Коаксиальные резонаторы в компрессорах СВЧ импульсов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Энергетика
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Диденко А. Н., Григорьев В. П., Жерлицын А. Г. Генерация электромагнитных колебаний в системах с виртуальным катодом // В сб.: Плазменная электроника / Под ред. В. И. Курилко. — Киев: Наукова думка, 1989. — С. 112−131.
2. Григорьев В. П. Электромагнитное излучение в коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Журнал технической физики. — 1994. — Т. 64. — № 7. — С. 122−129.
3. Антошкин М. Ю., Григорьев В. П., Коваль Т. В. Численная модель для исследования возбуждения аксиально-несимметричных волн в коаксиальных виркаторах // Радиотехника и электроника. — 1995. — № 8. — С. 1300−1305.
4. Григорьев В. П., Коваль Т. В., Курьяков А. М. Усиление электромагнитных волн в коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Радиотехника и электроника. — 1995. — № 9. -С. 1422−1427.
5. Langmuir I., Blodgett K.B. Currents limited by space charge between coaxial cylinders // Phys. Rev. — 1923. — V. 22. — P. 347−356.
6. Wheeler C.B. Space charge limited current flow between coaxial cylinders at potentials up to 15 MV // J. Phys. A: Math. Gen. — 1977. — V. 10. — № 4. — P. 631−636.
7. Рухадзе А. А., Рыбак П. В., Ходотаев Я. К., Шокри В. О предельных токах электронных пучков в коаксиальных системах // Физика плазмы. — 1996. — Т. 22. — № 4. — С. 358−366.
8. Григорьев В. П., Коваль Т. В. Теория генерации электромагнитных колебаний в системах с виртуальным катодом // Известия вузов. Физика. — 1998. — № 4. — С. 169−182.
Поступила 02. 04. 2009 г.
УДК 621. 372. 81
КОАКСИАЛЬНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ В КОМПРЕССОРАХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ
С. Н. Артеменко, С. А. Новиков, Ю.Г. Юшков
Томский политехнический университет E-mail: novsa@elti. tpu. ru
Проведен анализ работы коаксиальных СВЧ компрессоров, принцип действия которых основан на резонансном усилении электромагнитного поля с последующим быстрым выводом энергии в виде мощных наносекундных СВЧ импульсов. Переключение компрессора из режима накопления в режим вывода энергии осуществляется с помощью СВЧ разряда, зажигаемого в емкостном зазоре в центральном проводнике коаксиального резонатора. Экспериментально показано, что в метровом и 30-см диапазонах длин волн такие компрессоры позволяют получать радиоимпульсы с длительностью до 2…3 периодов высокочастотного поля. Приведены результаты исследования работы компрессоров с максимальной частотой следования импульсов. При продуве газа в разрядном промежутке компрессор мог работать с частотой следования до 20 кГц.
Ключевые слова:
Излучение, СВЧ, коаксиальный резонатор, компрессор, импульс, усиление, мощность, энергия, разряд.
Мощность излучения СВЧ источников можно увеличить за счет уменьшения длительности выходных импульсов при временной резонансной компрессии, принцип действия которой основан на накоплении высокочастотной энергии в волно-водных резонаторах с последующим быстрым выводом энергии в виде СВЧ импульсов наносекунд-ной длительности [1]. При подключении отдельных систем компрессии, изготовленных из стандартных прямоугольных, круглых или коаксиальных волноводов, к выходу промышленных магнетронов 3-х, 10-ти и 30-см диапазонов длин волн было получено усиление мощности в 50, 100 и 150 раз соответственно. Наибольшее усиление и наиболее короткие импульсы длительностью, равной нескольким периодам высокочастотного поля, были получены при использовании коаксиальных резонансных систем. Это связано с тем, что в отличие от полых волноводов коаксиальные линии более широкополосные и позволяют пропускать СВЧ импульсы без искажения во время их формирования и вывода из компрессора. В данной статье при-
ведены анализ работы и конструкция коаксиального СВЧ компрессора, а также результаты экспериментов, связанных с получением наиболее коротких сверхширокополосных импульсов и повышением частоты следования импульсов до 20 кГц.
Для накопления энергии в коаксиальном СВЧ компрессоре было предложено использовать резонатор, выполненный в виде Т-образного тройника с двумя закороченными плечами, рис. 1. Во время накопления энергия не излучается через боковое плечо — 3, т. к. его вход находится в минимуме стоячей волны, образующейся вдоль резонатора, включающего в себя плечи тройника — 1 и 2. Вывод энергии осуществляется за счет изменения фазы отраженной волны от одного из концов резонатора. Для этого в одно из короткозамкнутых плеч резонатора включалась емкость, выполненная в виде зазора — 4 в центральном проводнике коаксиальной линии. При расчете электрической длины плеча — 2 учитывалась инверсия фазы, создаваемая этой емкостью.
Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314. № 4
выше 3 кГц, что проявлялось в самопроизвольном зажигании разряда. Более высокие частоты следования, до 20 кГц, были получены при заполнении резонатора аргоном и продувке газа в зазоре со скоростью потока 0,15 л/с.
Коаксиальные накопительные резонаторы используются в резонансных СВЧ компрессорах, работающих в диапазоне ~0,1…2 ГГц. В низкочастотной области этого диапазона размеры таких резонаторов становятся слишком большими, а высокочастотной области — малыми, т. к. их размеры зависят от рабочей длины волны.
Для уменьшения продольных размеров компрессора, работающего на частоте 36,6 МГц, в [4] было предложено внутренний проводник коаксиа-ла делать в виде спирали, как это делается в замедляющих волноводах. При обычном исполнении коаксиальный компрессор на этой частоте имел бы длину ~6 м, а спиральный внутренний проводник уменьшал его длину до 0,8 м.
При создании мощных коаксиальных компрессоров в высокочастотной области, приходится увеличивать поперечные размеры коаксиальной линии. Это повышает электрическую прочность системы компрессии и увеличивает накопительный объем. Однако большие поперечные размеры делают коаксиальную линию сверхразмерной, что приводит к понижению эффективности интерференционного запирания волн при накоплении энергии и создает технические проблемы при ее быстром выводе. В [5] предложен оригинальный интерференционный переключатель, выполненный на основе сверхразмерной линии, в которой внутренний проводник коак-сиала имеет ОА. Работа такого переключателя основана на интерференции осесимметричной волны, передаваемой по коаксиальной линии, с осесимме-тричной волной такого же типа, излучаемой из радиального зазора, созданного разрывом внутреннего проводника. Расчеты показывают, что применение этого переключателя для вывода накопленной энергии из сверхразмерного резонатора 10-см диапазона позволяет получать наносекундные СВЧ импульсы с гигаваттным уровнем мощности.
В настоящее время коаксиальные компрессоры нашли применение в установках, которые используются при изучении быстропротекающих процессов в различных средах, исследовании влияния мощных электромагнитных полей на биологические объекты и электронные системы. Они были использованы при определении критериальных уровней воздействия СВЧ импульсов на работу персонального компьютера [6]. Были получены зависимости пороговой плотности потока энергии излучения в различных частотных диапазонах, необходимой для сбоя программы тестирования ячеек памяти компьютера от длительности импульсов при различных частотах повторения. В этих исследованиях коаксиальные компрессоры использовались, когда облучение компьютера осуществлялось импульсами с несущей частотой ~1 ГГц.
Другое применение коаксиальные компрессоры получили при создании нелинейных радиолокаторов. В этих радиолокаторах используется эффект рассеяния нелинейными объектами электромагнитных волн с гармоническими составляющими, отсутствующими в зондирующем сигнале. В частности, при облучении объектов, содержащих полупроводниковые приборы, в отраженном сигнале будет переизлучаться вторая гармоника с большей амплитудой по сравнению с другими гармониками. Прием этой гармоники позволяет осуществлять локацию объектов с полупроводниками, даже в том случае, когда они закопаны на небольшую глубину в землю, находятся в снегу, скрыты листвой или травой. Наносекундная длительность зондирующих импульсов обеспечивает нелинейному радиолокатору высокое разрешение по дальности с точностью до размера, занимаемого СВЧ импульсом в пространстве.
На рис. 6 приведена фотография мобильного нелинейного радиолокатора, в котором используется коаксиальный компрессор с параметрами: рабочая длина волны — 37 см- мощность излучения -20 МВт- длительность импульсов — 13 нс- частота следования — 800 Гц- коэффициент усиления по мощности — 20 дБ.
Рис. 6. Нелинейный радиолокатор
Радиолокатор был создан на основе штатного радиолокатора, в котором использовался магне-тронный генератор, генерирующий импульсы СВЧ длительностью 3 мкс, мощностью 200 кВт и с частотой следования до 800 Гц. От этого магнетрона осуществляется возбуждение коаксиального резонатора компрессора. На фотографии видны две рупорные антенны, из которых верхняя использовалась для приема второй гармоники отраженного сигнала, а нижняя — для излучения зондирующего сигнала. Этот радиолокатор успешно использовался для обнаружения скрытых нелинейных объектов при натурных испытаниях.
Авторы выражают благодарность В. Л. Каминскому, П. Ю. Чумерину, В. А. Августиновичу и другим сотрудникам лаборатории 46 НИИ ЯФ за помощь при создании установок с компрессией импульсов и проведении на них исследований.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, грант № 08−08−155а и грант № 09−08−99 030.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой