Формирователь импульса

 

Изобретение относится к технике СВЧ предназначено для формирования мощных высокочастотных импульсов врадиол окаци и и для исследовайия газового разряда. Цель изобретения - увеличение выходной импульсной мощности в метровом диапазоне длин волн. Устройство содержит к оаксиальный резонатор 3, соединенный элементом связи 2 с СВЧ-генератором 1, тройник 5 с торцовой закорачивающей стенкой 7, образующей зазор с внутренним проводником 6 тройника 5. Увеличение , выходной мощности достигается выбором величины зазора между стенкой 7 и внутренним проводником 6 обеспечивающим резонанс коаксиальйого резонатора 3.1 ил.

„ 2

3 ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ...-::.:::.,:, " .... ;-: :,. :.. - .:, . ".- ;",:.;:. ;:ф:.".. . :;;;.:

::, м5U 1752199 A3 (я)я Н 03 К ЗЯ3; Н 01 Р1/14

" ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ: P Т .Н M И ОТКРЫТЙЯМ

ПО ИЭОБ Е Е ИЯ

ПРИ ГКНТ, СССР

i,

gc 8T85 fp."III " 61 . ййаАЙОТЫИА

: ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ.;,-,- ;: 1 :: .: -".:-;-.::;::: " -.::-. ",":.. ;:. .,";:::-.::::; .":: .:.::.:::.. 2, . (21) 4808049 /09 ..: " -:: .." ::. :: —:- . ".:.:;:.- :::,:-:-"::- . (54) ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА .. (22) 29.03,90:::... " .- ...::..:-:::::.:.:,-;::.. - ":. :- :::.. (57) Изобретение относится к технике СВЧ (46) 30.07.92. Бал. М 28 : :.: - ;. : :,.:: :: предназнэчено для формированйя :мощных (71) Научйо-исследовательский институт ". :- :.: высокочастотных импульсов в радиолока, ядерной физики при Томском политехниче- . . ::-". ции:"и-для иССлЕдОвайиЯ гаЗОвОгО РазРЯДа. ском институте им. С.M.Êèðîâà ".: ..,::: ":::. :;: . Цель изобретения — увеличение выходной (72) С.А.Новиков, С.B,Ðàçèí, П.Ю.Чумерин и " импульсной мощноСти в метровом диапазо-

Ю;Г.ЮШков::.—. ., . <,.-:: .;:",, .",,:. :, - :: не длин волн, Устройстве содержит коакси(73) Малое государственное предприятие . альный резонатор" 3. соединенный

"Резонанс" Томского научно-технологиче- - элементом связи 2 с:СВЧ-генератором 1, ского йаркэ:: ..::::::: -".:,:..: .: троййик 5 с торцовой закорачивэющей стен (56) Девятков Н.Д. и др; Формирование . кой7,образующейзазор с внутреййим про- мощных импульсов при накоплении СВЧ- .:.,:водником 6 тройника 5-; .Увеличение энергии в резонаторе; — Радиотехника и ::, выходной мощности .достигается "выбором электроника, 1980, т. 25, 1Ф 6, с. 1227.., ":.:::"величиньг зазора между:стенкой 7 и внутАвторское свидетельство СССР,:, : ..: . -рейним проводником. -6, обеспечивающим "

% 1487776, кл, Н 03 К 3/53, 1989.: : " ::. :- резонанс коаксиального резонатора 3; 1 ил, Ф

1752 199

10

3

Иэобрете ие относится к технике СВЧ и предназначено для формирования мощных въ|сокочастотных импульсов для целей радиолокации, исследования газового разряда и плазмы, Наиболее разработанными являются формирователи с объемными резонаторами для 3- и 10-сантиметровых диапазонов длин волн. В некоторых случаях для радиолокации предпочтительным является более длинноволновый диапазон, например, при повышенной влажности атмосферы, В дециметровом и метровом диапазонах размеры накопительного резонатора увеличиваются, увеличивается также его вес, Изобретение 1 решает задачу разработки формирователя метрового дйапаэона с приемлемыми весогабаритными характеристиками.

Известно устройство формирования мощных СВЧ-импульсов, содержащее сверхразмерный накопительный резонатор, элемент возбуждения и переключающий волноводный тройник. Тройник изготовлен из прямоугольных волноводов, соответствующих низшему типу колебаний

Н1о, и подкл ючен к отверстию связи и торцовой стенке накопительного резонатора, Одно иэ плеч тройника закорочено, а другое открытое плечо подключено к нагрузке. В закороченном плече размещен поджигающий электрод.

К недостаткам устройства относятся большие габариты и вес в метровом диапазоне длин волн. Например, при длине волны высокочастотных колебаний 1= 2 м (частота

f = 150 МГц), поперечные размеры волноводов тройника составили бы — 14 х 0,6 м2, а диаметр цилиндрического накопительного резонатора 5 — 6 м. Такой формирователь может быть использован только в стационарных установках, но и для этих целей его изготовление не всегда становится экономически оправданным.

Известен формирователь СВЧ-импульсов, состоящий из накопительного резонансного объема, подключенного к

СВ Ч-генератору, поджигающего электрода и блока запуска. Резонансный объем образован отрезком регулярного волновода, ограниченного с одной стороны волноводным тройником с короткозамкнутым плечом, а другой — элементом возбуждения. Длина резонансного объема — m Ы2, где m — целое число; ль — длина волны в волноводе. Поперечные размеры регулярного прямоугольного волновода и волноводов тройника одинаковы, сравнимы с рабочей длиной волны А и обеспечивают распространение Н1о волны. Длина короткозамкнутого плеча подобрана так, что в процессе возбуждения резонансного объе ла излучения из него не происходит. Поджигающий электрод размещен вне объе а резонатора в отверстии широкой стенки короткоэамкнутого плеча на расстоянии ь /4 от эакорачивающей стенки.

Устройство работает следующим образом.

После возбуждения резонатора на поджигающий электрод подается импульс на-. пряжения, За счет образовавшейся искры между электродом и стенкой волновода инициируется СВЧ-разряд, замыкающий противоположные широкие стенки волноводэ в области расположения поджигающего электрода. Частота отражения тройника изменяе1ся, и накопленная СВЧ-энергия поступает в нагрузку в виде импульса. Его вы.плная импульсная мощность Р» превышает мощность Р питающего СВЧ-генера-, тора.

К недостаткам устройства относятся большие размеры и вес в метровом диапазоне длин волн. Если поперечное сечение волноводов в 10-сантиметровом диапазоне

7,2 х 3,4 см, то в летровом диапазоне не

2 менее 72 х 34 см . Кроме этого, с увеличе2 нием раз лера узкой стенки пропорциональноувеличивается время коммутации, так как увеличивается протяженность зазора, который должен быть перекрыт СВЧ-разрядом, Увеличение времени коммутации приводит к падению выходной импульсной мощности

Р» и коэффициента усиления формирователя.

Известен также формирователь импульсов, содержащий СВЧ-генератор и накопительный резонатор, выполненный коаксиальным. С одной стороны коаксиальный резонатор ограничен закорачивающей стенкой, с другой — коаксиальным тройником, в котором одно иэ плеч эакорочено, В этом плече расположен коммутатор, образованный двумя отрезками внутреннего проводника, между которыми установлен зазор д на расстоянии А /8 от закорачиваемой стенки. Величина зазора д определяется по формуле д = 0,93d/(C — 1,5), где б— диаметр внутреннего проводника; С вЂ” величина, зависящая отдиаметра внешнего проводника коаксиала D и длины волны А.

Длина резонатора от закорачивающей стенки до тройника со тавляет несколько длин полуволн.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные колебания СВЧ-генератора накачки, работающего в непрерывном или импульсном режиме, поступаЮт

175> 199

5 б на элемент возбуждения, Во внутренний ется необходимым увеличением напряженобъемах резонатора и закороченнаго плеча ности поля в зазоре разрядника при сохратройника возбуждается СВЧ-поле. Геомет- нениипрежн4й величины погонной энергии рическая длийа закороченного плеча трой- возбужденного поля и, в целом, энергии, нйка L< жестко связана с рабочей час отой 5 запасенной в резонаторе, Поскольку электили длиной волны 1л =-А /4 (или же L1 3/4). " ричаская прочность разрядника ограничетак как после коммутации электрическая::. на, то уменьшается допустимая мощность длина плеча становится равной гео иетриче-. - выходнь1х наносекуйдных импульсов форской, и волны в"троййике должны" склады-, .. мирователя, Например, если d = 30 мм, 0-. ваться в фазе, Во время возбуждения 10 90 мм, I "- 1 ГТц и выходная мощность фортройник выполйяет функцию режекторйого мирователя — 20 МВт, то высокочастотное фильтра и электрическая длина закорочен - :- напряжение в зазоре будет 1 70 кВ. Величиного плеча должна быть лили кратна этой на зазора д, удовлетворяющая условию величине. Разница между элеКтрической . 2 /Х-"1,составит д=8мми напряженность длиной-во время 6озбуждения и требуемой 15 поля - 2 "«8/ñì, Для частоты f - (150-300) электрической длиной во время вывода : МГц зазор уменьшается до (1 — 0,5) мм и наэьгергий Может быть обеспечейа только за- :" пряженность поля возрастает до (2100зором, - ;::..::.: :: ".;" 3400) кБ/см при той же мощности

Участок линой ). /4, примыкающий к возбу>кдающего ВЧ-генератора и выходной торцовой стенке закороченного плеча трой- 20 импульсной мощности формирователя 20 ника и включатощий в себя зазор между МВт, Ни вакуум, ни какой-либо газ не облаотрезками внутреннего проводника", имеЬт: - да1от такой электрической прочностью, и поэлектрическую.длину 2л. В конце процесса .. этому максимально возможная выходная возбуждения напряженности поля в зазоре . мощностьуменьшается на порядок и более. критического значения происходит СВЧ 25 Цель изобретения — увеличение выходпробой между торцовыми поверхностяМи ной импульсной мощности в метровом диаотрезков внутрен нога проводника. Тогда пазоне длин волн. тот>tcáó÷ýñòoêäëèèoéÀ/4áóäeòиметьэлек- .: Укаэанная цель достигается тем; что в

:. трическую длину >г/2, как обычный четвер- устройстве, содержащем, как и прототип, тьволновый резонатор. Фаза волны, 30 СВЧ-генератор, накопительный резонатор, . "отраженной от закорачивающей стенки пле- . коаксиальнь|й тройник с разрядным проме . ча тройника и поступающей к Т-образнс му жутком, выполненным в боковом плече коаккоаксиальному соединению, изменится на сиального тройника, в отличие от прототипа о л будет складываться в фазе с волной, разрядный промежуток шириной Л=-0,15А+ поступающей из резонатора. Это означает 35 установление по1ной связи с нагрузкой, + (0,15А) +А(xd +2 (Π— d))/8,где

2 приводящей к быстрому излучению энергии A=(dtnD/d)/zt, aи О-диаметры внутреннего возбужденного поля.. и внешнего проводников коаксиального

K недостаткам устройства относится тройника соответственно, выполнен между низкий уровень выходной мощности в мет-. 40 торцовой закорачивающей стенкой и конровом диапазоне длин 00IlH. В любом диа- UOM внутреннего проводйика бокового плепазоне в данной конструкции должно ча коаксиального тройника, . выполняться условие Z,/X = 1, где 2я — вол-: Существенным отличием заявляемого новое сопротивление, Х вЂ” реактивное со- формирователя является выполнение противление сосредоточе ой емкости с 45 коммутатора в иде зазора между торцо зазором д /2, д — зазор между отрезками вой закорачивающей стенкой и концом внутреннего проводника, Поскольку Х = внутреннего проводника коаксиала. В из1/(и> С), где С вЂ” емкость и 0> — круговая вестном коаксиальном формирователе-прочастота, то при уменьшении о> величина С тотипе зазор расположен на расстоянии должнапропорциональноувеличиться. Уве- 50 Л/8 от торцовой закорачивающей стенличение С при неизменных диаметрах d — ки, В других известных формирователях на внутреннего и 0 — внешнего проводников основе объемных резонаторов коммутатор коаксиала достигается уменьшением д. Но располагается на расстоянии А/4 от закорауменьшение д приводит к увеличению на- чивааи,ей стенки. 8 коаксиальных констпряженности поля в зазоре, так как при 55- рукциях разрядников блокировки постоянной мощности высокочастотного ге- передатчика в качестве разрядного променератара накачки высокочастотное напря- жутка используются диэлектрические окна жение в зазоре постоянно, Таким образом или емкостные диафрагмы, а сами разрядуменьшение рабочеи частоты f сонровожда- ники выполняются с дополнительным объе1752199 мом или в виде закороченного коаксиально- возбуждения на рабочей частоте"отрезок Х: го отрезка с электрически соединеннь(ми /4, примыкающий r<торцовойстенке 7,долцентральным проводником и закорачиваю- жен (лмтеть эллектрическу)о дплинту m. Это озщей стенкой, : . - . начает, что величина Л, дйасметры

Схематически предлагаемое устройство 5 внутрепниего б и внешнего (",) проводников представлено на черте>ке, где обозначень(; должны удовлетворять условию резонанса, возбу>кдающий СВЧ-генератор 1, элемент Если Обозйачейие I - L>- Л то по условию связи 2, коаксиальный резонатбр3 внутрен- Li --- 2/4. то укакза(йное cîoòíîàåíèå преобний проводник 4 коаксиального репзонаторЖ разуетсл кгвиду тройник 5, отрезок 6 внутреннего прсводни- 10 л 2л Л вЂ” 1 2 0 л д ка звкороченного плеча тройника, торцоаал ((и т )) т (8 д+ закорачивающая стенка 7, выход CBLI-генератора 1 соединен с : гл злементом свлзи 2 накойительного резона- л о g ) л О .,; . (1) тора 3, С одной стороны резонатор 3, в ко- 15 г1тс(ода тором размещен внутренний проводник 4, ограничвн тройником 5, В закОгрончЕН1ном л., ) Д (1 д плече тропинка размещен отрезок внутрен. О т т .). - т (я с(+In л,ь ) In н него проводника 6. Между его концом и,,: .. - : - : : ., " (2) заткорачйвающегй стенкой 7 устаиновлч-н за- 20 Б метроквом диапазоне АЯ< 10 и тогда зор ввличинои А -:-::::: ",,.;-", ..: . 2 тгст устройство размотает Следующим сора- Фунггllnln tg т моткно заменить вргчзом.

Электкроммаргйитные колебтачния СВЧ- ге- ..ментом. КРоме этого, разлагая In в неРатора 1 постУпают на элемент возбУжде- 25 л пол ча, „..

2 5. нил 2 и возбуждают поле во вйутреннем < О

Объеме резонатора 3 и закороченг(ом плече — 1п — (+ + In 2 — 1), (3)

d 8Л 4Л троиника Лли (а коРоткозамкнУтого плеча . В „и на, а-,L =А /4 или же L = 3)Ä/4, но величина Ь ного уравнения еличина находится как корень квадрат подобрана так, что отрезок коаксиального 30 короткозамКнутого плеча аввльлеЕчттрсл ррпатзонан- . т игтБЬЬ ьтгр 15 д тт сным и его электри (ескал длина составляет л или 2 7г. Тогда отраженная . Вотл)т(аь от закоРочвнного плеча имеет обРатнУю фазУ по з л а, а „T гдел= айЭ д) /л . Результаты расчетов по (1) и (3) имеют хороотношению к волне падающей на тройник 35 шее совпадение и показывают, что в метроиз резонатора 3, и излучения в выходное плечо на Рабочей частоте не пРОисхоДит.. д более ап име и и по вом диапазоне зазор Л составляет величин

Максимальная величина напряженнопорядка 10 мм и более. ап име и и постиэлектрического поллдостигается вемко- . 20 MM 14 цм. 30 „„, -1 („„, стном зазоре между торцовой стенкой 7 и 40 концом отрезка 6, где в конце процесса возбуждения происходит СВЧ-пробой. Отрезок центрально,-о проводника 6 и, Орц,в.а„я тРой "ика Включае сйЯ коаксиальный Резо стенка 7 закорачиваютсл, и электрическая длина закороченного плеча становится т/2 45 (или Зк/2), Отраженная Волна, падающая на

TpQAHpIK из Закороченного плеча, с g÷eToì двойного пробега складывается в фазе с вой части (1) при 1 — А /4 и малой Величиной дающейвол Ой из ре онатора3, и акоп- ...Р о и жеиспользУ,.тсЯДва коакленная в резонансном объеме электромаг- 50. и нал eprMg по па ч вы но ва)ощей емкостью, вкл)оченных навстречу пл .ч ц а в нагру друг другу. При неигмейной частоте чем коусловием работосп особ ости утрой- Роче отРезок, тем больше должна быть Ук< ш мутатора вляется равенство дл1нь 55 Учетом зависимрсти величинь(зазоРа от закороченного плеча тройника 1 = /4 длины волны констРУкцил пРототипа в мет-. (или 3 g /4) Оge(ne((((oLt(eÉ с ф РОВО дйапазоне длин Волн станОВится непри одном пробеге волны zr/2 (или Зк/2) приемлемой. при осуществлении коммутации, Во время рассчитанного на рабочую частоту f = 150! 752199

Составитель С. Новиков

Техред М.Моргентал

Э

Корректор О. Кравцова

Редактор M. Товтин

Заказ 2699 . Тираж - : . — Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

МГц, л,=2м.Диаметры коаксиала0=90мм ки мегава1т в метровом дилпэ oiir дпин и 4 = 30 мм. Длина резонатора до плоскости волн. симметрии тройника 2000 мм, длина закоро- Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я ченного плеча — 500 мм. Величина зазора Формирователь импульса. содержащий между концом центрального проводника-и 5 СВЧ-генератор, накопительный резонатор, закорачивающей стенкой Л = 15,2 мм, что коаксиальный тройник с разрядным промепри той же максимальной напряженности жутком, выполненным в боковом плече кополя в зазоре Eo - 210 кВ/см позволяет аксиального тройника, отличающийся получить соответствующее максимальное . ; что, с целью увеличения выходной имвысокочастотное напряжение Uo = 318 кВ и .10 пульсной мощности в. метровом диапазоне такое же напряжение стоячей волны в резо-: длин волн, разрядный промежуток шириной наторе в регулярной части. Отсюда следует,- Л--0.15А+ что максимальная выходная мощность 150

МВт.: . " .. ".. : . .: - + (0,15А +А(л 4+2 (D — д})/8

Учитывая общие преимущества коаксй- 15 альных формирователей — большую скоро- где А = (dlnD/d/ë, сть коммутации, хорошие весогабаритные d и.Π— дйаметрьыгвнутреннего и внешнего . характерис ики, возможность получать ко- проводниковкоаксиального тройника,cooT

: .роткие импульсы длительностью 1-2 нс; ветственно,.выполнен между торцовой saпредлагаемое устройство имеет большое 20 корачивающей стенкой - и концом значение для техники получения наносекун- -внутреннего проводнйка бокового плеча кодных СВЧ-импульсов с мощностью в десят-. аксиального тройника,