of a control signal from the control unit to the electrode of the microwave switch is completed, the microwave switch of the H-tee 4 in its short-circuited side arm is turned on. A microwave discharge is ignited in the tube and tee 4 opens. This leads to a rapid change in the electric length of the segment and a change in the field pattern on the communication window of the segment with resonator 1 and, accordingly, a change in the coupling between the main mode and the auxiliary mode. The magnitude of this connection is optimized by the selection of the position of the moving short-circuit piston 7 of the waveguide segment. As a result, the field structure on the window changes and energy transfer begins from the main mode, on which the energy is stored, to the auxiliary one. The transmission efficiency is determined by the amount of intermode coupling, which is proportional to the effective radius of the coupling window between the resonator and the tee. In this case, the auxiliary mode is well connected with the output waveguide and the resonator load. As a result, the stored energy on the H ₀₁ wave is output to the load in the form of a powerful microwave pulse. The increase in signal power, compared with the prototype, is achieved by reducing the time of output of the stored energy due to a stronger inter-mode coupling. The increase is proportional to the ratio of the area of the communication windows of the intermode coupling element with the resonator 1, i.e. proportionally to n. The pulse repetition rate can be doubled due to the alternate inclusion of inter-mode communication elements.

Допустимое количество переключателей в пакете элементов, определяющее предельную мощность компрессора можно оценить, исходя из следующего. Время переключения в режим вывода в значительной мере формируется размером области, в которой развивается СВЧ разряд в коммутаторе переключателя. Для быстрого переключения, в масштабе времени вывода T, размер этой области должен быть заметно меньше длины L резонатора 1. Другими словами, переключение должно осуществляться за время заметно меньшее времени двойного пробега волны вдоль резонатора 1, порядка 0,1 T. Волна в коммутирующем плече тройника за такое время распространится на расстояние не более 0,1T·c≈0,2L, где c - скорость света. Поэтому оценочно предельное количество переключателей будет определяться неравенством n<0,2L/b<d/b.The permissible number of switches in the package of elements that determines the maximum power of the compressor can be estimated based on the following. The switching time to the output mode is largely determined by the size of the region in which the microwave discharge develops in the switch switch. For fast switching, on the output time scale T, the size of this region should be noticeably smaller than the length L of resonator 1. In other words, the switching should be carried out for a time noticeably shorter than the double wave travel time along resonator 1, of the order of 0.1 T. The wave in the switching arm the tee in such a time will extend to a distance of not more than 0.1T · c≈0.2L, where c is the speed of light. Therefore, the estimated maximum number of switches will be determined by the inequality n <0.2L / b <d / b.

Приведенное ограничение получено в предположении последовательного развития процесса коммутации в пакете - от переключателя к переключателю со скоростью света. В действительности процесс, несомненно, развивается сложней. Например, если в первом переключателе процесс инициирован, то во втором он начнется, как минимум, на десятки пикосекунд позже, в третьем еще позже и т.д. запаздывание будет нарастать. При времени развития разряда порядка наносекунды и входных плечах тройников порядка длины волны в волноводе поле на входе пакета в течение этого времени будет падать до величины, определяемой долей энергии, выводимой в нагрузку через открывающийся переключатель. Это может привести к замедлению процесса во втором, третьем и т.д. переключателе. Кроме того, на процесс может оказать влияние трансформация волны на окне связи резонатора с открывающимся переключателем, например, привести к увеличению притока энергии в один переключатель и падению в другой.The above limitation is obtained under the assumption of a sequential development of the switching process in a packet — from switch to switch at the speed of light. In reality, the process is undoubtedly developing more complicated. For example, if the process is initiated in the first switch, then in the second it will start at least tens of picoseconds later, in the third even later, etc. the delay will increase. When the discharge development time is of the order of a nanosecond and the input arms of tees are of the order of the wavelength in the waveguide, the field at the input of the packet during this time will drop to a value determined by the fraction of energy that is transferred to the load through the opening switch. This can lead to a slowdown in the second, third, etc. switch. In addition, the process may be affected by the transformation of the wave at the coupling window of the resonator with the opening switch, for example, leading to an increase in the influx of energy into one switch and fall into another.

Для достижения определенной управляемости процесса необходимо устранить запаздывание переключений в пакете, а также добиться разброса срабатывания СВЧ коммутаторов пакета много меньше T. Реализовать это в пакете с несвязанными коммутирующими плечами непросто. Поэтому более эффективным может быть путь, заключающийся в организации коммутирующей области пакета как единой колебательной системы, т.е. в виде общего коммутирующего плеча. В таком плече исчезает необходимость в синхронном разряде в каждом из переключателей. Требуется только быстрое, в масштабе времени T, изменение резонансной частоты такого плеча за пределы полосы пропускания. Это может быть осуществлено каналом СВЧ разряда с длиной много меньше общей длины каналов при коммутации в несвязанных плечах. Необходимость в синхронизации разрядов исчезает, т.к. в течение времени пробега волны вдоль общего плеча включится обратная связь с входами коммутирующего плеча пакета. Это обеспечит синхронную инверсию фазы отраженных от плеча волн и синхронный перевод пакета в режим «открыто».To achieve a certain controllability of the process, it is necessary to eliminate the switching delay in the packet, and also to achieve a spread in the response of the microwave switches of the packet much less than T. It is not easy to implement this in a packet with unconnected switching shoulders. Therefore, the path consisting in organizing the switching region of the packet as a single oscillatory system, i.e. in the form of a common commuting shoulder. In such a shoulder, the need for a synchronous discharge in each of the switches disappears. All that is needed is a quick, on a time scale T, change in the resonance frequency of such a shoulder beyond the passband. This can be done by a microwave discharge channel with a length much shorter than the total length of the channels when switching in unbound shoulders. The need for synchronization of discharges disappears, because during the travel time of the wave along the common arm, feedback with the inputs of the commuting arm of the packet will turn on. This will provide synchronous phase inversion of the waves reflected from the shoulder and synchronous transfer of the packet to the “open” mode.

Примером конкретного выполнения, подтверждающего работоспособность идеи предлагаемого устройства, могут служить результаты исследования макета резонансного СВЧ компрессора 3-см диапазона длин волн с выводом энергии трансформацией моды колебаний на сдвоенном тройнике.An example of a specific implementation, confirming the operability of the idea of the proposed device, can be the results of a study of a prototype of a resonant microwave compressor of a 3-cm wavelength range with energy output by transformation of the oscillation mode on a double tee.

Компрессор выполнен на основе цилиндрического резонатора диаметром 90 мм и длиной 123 мм. Возбуждение рабочей волны H₀₁ осуществлялось через два окна связи, расположенных симметрично на цилиндрической боковой стенке резонатора на расстоянии 5/4 длины рабочей волны в волноводе от плоской торцовой стенки резонатора 1. Входные волны поступали к окнам связи от генератора СВЧ через E-тройник. Это обеспечивало необходимое при возбуждении Н₀₁ волны соотношение между фазами подводимых к окнам волн. Элементы межмодовой связи, выполненные в виде двух пакетов H-тройников, по два параллельных плотно прилегающих друг к другу тройника в каждом пакете, располагались снаружи плоской торцевой стенки резонатора 1 и связывались с внутренним объемом через окна, расположенные на серединах радиусов по диаметру, лежащему в одной плоскости с окнами ввода энергии. Боковые плечи H-тройников в пакетах были выполнены общими из прямоугольного волновода сечением 23×25 мм. Симметричное возбуждение рабочей H₀₁ волны и расположение элементов преобразования мод исключало взаимодействие волн в процессе накопления энергии.The compressor is made on the basis of a cylindrical resonator with a diameter of 90 mm and a length of 123 mm. The H ₀₁ working wave was excited through two communication windows symmetrically located on the cylindrical side wall of the resonator at a distance of 5/4 of the working wavelength in the waveguide from the flat end wall of the resonator 1. Input waves arrived at the communication windows from the microwave generator through an E-tee. This provided the ratio between the phases of the waves supplied to the windows when the H ₀₁ wave was excited. The intermode coupling elements, made in the form of two packages of H-tees, two parallel tightly adjacent tees in each package, were located outside the flat end wall of the resonator 1 and were connected to the internal volume through windows located at the midpoints of the radii of the diameter lying in one plane with energy input windows. The lateral shoulders of the H-tees in the packets were made common from a rectangular waveguide with a cross section of 23 × 25 mm. The symmetric excitation of the working H ₀₁ wave and the arrangement of mode conversion elements precluded the interaction of waves in the process of energy storage.

Выход резонатора 1 был выполнен в виде плавного перехода с цилиндра резонатора 1 на прямоугольный волновод сечением 23×25 мм со стенками, ориентированными параллельно и идентично стенкам прямых плеч волноводов тройников. Длина резонатора 1 и его рабочая частота выбирались так, что в полосе частот ~50 МНг кроме рабочей моды колебания H₀₁₍₈₎ с частотой f≈9,05 GHz другие моды не возбуждались. Резонансные условия для волны H₁₁ подавлялись сильной связью этой волны с нагрузкой через плавный переход. Этот же переход, запредельный для H₀₁ рабочей волны, обеспечивал развязку этой волны с нагрузкой в режиме накопления.The output of the resonator 1 was made in the form of a smooth transition from the cylinder of the resonator 1 to a rectangular waveguide with a cross section of 23 × 25 mm with walls oriented parallel and identical to the walls of the straight arms of the tee waveguides. The cavity length 1 and its operating frequency were chosen so that in the frequency band of ~ 50 MNg, in addition to the working mode of H _{01 (8)} vibration with a frequency f≈9.05 GHz, other modes were not excited. The resonance conditions for the H ₁₁ wave were suppressed by the strong coupling of this wave to the load through a smooth transition. The same transition, transcendental for H _{01 of the} working wave, provided the isolation of this wave with the load in the accumulation mode.

В установке использовался магнетрон с импульсной мощностью 50 кВт. Разряд в СВЧ коммутаторе зажигался в аргоне при атмосферном давлении. Регулирование связи волн осуществлялось изменением длины короткозамкнутых прямых плеч H-тройников, а также параллельным подключением тройников к резонатору.The installation used a magnetron with a pulse power of 50 kW. The discharge in the microwave switch was ignited in argon at atmospheric pressure. Regulation of the wave coupling was carried out by changing the length of the short-circuited straight arms of the H-tees, as well as by connecting the tees to the resonator in parallel.

На рабочей моде колебаний H₀₁₍₈₎ собственная добротность накопительного резонатора составляла Q₀≈1,7×10⁴. Расчетное время двойного пробега волны H₀₁ вдоль резонатора равнялось T ~1,3 нс, при этом расчетное усиление резонатора, определяемое как Q₀/2π·f·T, достигало ~20,5 дВ.In the working mode of oscillations H _{01 (8), the} intrinsic Q factor of the storage resonator was Q ₀ ≈1.7 × 10 ⁴ . The estimated double-travel time of the H ₀₁ wave along the resonator was T ~ 1.3 ns, and the calculated resonator gain, defined as Q ₀ / 2π · f · T, reached ~ 20.5 dV.

При формировании импульсов в резонансном СВЧ компрессоре с трансформацией моды колебаний на одном перестраиваемом элементе связи было достигнуто усиление мощности ~7 дВ при длительности выходных СВЧ импульсов ~7 нс по уровню - 3 дВ. Пиковая мощность импульсов не превышала 0,25 МВт. При увеличении длины плеч Н-тройников выходные импульсы изменялись от коротких наносекундных, до более длинных (~3-4 нс) с синусоидальной модуляцией экспоненциального спада. Затем импульсы удлинялись с изменением формы огибающей до куполообразной с максимальным усилением ~7 дВ при длительности ~7 нс. Такая эволюция импульсов обусловлена влиянием набега фазы волны в перестраиваемом элементе межмодовой связи.During the formation of pulses in a resonant microwave compressor with the transformation of the oscillation mode on one tunable communication element, a power gain of ~ 7 dV was achieved with a duration of output microwave pulses of ~ 7 ns at a level of -3 dV. The peak power of the pulses did not exceed 0.25 MW. With an increase in the shoulder length of the H-tees, the output pulses changed from short nanosecond to longer (~ 3-4 ns) with sinusoidal modulation of the exponential decay. Then, the pulses were elongated with a change in the shape of the envelope to a dome-shaped one with a maximum gain of ~ 7 dV for a duration of ~ 7 ns. This evolution of pulses is due to the influence of the phase incursion of the wave in the tunable intermode coupling element.

Для проверки суммарного действия элементов исследовался вывод при трансформации на двух параллельных тройниках с увеличенным окном связи. Одновременное действие элементов привело к увеличению усиления до 9 дБ и уменьшению длительности импульсов до ~5 нс. Такой рост усиления показывает, что для вывода энергии за время, сравнимое с временем двойного пробега волны вдоль резонатора и получения усиления, близкого е расчетному, требуется ~8-10 синхронизованных элементов.To check the total action of the elements, the conclusion was studied during transformation on two parallel tees with an enlarged communication window. The simultaneous action of the elements led to an increase in the gain to 9 dB and a decrease in the pulse duration to ~ 5 ns. Such a gain increase shows that ~ 8-10 synchronized elements are required for energy output in a time comparable to the double mean free path along the resonator and to obtain amplification close to the calculated one.

Таким образом, полученные результаты демонстрируют возможность повышения мощности СВЧ импульсов в резонансном СВЧ компрессоре с выводом энергии трансформацией моды колебаний использованием синхронно работающего пакета элементов межмодовой связи. Симметричное исполнение двух пакетов, очевидно, допускает двукратное повышение частоты следования выходных импульсов.Thus, the obtained results demonstrate the possibility of increasing the power of microwave pulses in a resonant microwave compressor with energy output by the transformation of the oscillation mode using a synchronously working package of intermode coupling elements. The symmetrical execution of the two packets, obviously, allows a twofold increase in the repetition rate of the output pulses.

Claims

Resonant microwave compressor containing a multimode storage resonator of length L with an energy input device, an output device on the output wall made in the form of a smooth transition from the resonator body to the output waveguide, and an electronic microwave switch located on the flat end wall in the form of an N-tee waveguide, characterized the fact that it contains the second microwave switch, the switches are located symmetrically relative to the center of the wall, at a distance from the center equal to a quarter of the wall size d, and the straight shoulders of the microwave tees Mutators are made of n standard rectangular waveguides with a smaller wall of size b, where n satisfies the inequalities n <0.2L / b <d / b, and the half-wave short-circuited lateral shoulder of the tees is made of an oversized waveguide in which the oversize wall has size nb and the second the wall is identical to the wide wall a of a standard rectangular waveguide and a dielectric gas discharge tube is arranged coaxially with the shoulder in the lateral shoulder, orthogonal to the wall with size a, the input device is symmetrically mirror-shaped about the display on the side walls of the resonator in the плоскости-plane of the working mode of oscillations at a distance from the flat end wall of the resonator equal to an odd number of quarters of the wavelength of the working mode in the resonator, and the output waveguide of the output device is identical to the side arms of the tees of the microwave switches and oriented identically to the straight arms of the tees .