RU2843970C1 - Генератор периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для генерации периодической последовательности мощных коротких СВЧ-импульсов. Техническим результатом изобретения является возможность генерации периодической последовательности коррелированных СВЧ-импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей с уровнем мощности 0,1-1 кВт. Генератор периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов включает основную лампу бегущей волны (ЛБВ), направленный ответвитель, регулируемый аттенюатор. К выходу основного плеча направленного ответвителя подключен N-плечевой делитель СВЧ-мощности, где к каждому из N плеч подключены цепи фильтрации и усиления, состоящие из входного вентиля, полосового фильтра, фазовращателя, СВЧ-усилителя на ЛБВ и выходного вентиля. Выходы каждой цепи фильтрации и усиления подключены к общему N-плечевому сумматору СВЧ-мощности, выход которого является выходом генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов, к которому подключается полезная нагрузка. 2 ил.

Description

Изобретение относится к технике СВЧ (сверхвысоких частот) и может быть использовано для генерации периодической последовательности мощных коротких СВЧ-импульсов.

Устройство позволяет получить на выходе периодическую последовательность коррелированных СВЧ-импульсов повышенной мощности, для чего в его выходном тракте применяется схема индивидуального усиления спектральных составляющих.

Генерация одиночных ультракоротких радиоимпульсов высокой мощности в диапазоне СВЧ является решенной задачей. Существуют формирователи наносекундных СВЧ-импульсов, основанные на методе СВЧ резонансной временной компрессии (Патент RU 2166229 «Формирователь наносекундных СВЧ-импульсов», МПК H03K 5/04, опубл. 27.04.2001 г.; Патент на ПМ RU 56651 «Формирователь СВЧ-импульсов с элементом подавления послеимпульсного излучения для наносекундного радиолокатора», МПК G01S 7/03, опубл. 10.09.2006 г.) или устройства на коаксиальных насыщающихся ферритовых линиях, возбуждаемых импульсами тока с наносекундным фронтом (Патент RU 2753420 «Способ генерации мощных импульсов СВЧ-излучения наносекундной длительности», МПК Н03 В 19/00, H03K 3/45, опубл. 16.08.2021 г.; French D.M., Hoff B.W. «Spatially Dispersive Ferrite Nonlinear Transmission Line With Axial Bias» // IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 42, no. 10, pp. 3387-3390, Oct. 2014). Несмотря на высокие показатели пиковой мощности в единичном импульсе (до гигаваттного уровня), в подобных формирователях огибающая каждого изолированного импульса имеет случайные амплитудную модуляцию и начальную фазу, что снижает взаимную корреляцию между ними.

Известен генератор последовательности наносекундных импульсов на основе гиро-ЛБВ (лампы бегущей волны) K-диапазона, работающей в режиме самосинхронизации мод (Rozental R.M. et al. «Self-Mode-Locking Regime in a K-Band Gyro-TWT With External Reflections)). IEEE Electron Device Letters, vol. 44, no. 1, pp. 140-143, 2023), являющийся аналогом к указанному изобретению. Для получения генерации последовательности мощных СВЧ-импульсов в гиро-ЛБВ реализована внешняя обратная связь. В режиме самосинхронизации мод сигнал на выходе генератора имеет эквидистантный спектр, число гармонических составляющих которого определяется выбранным рабочим режимом гиро-ЛБВ, где начинает проявляться устойчивая стационарная генерация последовательности наносекундных импульсов. Достоинством рассмотренного генератора импульсов на основе гиро-ЛБВ является относительная простота реализации режима самосинхронизации мод, высокая степень корреляции генерируемых импульсов при малых значениях скважности и высокие значения мощности отдельных импульсов на уровне 10-100 кВт. К недостаткам относится необходимость создания сильного однородного магнитного поля (0,4-0,5 Тл) внутри пространства электронно-волнового взаимодействия в гиро-ЛБВ и использование электронных пучков с большими значениями энергии (десятки кэВ).

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является генератор последовательности коротких импульсов, реализованный на ЛБВ С-диапазона с запаздывающей обратной связью («Экспериментальное наблюдение режимов самосинхронизации мод в спиральной ЛБВ с запаздывающей обратной связью» / Д.А. Сидоров, А.А. Иванов, P.M. Розенталь // Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника. - 2022. - №3(554). - С. 55-63), позволяющий в режиме периодической автомодуляци ЛБВ, где появляется многополосная нестационарная генерация, осуществить формирование последовательности коротких СВЧ-радиоимпульсов наносекундной и субнаносекундной длительности, взаимная корреляция которых сохраняется в течение длительного времени. Генератор последовательности коротких импульсов, реализованный на ЛБВ с запаздывающей обратной связью, выбран в качестве прототипа указанного изобретения.

Однако в заявленном режиме автомодуляции такой генератор, реализованный на ЛБВ со спиральной замедляющей системой, не позволяет получить на выходе импульсы мощностью более нескольких десятков ватт за счет ограничения коэффициента усиления ЛБВ, работающей в строго нелинейном режиме. Для обеспечения генерации периодической последовательности кореллированных импульсов повышенной мощности (0,1-1 кВт) необходимо исходный сформированный сигнал усилить до требуемого уровня, сохранив фазовые соотношения между эквидистантными модами. Другим недостатком описанного генератора является наличие в выходном частотном спектре кроме рабочей высокочастотной полосы дополнительного низкочастотного участка, соответствующего паразитной генерации, проявляющейся в виде искажений формы огибающей в выходном сигнале.

Несмотря на преимущества мощных полупроводниковых усилителей в части обеспечения низкого уровня фазового шума (-100 дБн/Гц и ниже) при необходимом уровне выходной мощности их работоспособность сильно ограничена в приложениях с источниками сильных электромагнитных помех (плазменными стендами, ускорителями частиц, СВЧ-источниками на основе релятивистских электронных потоков и др.), а также в условиях повышенного радиационного фона, в том числе в условиях открытого космоса. Применение мощных многолучевых клистронов ограничено их узкополосностью, как и применение ЛБВ с цепочкой связанных резонаторов. Применение широкополосных усилителей М-типа сопряжено с дополнительными ограничениями по обеспечению условий фазовой стабильности, связанными с дисперсионными свойствами замедляющих систем приборов М-типа. Использование спиральной ЛБВ О-типа, имеющей достаточную широкополосность и малую дисперсию, за счет которой она обладает линейной фазочастотной характеристикой, ограничено средней выходной мощностью ввиду малого теплорассеяния спирали.

Известен способ формирования сверхмощных микроволновых импульсов в системах стретчер-усилитель-компрессор («Формирование сверхмощных микроволновых импульсов в системах стретчер-усилитель-компрессор» / Л.А. Юровский, И.В. Зотова, Э.Б. Абубакиров и др. // Журнал радиоэлектроники. - 2020. - №12. С. 9). В таких системах исходный короткий импульс проходит через диспергирующую линию, на выходе которой формируется растянутый по времени сигнал с малой мощностью и плавно меняющейся частотой, затем осуществляется последовательное усиление различных спектральных компонент растянутого импульса в нескольких усилителях, а на заключительном этапе происходит восстановление исходной формы импульса в линии с отрицательной дисперсией. Достоинством такой схемы является возможность формирования импульсов с пиковой мощностью на уровне единиц гигаватт, но ключевым недостатком является необходимость использования генератора ультракоротких мощных СВЧ-импульсов с пиковой мощность в сотни мегаватт и усилителя на основе релятивистских электронных потоков со значениями энергии в сотни кэВ. Рассмотренный способ формирования микроволновых импульсов с использованием спектрального растяжения с последующим усилением является аналогом к указанному изобретению.

Другим вариантом организации усиления исходного сигнала является использование в схеме N-плечевого делителя с последующим усилением и сложением всех сигналов из каждого плеча в N-плечевом сумматоре (AC SU 1607074 «Усилитель мощности», МПК H03F 3/60, опубл. 15.11.1990 г.; Патент RU 2339157 «Многокаскадное устройство суммирования мощности СВЧ-усилителей», МПК H03F 3/189, H03F 3/60, опубл. 20.11.2008 г.). Недостатком такого способа является невозможность синхронизировать по фазе одновременно все спектральные составляющие каждого плеча между собой из-за не идентичности параметров усилительных каскадов, поэтому в суммарном выходном сигнале неопределенным образом будет проявляться деструктивная интерференция.

Перечисленные выше аналоги и прототип не позволяют обеспечить генерацию периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов без наличия паразитных составляющих в выходном спектре, однако обладают рядом признаков, совокупность которых необходима, но недостаточна для реализации генератора периодической последовательности коррелированных СВЧ-импульсов с уровнем мощности 0,1-1 кВт.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является разработка генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов с возможностью генерации периодической последовательности коррелированных СВЧ-импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей с уровнем мощности 0,1-1 кВт.

Технический результат достигается тем, что в генераторе периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов, также как и в устройстве-прототипе, включающем основную ЛБВ, на выходе которой установлен направленный ответвитель, вторичное плечо которого через регулируемый аттенюатор подключено к входу основной ЛБВ, ослабление регулируемого аттенюатора, определяющего глубину обратной связи, установлено таким, чтобы обеспечивался режим самосинхронизации N мод в основной ЛБВ, где появляется многополосная нестационарная генерация. Новым является то, что к выходу основного плеча направленного ответвителя подключен N-плечевой делитель СВЧ-мощности, где к каждому из N плеч подключены цепи фильтрации и усиления, состоящие из входного вентиля, обеспечивающего развязку по входу, полосового фильтра, настроенного на выделение частоты соответствующей моды ƒ_i из спектра генерируемой последовательности импульсов ΔF=NΔƒ, где Δƒ - расстояние между соседними модами в спектре генерируемой последовательности импульсов, фазовращателя, настроенного на компенсацию общей задержки в i-й цепи, СВЧ-усилителя на ЛБВ, установленной в линейный режим усиления, выходного вентиля, обеспечивающего развязку по выходу, а выходы каждой цепи фильтрации и усиления подключены к общему N-плечевому сумматору СВЧ-мощности, выход которого является выходом генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов, к которому подключается полезная нагрузка.

Генератор периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная блок-схема генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов.

На фиг. 2 показан характерный сигнал на выходе предлагаемого генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов.

Разработанный генератор периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов состоит из основной лампы бегущей волны 1, на выходе которой установлен направленный ответвитель 2, вторичное плечо которого через регулируемый аттенюатор 3 подключено к входу основной ЛБВ 1, к выходу основного плеча направленного ответвителя 2 подключен N-плечевой делитель СВЧ-мощности 4, где к каждому из N плеч подключена цепь, состоящая из входного вентиля 5, полосового фильтра 6, фазовращателя 7, лампы бегущей волны 8, выходного вентиля 9, выход которого подключен к своему входу N-плечевого сумматора СВЧ-мощности 10. Выход сумматора СВЧ-мощности 10 является выходом генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов.

Путем подстройки величины ослабления регулируемого аттенюатора 3 устанавливают глубину обратной связи, приводящую к генерации последовательности коррелированных коротких импульсов в режиме самосинхронизации мод.

Длительность генерируемого импульса определяется по уровню 0,707 его огибающей (τ на фиг. 2) как

где Δƒ - расстояние между соседними модами в спектре генерируемой последовательности импульсов ΔF,

N=2n+1 - количество синхронизируемых мод в спектре генерируемой последовательности импульсов ΔF, где n=1, 2,….

Период следования импульсов (Т на фиг. 2) определяется как

Количество равнозначных выходов (плеч) делителя СВЧ-мощности 4 и сумматора СВЧ-мощности 10 выбирают равным количеству синхронизируемых N мод в спектре генерируемой последовательности импульсов.

Входные вентили 5 должны обеспечивать развязку между входом и выходом не менее 20 дБ и иметь возвратные потери не более 0,5 дБ.

Полосы пропускания полосовых фильтров 6 настраивают на выделение соответствующих мод ƒ_i из спектра генерируемой последовательности импульсов ΔF с подавлением соседних мод ƒ_i-1 и ƒ_i+1 не менее чем на 40 дБ относительно ƒ_i, где i=1, 2,…, 2n+1.

Параметры рабочего режима (напряжение накала, анодное напряжение) ламп бегущей волны 8 устанавливают на максимизацию коэффициента усиления каждой i-й ЛБВ, усиливающей конкретную i-ю спектральную моду, с сохранением постоянства разности фаз сигнала на выходе каждой i-й ЛБВ по отношению к сигналу на ее входе.

Подстройкой фазовых сдвигов ϕ_i фазовращателей 7 компенсируют задержки в каждой i-й цепи таким образом, чтобы в выходном сигнале генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов обеспечивалось условие фазового синхронизма между всеми N модами аналогично синхронизму N мод в спектре генерируемой последовательности импульсов, получаемой на выходе лампы бегущей волны 1.

Для предотвращения самовозбуждения в лампах бегущей волны 8 выходные вентили 9 должны обеспечивать развязку между входом и выходом не менее 40 дБ и иметь возвратные потери не более 1 дБ.

Таким образом, заявленный генератор периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов соответствует задаче генерации периодической последовательности коррелированных СВЧ-импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей с уровнем мощности 0,1-1 кВт, не требует сверхвысоких уровней напряжения, в сравнении с полупроводниковыми приборами имеет лучшую электромагнитную совместимость с высоковольтными импульсными устройствами, реализован на взаимозаменяемых унифицированных узлах и, в отличие от генераторов, использующих высокоэнергетичные релятивистские электронные пучки, не представляет радиационной опасности для персонала.

Claims (1)

1. Генератор периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов, включающий основную лампу бегущей волны (ЛБВ), на выходе которой установлен направленный ответвитель, вторичное плечо которого через регулируемый аттенюатор подключено к входу основной ЛБВ, ослабление регулируемого аттенюатора, определяющего глубину обратной связи, установлено таким, чтобы обеспечивался режим самосинхронизации N мод в основной ЛБВ, где появляется многополосная нестационарная генерация, отличающийся тем, что к выходу основного плеча направленного ответвителя подключен N-плечевой делитель СВЧ-мощности, где к каждому из N плеч подключены цепи фильтрации и усиления, состоящие из входного вентиля, обеспечивающего развязку по входу, полосового фильтра, настроенного на выделение частоты соответствующей моды f _i из спектра генерируемой последовательности импульсов ΔF = NΔf, где Δf – расстояние между соседними модами в спектре генерируемой последовательности импульсов, фазовращателя, настроенного на компенсацию общей задержки в i-й цепи, СВЧ-усилителя на ЛБВ, установленной в линейный режим усиления, выходного вентиля, обеспечивающего развязку по выходу, а выходы каждой цепи фильтрации и усиления подключены к общему N-плечевому сумматору СВЧ-мощности, выход которого является выходом генератора периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов, к которому подключается полезная нагрузка.