WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 12 09;12 Экспериментальное исследование макета 25-мегаваттного СВЧ компрессора трехсантиметрового диапазона длин волн © С.Н. Артеменко, В.А. Августинович, В.Л. Каминский, П.Ю. Чумерин, Ю.Г. Юшков Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете, 634050 Томск, Россия (Поступило в Редакцию 16 февраля 2000 г.) Представлены результаты экспериментального исследования резонансного СВЧ компрессора трехсантиметрового диапазона длин волн с газовой изоляцией и выводом энергии через сверхразмерный коаксиальный интерференционный переключатель, расчетной мощностью выходных сигналов 25 MW, длительностью сигналов 2 ns, коэффициентом усиления 26 dB и КПД 57%. Достигнут коэффициент усиления 20 dB при пиковой мощности выходных сигналов 12 MW, длительности 2 ns, КПД 24% и мощности бегущей волны резонатора 24 MW.

1. Мощность выходных сигналов известных резонанс- выходных сигналов 10-100 W и более. Однако созданых СВЧ компрессоров с одинаковыми накопительными ние систем с такими характеристиками сдерживается отрезонаторами с газовой изоляцией и выводом энергии сутствием эффективных способов и устройств быстрого через интерференционные переключатели на основе вол- вывода энергии из сверхразмерных резонаторов.

новодных тройников составляет 1-3MW в 3cm диапа- В [2] сообщалось о возможности быстрого вывода зоне длин волн и 50-200 MW в 10 cm диапазоне, а коэф- энергии из крупногабаритных (многоволновых) осесимфициент усиления соответственно 13–15 dB и 15-17 dB метричных резонаторов через интерференционные пепри длительности сигналов 2-5ns [1]. Заметно более реключатели на основе сверхразмерных коаксиальных высокие характеристики таких компрессоров не могут линий, в которых регулирование связи резонатора с быть получены из-за низкой собственной добротности нагрузкой обеспечивается управлением с помощью комQ0 одноволновых резонаторов и малой площади S их мутатора интерференцией волн, излучаемых в нагрузку поперечного сечения. Это следует из выражений для из линии и радиального зазора, образованного разрывом предельного значения коэффициента усиления M2 резо- внутреннего проводника линии. Там же приведены ренансных компрессоров зультаты первых экспериментов, которые подтвердили работоспособность таких переключателей.

M2 = Q0/T (1) В настоящей работе представлены новые данные исследования вывода энергии из многоволнового цилини мощности P, передаваемой по волноводу электромагдрического резонатора с H01(p)-видом колебаний через нитной волны, сверхразмерный коаксиальный интерференционный пеP = AE2S, (2) реключатель с рабочей волной типа H01. Целью исследований являлась разработка макета СВЧ компрессора где — циклическая рабочая частота резонатора; T — время двойного пробега волны вдоль резонатора; A — 3 cm диапазона с коэффициентом усиления и мощностью числовой коэффициент, определяемый геометрией вол- выходных сигналов, на порядок превышающих аналогичновода и типом распространяющейся волны; E —напря- ные характеристики известных компрессоров.

женность электрической составляющей волны. 2. Исследованный макет компрессора ориентирован Из (1), (2) видно, что при заданных, T и E един- на работу с газовой электроизоляцией накопительного ственным путем повышения коэффициента усиления и объема, упрощающей решение проблемы переключения мощности компрессора является использование резона- системы из режима накопления в режим вывода, и уроторов с более высокой добротностью и большей площа- вень мощности выходных сигналов 25 MW при длидью сечения, что означает необходимость применения тельности 2 ns. Так как предельная плотность потока сверхразмерных резонаторов с большим объемом. В мощности передаваемой по волноводу электромагнитной этом случае, например, для цилиндрических резонаторов волны при газовой изоляции равна 1-5MW/ cm2 [3], коэффициент усиления будет расти пропорционально то площадь сечения резонатора должна составлять не радиусу резонатора, а мощность — квадрату радиуса. Как менее 25 cm2. Поэтому в экспериментах использовались показывают расчеты, в 3 cm диапазоне длин волн сверх- резонатор с площадью сечения 65 cm2 (диаметром размерные цилиндрические резонаторы с H01(p)-видами 9cm) и переключатель с площадью передающей части колебаний могут иметь добротность Q0 1-1.5 · 105 коаксиальной линии 50 cm2. Для обеспечения времени при площади сечения 50-100 cm2. Поэтому при двойного пробега волны вдоль резонатора, сравнимого T = 2-5 ns коэффициент усиления компрессора с таки- с требуемой длительностью выходных сигналов, длина ми резонаторами может достигать 30 dB, а мощность резонатора была выбрана равной 25 cm.

Экспериментальное исследование макета 25-мегаваттного СВЧ компрессора... С целью снижения влияния межвидового взаимодействия колебаний на окнах связи резонатора с питающим трактом энергия к резонатору подводилась через согласованный E-тройник и возбуждение рабочего вида осуществлялось через два окна, расположенных на серединах радиусов одного диаметра торцовой стенки резонатора. При таком способе возбуждения добротность резонатора без переключателя на H01(p)-видах колебаний в диапазоне частот 8.2-11.2 GHz составляла 0.9-1.2·105.

”Разброс” добротности, скорее всего, связан с неравномерностью плотности спектра колебаний в указанном диапазоне частот и соответственно различной степенью влияния межвидового взаимодействия на рабочий вид.

Для выявления влияния переключателя на добротность была исследована ее ззависимость от частоты для резонатора с расположенным в нем внутренним проводником переключателя, который крепился соосно Рис. 1. Зависимость добротности резонатора от изменения высоты радиального зазора переключателя.

с резонатором к торцовой стенке, свободной от входных окон связи. Проводник имел диаметр 4.5 cm и длину 9 cm, оптимальные для переключателя с рабочей частотой 9.12 GHz. Было установлено, что по мере роста 8 — сверхразмерный коаксиальный интерференционный частоты добротность рабочего вида монотонно растет от переключатель (8a — входное плечо, 8b — радиальный 4 · 104 при 8.2GHz до 7 · 104 при 11.2 GHz, что, скорее зазор, 8c —выходное плечо), 9 — коммутатор, 10 — всего, обусловлено частотной зависимостью постоянной разрядники коммутатора, 11 — волноводные переходы, затухания H01-волны в коаксиальной линии. На частотах, 12 — согласованные нагрузки, 13 — детекторы.

близких к критической (6.8 GHz), постоянная велика Система питалась от импульсного магнетрона мощи снижение добротности существенно. По мере роста ностью до 120 kW с длительностью импульсов 1 µs.

частоты постоянная падает и добротность растет. Такое Вывод накопленной СВЧ энергии осуществлялся через влияние затухания означает необходимость применения переключатель, заканчивавшийся ”пакетом” из четырех переключателя с минимальной длиной и частотой, сущеидентичных плавных волноводных переходов (рис. 2), ственно превышающей критическую.

которые располагались через 90 и трансформировали Замена торцовой стенки резонатора переключателем рабочую H01-волну переключателя в волну H10 прямоне приводила к заметному снижению добротности реугольных волноводов каждого из переходов. К выхозонатора, составлявшей около 5 · 104. Длины входного дам переходов подсоединялись элементы волноводных и выходного плеч переключателя при этом равнялись трактов (направленные ответвители, нагрузки и т. п.), 4.5 cm, высота радиального зазора 2.45 cm, а диаметр необходимые для измерения характеристик излучения внешнего проводника совпадал с диаметром резонатора (мощности, длительности, типа волны). Вывод через и составлял 9 cm. В объеме разонатора возбуждался пакет осуществлялся с целью достаточно точного опреH01(12)-вид колебаний, во входном плече переключатеделения параметров выходных сигналов.

ля — H01(2) и в радальном зазоре — H01(1). Расчеты показывают, что при достигнутой доборотности системы Переключение системы из режима накопления в реее коэффициент усиления может составлять 26 dB. жим вывода выполнялось коммутатором тригатронного типа, включение которого вызывало развитие СВЧ Переходное затухание переключателя сильно зависит разряда в максимуме -й электрической составляющей от высоты радиального зазора и перекосов его стенок.

Изменение высоты зазора на 5-10% или перекос стенок поля в радиальном зазоре параллельно силовым линиям.

на 2-3 приводят к практически полному открыванию Разряд приводил к инверсии фазы волны, излучаемой из резонатора. Зависимость добротности резонатора от вы- зазора, суммированию этой волны в фазе с волной из соты зазора приведена на рис. 1. Отметим также, что резонатора и, таким образом, открыванию резонатора.

за счет потерь на излучение переключатель устранял Зажигался разряд в воздухе либо аргоне, заполнявшем практически все нерабочие виды колебаний, радиально резонатор и переключатель при атмосферном давлении.

разрежая спектр резонатора. При коммутации на воздухе длительность импульсов со3. На высоком уровне мощности исследования выпол- ставляла 10-20 ns, что в 5-10 раз больше длительности нены на установке, схема которой представлена на рис. 2, при коммутации в аргоне. Соответственно и амплитуда где 1 — СВЧ генератор, 2 — циркулятор, 3 — направ- выходных импульсов на воздухе была заметно ( на ленные ответвители, 4 — фазовращатель, 5 —волно- порядок) меньше, чем на аргоне. Такое отличие связано водный E-тройник, 6 —входные окна, 7 — резонатор, с особенностями СВЧ разряда в воздухе и аргоне.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 104 С.Н. Артеменко, В.А. Августинович, В.Л. Каминский, П.Ю. Чумерин, Ю.Г. Юшков Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования макета СВЧ компрессора на высоком уровне мощности.

При максимальной мощности входных импульсов выходных сигналов. На данном этапе исследований эти 120 kW мощность бегущей волны резонатора до- проблемы являются наиболее серьезными.

стигала 24 MW. В этом случае при выводе энергии 4. Таким образом в работе продемонстрирована возс коммутацией в аргоне на выходе системы на H01- можность создания СВЧ компрессоров 3 cm диапазона длин волн с уровнем мощности выходных сигналов более волне коаксиальной линии формировались импульсы 10 MW. На высоком уровне мощности показана воздлительностью 2 ns по уровню 0.5 и мощностью до можность применения сверхразмерного коаксиального 12 MW ( 3 MW на каждый канал пакета переходов), а интерференционного переключателя с рабочей волной КПД системы достигал 24%. Типичная осциллограмма типа H01 как эффективного элемента быстрого вывода огибающей выходных сигналов приведена на рис. 3.

энергии. Такой переключатель может быть использован Эффективный диаметр резонатора радиального зазора, как для формирования мощных и коротких наносекундвычисленный по рабочей частоте системы и высоте зазоных импульсов СВЧ, так и для получения мощных ра, составлял 5.6 cm. Площадь поперечного сечения и энергоемких (длинных) СВЧ импульсов при выводе такого резонатора равна 20 cm2. Поэтому при газовой энергии из крупногабаритных резонаторов, в том числе изоляции мощность его бегущей волны может достигать из резонаторов совмещенных систем, разработанных, 20-200 MW. Такого же порядка в зависимости от например, на основе обычных коаксиальных либо коактипа используемого газа будет и предельный уровень сиальных релятивистских магнетронов.

мощности выходных сигналов системы.

Представляется реальным, что при увеличении мощВ заключение отметим имеющиеся в системе проблености генератора до 250 kW и повышении электрической мы со стабилизацией СВЧ разряда по -й электричепрочности резонатора увеличением давления аргона ской составляющей поля в радиальном зазоре. Нестамощность сигналов исследованного компрессора может бильность плазменного канала разряда частот приводит быть повышена до 25 MW. В случае заполнения системы к значительному разбросу амплитуды и длительности элегазом и увеличения входной мощности до 2-3MW мощность сигналов может быть увеличена еще приблизительно на порядок. Представляется также реальным, что при использовании исследованной системы в качестве элемента вывода энергии из крупногабаритных резонаторов с объемом 10-30 l возможны ее питание от генераторов мощностью 10-30 MW и получение импульсов мощностью 100-200 MW при длительности 50-100 ns.

Кроме того, представляется возможным мощность выходных сигналов системы повысить до 500 MW путем замены газовой изоляции вакуумной с коммутацией в Рис. 3. Огибающая выходных СВЧ импульсов. газонаполненной трубке, как это предложено в [4]. Такая Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Экспериментальное исследование макета 25-мегаваттного СВЧ компрессора... возможность обусловлена практически полным открыванием переключателя при небольшом изменении высоты радиального зазора (рис. 1), что позволяет располагать разрядник не в максимуме электрической составляющей поля в зазоре. В 10 cm диапазоне мощность системы может быть на порядок выше, чем в 3 cm.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 97-02-16461).

Список литературы [1] Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984.

112 с.

[2] Артеменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. // ЖТФ.

1993. Т. 63. Вып. 2. С. 105–112.

[3] Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.;Л.: ГЭИ, 1963. 359 с.

[4] Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып. 20. С. 6–11.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.