RU2124803C1

RU2124803C1 - Device for generation of heavy-power nanosecond microwave pulses

Info

Publication number: RU2124803C1
Application number: RU97114120A
Authority: RU
Inventors: М.Г. Краузе; С.А. Новиков; Ю.Г. Юшков
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 1999-01-10

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: goal of invention is achieved by design of output assembly. Power which is accumulated in accumulation resonant chamber is output through cross slits which are cut in wide wall of resonator. Orientation of slits provides negligible emission during power accumulation by means of their location in parallel to currents running through wide wall of resonator. When power line of high-frequency electric field is closed in point spaced from face wall by λ_b/4, orientation of currents with respect to slits is altered. This results in power emission through slits. Alternation of number, length and width of slits leads to alternation of power gain. EFFECT: increased power gain for decreased weight and size. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться для излучения мощных наносекундных СВЧ-импульсов в пространство. The invention relates to the field of electronics and can be used to emit powerful nanosecond microwave pulses into space.

Известно устройство формирования СВЧ-импульсов [С.Н.Артеменко, В.Л.Каминский, Ю. Г. Юшков Вывод энергии из резонансного СВЧ-накопителя. Письма в ЖТФ. т. 7, вып. 24], содержащее СВЧ-генератор накачки, цилиндрический медный многомодовый резонатор 10-см диапазона, возбуждаемый на типе колебания H_01n, разрядник, запредельный волновод, антенну. При формировании импульсов таким способом резонатор играет роль компрессора, преобразующего непрерывные СВЧ-колебания малой мощности в мощные импульсы, длительность которых много меньше времени возбуждения резонатора. Приближенно степень сжатия и коэффициент усиления импульсной мощности определяются как k ≈ Q_Н/Q_В, где Q_Н - добротность резонатора во время накопления энергии, Q_В - добротность резонатора в момент выводы. Следовательно, для получения максимального коэффициента усиления необходимо уменьшить Q_В и увеличить Q_Н. Вывод накопленной СВЧ-энергии происходил через запредельный волновод для волны H₀₁, подключенный к торцевой стенке цилиндрического резонатора. Переключение из режима накопления в режим вывода осуществляется с помощью многозазорного последовательного разрядника, установленного внутри резонатора вдоль силовой линии высокочастотного электрического поля. После подачи на разрядник напряжения и зажигания плазмы разряда между электродами происходит замыкание силовой линии высокочастотного электрического поля вдоль разрядника, и интерференционная картина поля внутри резонатора нарушается. Все это приводит к преобразованию типа колебания H_01n в H₁₁, для которого запредельный волновод перестает быть запредельным, и электромагнитная энергия излучается из резонатора на волне H₁₁ в виде импульса СВЧ.A device for generating microwave pulses is known [S.N. Artemenko, V.L.Kaminsky, Yu. G. Yushkov Energy output from a resonant microwave storage device. Letters to the PTF. t. 7, no. 24], which contains a microwave pump generator, a cylindrical copper multimode resonator of the 10 cm range, excited by the oscillation type H _01n , a spark gap, a _transverse waveguide, and an antenna. When forming pulses in this way, the resonator plays the role of a compressor that converts continuous microwave oscillations of low power into powerful pulses whose duration is much shorter than the resonator excitation time. Approximately the compression ratio and the gain of the pulsed power are defined as k ≈ Q _N / Q _V , where Q _N is the Q factor of the resonator during energy storage, Q _V is the Q factor of the resonator at the time of the conclusions. Therefore, to obtain the maximum gain, it is necessary to decrease Q _B and increase Q _N. The accumulated microwave energy was output through the transcendental waveguide for wave H ₀₁ connected to the end wall of the cylindrical resonator. Switching from the accumulation mode to the output mode is carried out using a multi-gap sequential arrester installed inside the resonator along the power line of the high-frequency electric field. After applying voltage to the spark gap and igniting the discharge plasma between the electrodes, the power line of the high-frequency electric field closes along the spark gap, and the interference pattern of the field inside the resonator is violated. All this leads to a transformation of the type of oscillation H _01n into H ₁₁ , for which the transcendental waveguide ceases to be transcendental, and electromagnetic energy is radiated from the resonator on the wave H ₁₁ in the form of a microwave pulse.

Известное устройство обладает большим коэффициентом полезного действия η ≈ 0,7 - 0,8, однако обладает низким коэффициентом усиления k ≈ 13 дБ, так как невозможно обеспечить малое значение добротности резонатора при выводе. К недостаткам устройства относятся также его большие габариты и вес, так как необходимо использовать для вывода накопленной энергии запредельный волновод и антенну. The known device has a high efficiency η ≈ 0.7 - 0.8, however, it has a low gain k ≈ 13 dB, since it is impossible to provide a small value of the quality factor of the resonator during output. The disadvantages of the device also include its large dimensions and weight, since it is necessary to use a transverse waveguide and antenna to output the stored energy.

Выберем в качестве прототипа устройство формирования СВЧ-импульсов [Р.А. Альварес. Подавление предимпульса в СВЧ-резонаторах со сжатием импульса. "Приборы для научных исследований". 1986, N 10, с. 61], содержащее СВЧ-генератор, связанный элементом возбуждения с накопительным резонансным объемом, электронный коммутатор и устройство вывода СВЧ-энергии из резонатора. Резонансный объем образован отрезком одномодового регулярного прямоугольного волновода, ограниченного с одной стороны элементом возбуждения, а с другой стороны устройством вывода, выполненным в виде волноводного тройника с короткозамкнутым плечом. Длина резонансного объема mλb/2, где m - целое число; λb - длина волны в волноводе. Поперечные размеры регулярного волновода и волновода тройника одинаковы, сравнимы с рабочей длиной волны λ и обеспечивают распространение H₁₀ волны. Длина короткозамкнутого плеча подобрана так, что в процессе возбуждения резонансного объема излучения из открытого плеча тройника не происходит. Поджигающий электрод электронного коммутатора находится вне объема резонатора в отверстии широкой стенки короткозамкнутого плеча на расстоянии λb/4 от закорачивающей стенки. После возбуждения резонатора на поджигающий электрод подается импульс напряжения. За счет образования искры между электродом и стенкой волновода инициируется СВЧ-разряд, замыкающий противоположные широкие стенки волновода в области расположения поджигающего электрода. Частота отражения тройника изменяется, и накопленная СВЧ-энергия поступает в нагрузку в виде импульса.We choose a prototype device for the formation of microwave pulses [R.A. Alvarez. Pre-pulse suppression in microwave resonators with pulse compression. "Instruments for scientific research." 1986, N 10, p. 61], comprising a microwave generator coupled to an excitation element with a storage resonant volume, an electronic switch, and a device for outputting microwave energy from the resonator. The resonant volume is formed by a segment of a single-mode regular rectangular waveguide bounded on one side by an excitation element and, on the other hand, by an output device made in the form of a waveguide tee with a short-circuited shoulder. The length of the resonant volume mλb / 2, where m is an integer; λb is the wavelength in the waveguide. The transverse dimensions of the regular waveguide and the tee waveguide are the same, comparable to the working wavelength λ and ensure the propagation of the H ₁₀ wave. The length of the short-circuited arm is selected so that during excitation of the resonant volume of radiation from the open arm of the tee does not occur. The ignition electrode of the electronic switch is located outside the cavity volume in the hole of the wide wall of the short-circuited arm at a distance λb / 4 from the shorting wall. After the resonator is excited, a voltage pulse is applied to the ignition electrode. Due to the formation of a spark between the electrode and the waveguide wall, a microwave discharge is initiated that closes the opposite wide walls of the waveguide in the region of the ignition electrode. The reflection frequency of the tee changes, and the accumulated microwave energy enters the load in the form of a pulse.

Известное устройство имеет большой коэффициент усиления k ≈ 20 дБ, однако обладает большими габаритами, так как для излучения накопленной энергии из резонансного объема необходимо наличие волноводного тройника и дополнительного волноводного тракта. The known device has a large gain k ≈ 20 dB, but has large dimensions, since the radiation of the stored energy from the resonant volume requires a waveguide tee and an additional waveguide path.

Таким образом, по-прежнему актуальной остается задача создания источника мощных наносекундных СВЧ-импульсов, имеющего высокий уровень СВЧ-мощности (т.е. высокий коэффициент усиления) и обладающего небольшими весогабаритными характеристиками. Thus, the task of creating a source of powerful nanosecond microwave pulses that has a high level of microwave power (i.e., high gain) and has small weight and size characteristics remains relevant.

Для решения этой задачи устройство, как и прототип, содержит СВЧ-генератор, связанный элементом возбуждения с накопительным одномодовым резонансным объемом, образованным отрезком регулярного прямоугольного волновода, электронный коммутатор и устройство вывода энергии. В отличие от прототипа устройство вывода выполнено в виде поперечных щелей, прорезанных в широкой стенке волновода, первая щель прореза на расстоянии 3λb/4 от торцевой стенки резонатора, а расстояние между соседними щелями кратно λb/2.
Схематически предлагаемое устройство представлено на фиг. 1, где цифрами обозначено: 1 - накопительный резонатор, 2 - электронный коммутатор, 3 - элемент ввода энергии, 4 - устройство вывода энергии, 5 - источник, возбуждающий колебания; буквами обозначено: a - ширина широкой стенки волновода, l - длина щели (в данном устройстве длина щели l равна ширине широкой стенки), d - ширина щели. Источник возбуждающих колебаний 5 через элемент возбуждения 3, выполненный в виде петли, размещенной на расстоянии a/2 от узкой стенки резонатора, связан с резонатором 1. Накопительный резонансный объем выполнен из прямоугольного регулярного волновода длиной pλb/2, где p - целое число, λb - длина волны в волноводе. Электронный коммутатор 2 выполнен в виде поджигающего электрода, расположенного вне объема резонатора на расстоянии λb/4 от торцевой стенки резонатора, подключенного к источнику поджигающего напряжения. Устройство вывода энергии выполнено в виде поперечных щелей длиной l, шириной d. Первая щель прорезана на расстоянии 3λb/4 от торцевой стенки резонатора, расстояние между соседними щелями кратно λb/2.
Устройство для получения мощных наносекундных импульсов работает следующим образом.To solve this problem, the device, like the prototype, contains a microwave generator connected by an excitation element with a storage single-mode resonant volume formed by a segment of a regular rectangular waveguide, an electronic switch, and an energy output device. Unlike the prototype, the output device is made in the form of transverse slots cut in the wide wall of the waveguide, the first slot of the slot at a distance of 3λb / 4 from the end wall of the resonator, and the distance between adjacent slots is a multiple of λb / 2.
Schematically, the proposed device is presented in FIG. 1, where the numbers indicate: 1 - storage resonator, 2 - electronic switch, 3 - energy input element, 4 - energy output device, 5 - source, exciting oscillations; the letters indicate: a is the width of the wide wall of the waveguide, l is the length of the slit (in this device, the length of the slit l is equal to the width of the wide wall), d is the width of the slit. The source of exciting vibrations 5 through the exciting element 3, made in the form of a loop placed at a distance of a / 2 from the narrow wall of the resonator, is connected to the resonator 1. The storage resonant volume is made of a rectangular regular waveguide of length pλb / 2, where p is an integer, λb is the wavelength in the waveguide. The electronic switch 2 is made in the form of an ignition electrode located outside the cavity volume at a distance λb / 4 from the end wall of the resonator connected to the ignition voltage source. The energy output device is made in the form of transverse slits of length l, width d. The first slit is cut at a distance of 3λb / 4 from the end wall of the resonator; the distance between adjacent slits is a multiple of λb / 2.
A device for producing powerful nanosecond pulses works as follows.

От источника возбуждающих колебаний 5 через элемент 3 ввода энергии поступают СВЧ-колебания. Это приводит к тому, что во внутреннем объема резонатора возбуждается СВЧ-поле H_10р на резонансной длине волны λ и происходит процесс накопления энергии. Конфигурация поля в резонаторе изображена на фиг. 2. Буквой H обозначены силовые линии магнитного поля в резонаторе, а буквой I - токи в широкой стенке резонатора. Щели 4 благодаря выполнению условий, описанных выше, а именно, расстояние от торцевой стенки до первой щели 3λb/4 (она не может находиться на λb/4, так как здесь расположен поджигающий электрод электронного коммутатора), а расстояние между соседними щелями кратно λb/2 (см. фиг. 2), приведет в тому, что они будут расположены симметрично относительно токов, бегущих по широкой стенке резонатора, следовательно, поток электромагнитной энергии, излучаемый с части S поверхности щели, будет противофазным потоку электромагнитной энергии, излучаемой с поверхности S₁, и излучения из щели в процессе накопления происходить не будет. После окончания процесса накопления энергии и подачи напряжения на поджигающий электрод электронного коммутатора 2, установленный на расстоянии λb/4 от торцевой стенки, происходит замыкание силовой линии высокочастотного электрического поля вдоль разрядника. Это приводит к тому, что волна, бегущая от торцевой стенки, отразится в месте разряда, изменив при этом фазу на π/2, и в виде бегущей волны будет распространяться по резонатору. В результате произойдет переориентация токов, бегущих по широкой стенки резонатора, относительно прорезанных щелей 4 (см. фиг. 2) и энергия, накопленная в резонаторе, начнет излучаться из щелей 4. Для того, чтобы энергия излучалась за один проход бегущей волны в резонаторе, длина щели берется как можно больше l = a, а чтобы излучение каждой щели способствовало улучшению общей диаграммы направленности излучения, щели лучше расположить на расстоянии λb/2 между собой.From the source of exciting vibrations 5 through the element 3 of the energy input receives microwave oscillations. This leads to the fact that a microwave field H _{10p is} excited in the internal volume of the resonator at a resonant wavelength λ and an energy storage process takes place. The configuration of the field in the cavity is shown in FIG. 2. The letter H denotes the lines of force of the magnetic field in the resonator, and the letter I denotes the currents in the wide wall of the resonator. Slots 4 due to the fulfillment of the conditions described above, namely, the distance from the end wall to the first slot 3λb / 4 (it cannot be on λb / 4, since the ignition electrode of the electronic switch is located here), and the distance between adjacent slits is a multiple of λb / 2 (see Fig. 2), will result in the fact that they will be located symmetrically with respect to the currents traveling along the wide cavity wall, therefore, the electromagnetic energy flux emitted from the slit surface part S will be out of phase with the electromagnetic energy flux emitted from ited S _1, and the radiation from the slot in the accumulation will not occur. After the process of energy storage and voltage supply to the ignition electrode of the electronic switch 2, installed at a distance of λb / 4 from the end wall, the power line of the high-frequency electric field closes along the spark gap. This leads to the fact that the wave traveling from the end wall will be reflected at the discharge site, changing the phase by π / 2, and will propagate in the form of a traveling wave along the resonator. As a result, there will be a reorientation of the currents traveling along the wide cavity wall relative to the cut slots 4 (see Fig. 2) and the energy stored in the resonator will begin to be emitted from the slots 4. In order for the energy to be radiated in one pass of the traveling wave in the resonator, the length of the slit is taken as large as l = a, and so that the radiation of each slit contributes to the improvement of the general radiation pattern, it is better to arrange the slots at a distance of λb / 2 between themselves.

В качестве примера приведем устройство с резонатором размерами широкой стенки a = 7,2 см, узкой стенки b = 3,4 см, длиной l = 80 см. Генератором (λ = 10,7 см) через элемент связи, выполненный в виде петель, в резонаторе возбуждалось H_mnp волна, где m = 1, n = 0, p = 10. Первая щель прорезается на расстоянии 12 см от торцевой стенки резонатора, расстояние между соседними щелями 16 см, ширина щели d = 2 см, длина щели 7,2 см, число щелей n = 9. После того как электронным коммутатором на расстоянии 4 см от торцевой стенки происходил пробой, фаза поля H₁₀₁₀ меняется на λb/4, происходит переориентация токов относительно прорезанных щелей и энергия, накопления в резонаторе, излучается. Для данного устройства отношение накопленной мощности в резонаторе к излучаемой из одной щели определится из А.З.Фрадин. Антенны сверхвысоких частот. Изд. "Советское радио", Москва - 1957, стр. 442, как

где λ_кр - критическая длина волны (λ_кр= 14,4 см);
c - скорость света;
μ - магнитная постоянная.As an example, we give a device with a resonator with the dimensions of the wide wall a = 7.2 cm, the narrow wall b = 3.4 cm, and the length l = 80 cm. The generator (λ = 10.7 cm) through a coupling element made in the form of loops, An H _mnp wave was excited in the resonator, where m = 1, n = 0, p = 10. The first slit is cut at a distance of 12 cm from the end wall of the resonator, the distance between adjacent slots is 16 cm, the slit width is d = 2 cm, the length of the slit is 7, 2 cm, the number of slots n = 9. After the electronic switch at a distance of 4 cm from the end wall of the breakdown occurred, the phase of the field H is changed to ₁₀₁₀ λb / 4 occurs reorientation relative currents cut by the slits and the energy accumulation in the resonator is emitted. For this device, the ratio of the accumulated power in the resonator to the radiated from one slot is determined from A.Z. Fradin. Microwave Antennas. Ed. Soviet Radio, Moscow - 1957, p. 442, as

where λ _kr is the critical wavelength (λ _kr = 14.4 cm);
c is the speed of light;
μ is the magnetic constant.

Ширина главного лепестка θ на уровне половинной мощности определится из Д. И. Воскресенский. Антенны и устройства СВЧ. Москва, изд. "Радио и связь", 1994, стр. 222:

В результате для исследуемого устройства получим, что достаточно девяти щелей, чтобы в режиме бегущей волны вся накопленная энергия излучалась из резонатора с шириной главного лепестка на уровне половинной мощности θ ≈ 40 град с достаточно большим коэффициентом усиления k ≈ 120.The width of the main lobe θ at half power is determined from D. I. Voskresensky. Antennas and microwave devices. Moscow, ed. Radio and Communications, 1994, p. 222:

As a result, for the device under study, we find that nine slots are sufficient for all traveling energy to be emitted from the resonator in the traveling wave mode with a main lobe width of half power θ ≈ 40 deg with a sufficiently large gain k ≈ 120.

Claims

A device for producing powerful nanosecond microwave pulses, comprising a microwave generator coupled to an excitation element with a rectangular single-mode resonator, an electronic switch and an energy output device, characterized in that the energy output device is made in the form of transverse slots cut through a wide cavity wall, the first slot cut at a distance of 3λ _b / 4 from the end wall of the resonator, and the distance between adjacent slots is a multiple of λ _b / 2, where λ _b is the wavelength in the waveguide.