RU2137265C1

RU2137265C1 - Microwave pulse shaper

Info

Publication number: RU2137265C1
Application number: RU97122026A
Authority: RU
Inventors: М.Г. Краузе; С.Н. Артеменко; В.А. Августинович; Ю.Г. Юшков
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики Томского политехнического университета
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 1999-09-10

Abstract

FIELD: microwave pulse engineering. SUBSTANCE: pulse shaper has cylindrical resonator with energy input and output members, electronic switch with electrode connected to control signal source and made in the form of waveguide section of λ_w/2 wavelength shorted out on one end and connected directly to end wall of resonator at distance d/4 from its axis; switch electrode is mounted in hole on side wall of waveguide section at λ_w/4 distance from its shorted-out wall, where λ_w is wavelength in waveguide and d is diameter of cylindrical resonator. EFFECT: improved operating power of device. 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии колебаний СВЧ на входе в энергию колебаний на выходе для повышения уровня мощности и может быть использовано для формирования мощных СВЧ-импульсов в радиолокации, технике СВЧ и т.п. The invention relates to devices for converting the energy of microwave oscillations at the input to the energy of oscillations at the output to increase the power level and can be used to generate powerful microwave pulses in radar, microwave technology, etc.

Известно 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 - mλ_в/2, где m - целое число; λ_в - 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 λ_в/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. Собственная частота тройника изменяется, и накопленная СВЧ-энергия поступает через открытое плечо в нагрузку в виде импульса.A device for the formation of microwave pulses [R.A. Alvarez. Pre-pulse suppression In microwave resonators with pulse compression. "Instruments for scientific research." 1986, No. 10, p. 61], comprising a microwave generator coupled by 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 is mλ _in / 2, where m is an integer; λ _in - 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 of λ _in / 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 natural frequency of the tee changes, and the accumulated microwave energy enters through the open shoulder into the load in the form of an impulse.

Известное устройство имеет большой коэффициент усиления, однако имеет невысокую энергию колебаний на выходе. The known device has a large gain, but has a low oscillation energy at the output.

Выберем в качестве прототипа устройство формирования СВЧ-импульсов [см. А. С. СССР N 862800], содержащее цилиндрический резонатор с элементами ввода и вывода энергии и электронный коммутатор, соединенный с источниками управляющих сигналов и расположенный внутри цилиндрического резонатора. Электронный коммутатор выполнен в виде металлических шариков, установленных с зазором в трубке из диэлектрического материала, к концам которой подведены электроды, подключенные к источнику управляющих сигналов. Упомянутая трубка расположена параллельно торцевой стенке цилиндрического резонатора на расстоянии λ_в/4. Элемент вывода энергии выполнен в виде отрезка волновода, запредельного для частоты входных колебаний. После подачи на электроды напряжения от источника управляющих сигналов происходит импульсный пробой, что вызывает сильное искажение высокочастотного поля около многозазорного разрядника и сдвиг резонансной частоты. В результате этого происходит перестройка структуры высокочастотного поля, которая приводит к тому, что запредельный волновод перестает быть запредельным и электромагнитная энергия излучается из резонатора в виде импульса СВЧ.We choose a prototype device for the formation of microwave pulses [see AS USSR N 862800], containing a cylindrical resonator with energy input and output elements and an electronic switch connected to the sources of control signals and located inside the cylindrical resonator. The electronic switch is made in the form of metal balls installed with a gap in the tube of dielectric material, to the ends of which electrodes connected to the source of control signals are connected. The mentioned tube is parallel to the end wall of the cylindrical resonator at a distance of λ _in / 4. The energy output element is made in the form of a waveguide segment that is beyond the limits of the input oscillation frequency. After applying voltage to the electrodes from the source of control signals, a pulse breakdown occurs, which causes a strong distortion of the high-frequency field near the multi-gap spark gap and a shift of the resonant frequency. As a result of this, a restructuring of the high-frequency field occurs, which leads to the fact that the transcendental waveguide ceases to be transcendental and electromagnetic energy is radiated from the resonator in the form of a microwave pulse.

Известное устройство обладает достаточно высоким коэффициентом усиления k ≈ 13. Однако данное устройство имеет два существенных недостатка, связанных с расположением разрядника непосредственно в полости резонатора. Во-первых, из-за трансформации на элементах конструкции разрядника рабочего типа волны в другие типы волн, излучающиеся в нагрузку через выходной волновод, снижается добротность резонатора в режиме накопления и, во-вторых, такое расположение уменьшает электрическую прочность резонатора из-за присутствия указанных элементов в максимуме электрической составляющей электрического поля. The known device has a sufficiently high gain k ≈ 13. However, this device has two significant drawbacks associated with the location of the arrester directly in the cavity of the resonator. Firstly, due to the transformation on the structural elements of the spark gap of the working type of wave into other types of waves emitted into the load through the output waveguide, the quality factor of the resonator in the accumulation mode is reduced and, secondly, this arrangement reduces the dielectric strength of the resonator due to the presence of these elements in the maximum electric component of the electric field.

Таким образом, по-прежнему актуальной остается задача создания формирователя мощных СВЧ-импульсов, позволяющих работать с высокой рабочей мощностью. Thus, the task of creating a shaper of powerful microwave pulses, allowing to work with high working power, remains relevant.

Этот технический результат достигается тем, что формирователь СВЧ-импульсов, как и прототип, содержит цилиндрический резонатор диаметра d с элементами ввода и вывода энергии и электронный коммутатор с электродом, подключенным к источнику управляющих сигналов. В отличие от прототипа электронный коммутатор выполнен в виде закороченного с одной стороны волноводного отрезка длиной λ_в/2, расположенного вне резонансного объема и присоединенного второй стороной через окно связи к торцевой стенке цилиндрического резонатора. Волноводный отрезок расположен на расстоянии d/4 от оси цилиндрического резонатора. Окно связи равно поперечному сечению волноводного отрезка. Электрод коммутатора расположен в отверстии на боковой стенке волноводного отрезка на расстоянии λ_в/4 от его закороченной стенки.This technical result is achieved in that the microwave pulse generator, like the prototype, contains a cylindrical resonator of diameter d with energy input and output elements and an electronic switch with an electrode connected to the source of control signals. Unlike the prototype, the electronic switch is made in the form of a shorted waveguide length λ _in / 2 shortened on one side, located outside the resonance volume and connected by the second side through the communication window to the end wall of the cylindrical resonator. The waveguide segment is located at a distance d / 4 from the axis of the cylindrical resonator. The communication window is equal to the cross section of the waveguide segment. The switch electrode is located in the hole on the side wall of the waveguide segment at a distance of λ _in / 4 from its shorted wall.

Схематически предлагаемое устройство представлено на фиг. 1 где цифрами обозначено: 1 - накопительный резонатор, 2 электронный коммутатор, 3 - источник управляющих сигналов, 4 - элемент ввода, 5 - элемент вывода, 6 - источник, возбуждающий колебания, 7 - поджигающий электрод, 8 - окно связи. Источник 6, возбуждающий колебания, через элемент возбуждения 4, связан с резонатором 1. Накопительный резонансный объем выполнен из круглого волновода диаметра d длиной pλ_в/2, где p - целое число; λ_в - длина волны в волноводе. Электронный коммутатор 2 выполнен в виде закороченного с одной стороны волноводного отрезка длиной λ_в/2, расположенного вне резонансного объема и присоединенного второй стороной через окно связи 8, равное поперечному сечению волноводного отрезка, к торцевой стенке цилиндрического резонатора на расстоянии d/4 от ее оси. Устройство вывода энергии 5 выполнено в виде отрезка прямоугольного волновода, запредельного для H₂₀ колебаний.Schematically, the proposed device is presented in FIG. 1 where the numbers indicate: 1 - storage resonator, 2 electronic switch, 3 - source of control signals, 4 - input element, 5 - output element, 6 - source, exciting oscillations, 7 - ignition electrode, 8 - communication window. The oscillation exciting source 6, through the excitation element 4, is connected to the resonator 1. The storage resonant volume is made of a circular waveguide of diameter d of length pλ _in / 2, where p is an integer; λ _in - wavelength in the waveguide. The electronic switch 2 is made in the form of a short-circuited waveguide segment of length λ _in / 2, located outside the resonant volume and connected by the second side through the communication window 8, equal to the cross section of the waveguide segment, to the end wall of the cylindrical resonator at a distance d / 4 from its axis . The energy output device 5 is made in the form of a segment of a rectangular waveguide, beyond the limits of H ₂₀ oscillations.

Формирователь СВЧ-импульсов работает следующим образом. Shaper microwave pulses works as follows.

От источника возбуждающих колебаний 6, через элемент 4 ввода энергии поступают СВЧ-колебания. Это приводит к тому, что во внутреннем объеме резонатора 1 возбуждается СВЧ-поле H_01p на резонансной длине волны λ и происходит процесс накопления энергии. Размеры электронного коммутатора 2 необходимо подобрать так, чтобы его связь с резонатором во время процесса накопления была сильная. Это достигается в том случае, когда длина электронного коммутатора равна λ_в/2 и в нем возбуждается H₁₀ колебание. Структура H_01p колебания в цилиндрическом резонаторе на окне связи 8 похожа на структуру H₁₀ волны прямоугольного резонатора (см. фиг. 2). В результате связь между резонатором и коммутатором сильная, коммутатор не изменяет интерференционную картину поля в резонаторе во время процесса накопления. Излучения из выходного волновода 5 не происходит, в результате противофазности на окне связи полей для H_01p и H₁₀ и запредельности волновода для H₂₀ колебания. После подачи напряжения от источника управляющих сигналов 3 на электрод 7, происходит пробой на расстоянии λ_в/4 от торцевой стенки коммутатора. В результате изменилась интерференционная картина поля в резонаторе (см. фиг. 3). Помимо H_01p колебаний станут возбуждаться высшие типы колебаний. Наиболее возможно возбуждение резонатора на E_11p колебании, так как для него обусловлена сильная связь с электронным коммутатором и выходным волноводом и оно сильно вырождено с H_01p колебанием. В результате нарушаются условия противофазности для H₁₀ колебания и энергия, накопленная в резонаторе, в виде короткого мощного СВЧ-импульса из устройства вывода попадет на нагрузку.From the source of exciting oscillations 6, through the element 4 of the energy input, microwave oscillations are received. This leads to the fact that in the internal volume of the resonator 1, a microwave field H _{01p is excited} at a resonant wavelength λ and an energy storage process occurs. The dimensions of the electronic switch 2 must be selected so that its connection with the resonator during the accumulation process is strong. This is achieved when the length of the electronic switch is equal to λ _in / 2 and H ₁₀ oscillation is excited in it. The oscillation structure H _01p in the cylindrical resonator on the coupling window 8 is similar to the structure of the H ₁₀ wave of a rectangular resonator (see FIG. 2). As a result, the coupling between the resonator and the switch is strong; the switch does not change the interference pattern of the field in the cavity during the accumulation process. Radiation from the output waveguide 5 does not occur, as a result of the out-of-phase field coupling window for H _01p and H ₁₀ and the transcendence of the waveguide for H ₂₀ oscillations. After applying voltage from the source of control signals 3 to the electrode 7, a breakdown occurs at a distance of λ _in / 4 from the end wall of the switch. As a result, the interference pattern of the field in the cavity has changed (see Fig. 3). In addition to H _01p vibrations, higher types of vibrations will become excited. The resonator is most likely to be excited by the E _11p oscillation, since it is due to strong coupling with the electronic switch and the output waveguide, and it is highly degenerate with the H _01p oscillation. As a result, the antiphase conditions for H ₁₀ oscillations are violated and the energy accumulated in the resonator, in the form of a short powerful microwave pulse from the output device, will get to the load.

Так, для системы 3-см-диапазона с резонатором, имеющим диаметр 90 и длину 213.5 мм и работающим на частоте 9.4 гГц на H₀₁₁₂ виде колебаний, электронный коммутатор выполнен из стандартного волновода длиной 17.3 мм с поперечным сечением 28.5 - 12.6 мм. Электронный коммутатор расположен на расстоянии 22.5 мм от оси резонатора. В качестве выходного волновода использовался прямоугольный волновод с сечением 28.5-12.6 мм, подсоединенный соосно с резонатором ко второй его торцевой крышке. Система питалась от магнетронного генератора с выходной импульсной мощностью ≈ 60 кВт при длительности ≈ 1 мкс. Максимальный коэффициент усиления составил 9 дБ при пиковой мощности выходного сигнала ≈ 0,5 МВт и длительности по уровню 0.5 около 30 нс.So, for a 3-cm-range system with a resonator having a diameter of 90 and a length of 213.5 mm and operating at a frequency of 9.4 GHz on H ₀₁₁₂ mode of oscillation, the electronic switch is made of a standard waveguide with a length of 17.3 mm with a cross section of 28.5 - 12.6 mm. The electronic switch is located at a distance of 22.5 mm from the axis of the resonator. A rectangular waveguide with a cross section of 28.5–12.6 mm connected coaxially with the resonator to its second end cap was used as the output waveguide. The system was powered by a magnetron generator with an output pulse power of ≈ 60 kW and a duration of ≈ 1 μs. The maximum gain was 9 dB with a peak output signal power of ≈ 0.5 MW and a duration of 0.5 around 30 ns.

Claims

A microwave pulse generator comprising a cylindrical resonator with energy input and output elements and an electronic switch with an electrode connected to a source of control signals, characterized in that the electronic switch is made in the form of a short-circuited waveguide length λ _in / 2, directly connected to end wall of the cavity at a distance d / 4 from its axis, and the switch electrode is arranged in an opening in the sidewall of the waveguide segment _at a distance λ / 4 from the shorted its wall, wherein _in - the wavelength in the waveguide, and d - diameter of the cylindrical cavity.