WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 4 09 Эффективность последовательной резонансной компрессии радиоимпульсов © С.Н. Артеменко Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете, 634050 Томск, Россия (Поступило в Редакцию 11 августа 1997 г. В окончательной редакции 21 апреля 1998 г.) Рассмотрен вопрос об эффективности формирования мощных широкополосных и сверхширокополосных радиоимпульсов методом последовательной резонансной компрессии. Проанализирован процесс компрессии радиоимпульсов с прямоугольной огибающей в последовательностях, состоящих из двух или трех компрессоров, а также в последовательности с экспоненциальным спадом выходного сигнала первой ступени и прямоугольными огибающими остальных ступеней. Определена максимальная эффективность накопления энергии в резонаторе при его возбуждении сигналом с экспоненциальным спадом.

В [1] показана возможность получения мощных ши- Из (1), (2) нетрудно получить связь между M2, H, p, рокополосных и сверхширокополосных СВЧ импуль- ti и сов методом последовательной резонансной компрессии, M2 = Hpti/B = ti/B = Hti(Q0/QB - - 1)/B, осуществляемой поочередным накоплением и быстрым выводом энергии импульсов в линейной цепочке резоQ0 = QH(1 + ). (3) наторов. Вместе с тем очевидно, что увеличение числа Для компрессоров с одномодовыми резонаторами ступеней компрессии приводит к дополнительным посправедливы соотношения B T, ti > p, QB QH, терям энергии. Поэтому энергетические характеристики поэтому (1)–(3) преобразуются к виду подобных устройств могут оказаться невысокими и суще 2 ственно зависящими от параметров каждой из ступеней. 2 M2 = 4 1 - exp(-ti(1 + )/2p) M0 (1 + )2, Так, в [1] при коэффициенте усиления 28 dB КПД устройства не превышал 7%. В этой связи естествен H, p 1, M2 Hti/T, (4) вопрос о возможности оптимизации таких систем с 2 где M0 = 1/2 — коэффициент усиления резонатора, целью повышения коэффициента усиления и КПД.

— постоянная затухания волны при двойном его В настоящей работе проанализирован вопрос о коэфпробеге; T — время двойного пробега.

фициенте усиления и КПД при последовательной комОтсюда для последовательности из N компрессоров прессии СВЧ импульсов с прямоугольной огибающей, а находим также при компрессии импульсов с экспоненциальным N N спадом.

MN = t1 i TN = t1N/TN, N i, (5) 1. Сжатие импульсов с огибающей, близкой к прямоi=1 i=угольной, реализуется в последовательности компрессоров с одномодовыми резонаторами. При этом коэффи- где TN — время двойного пробега вдоль резонатора циент усиления M2 и эффективность передачи энергии в последней ступени.

нагрузку (КПД) для каждой из ступеней определяются Оценки показывают, что реально можно использовать выражениями [2] 2–3 ступени. Большее их количество приводит к неоправданному увеличению веса и размеров системы и M2 =4 1 - exp(-ti(1 + )/2p) значительному снижению КПД. При этом длительность выходного сигнала первой ступени не может превышать (p/B - - 1)/(1 + )2, = Hp, (1) 30–40 ns, так как дальнейшее ее увеличение приводит где — коэффициент связи резонатора с ВЧ трактом; к чрезмерно большой длине резонатора этой ступени ti — длительность входного импульса; p, B — по- и пропорциональному уменьшению коэффициента усистоянные звучания резонатора и затухания выходного ления (M1 1/T1). Поэтому для 2-й и 3-й ступеней импульса; H — эффективность накопления энергии; справедливы неравенства t2,3 p2,p3, (t2 = T1, t3 = T2), p — КПД резонатора, которые означают, что резонаторы этих ступеней должны работать при сильной пересвязи (2, 3 1). В H = 4p 1 - exp(-ti(1 + )/2p) (ti(1 + )2) [3], силу этого 2,3 0.8 [3] и для 2- и 3-ступенчатых систем выражения (5) принимают вид p =1 - QB/QH, (2) 2 MN=2 0.81t1/T2, MN=3 0.641t1/T3, QH, QB — добротности резонатора в режиме накопления и вывода. N=2 0.81, N=3 0.641. (6) 9 132 С.Н. Артеменко Из (6) видно, что коэффициент усиления системы Из (7), (8) находим при компрессии импульсов с прямоугольной огибающей b2(t) =-4 b2(exp(-t/H) - exp(-t/2B)) является функцией эффективности накопления первой ступени и отношения длительностей входного и выход HBb1(0)/(T2M02(2B - H)), (9) ного импульсов, а КПД — функцией только эффективности накопления первой ступени. Так как в пергде H = 2p2/(1 + 2).

вой ступени необходимо применение достаточно длинОтсюда для коэффициента усиления M2 и эффективных резонаторов, имеющих практически неизменную ности накопления 2 второй ступени получаем величину постоянной p1, а следовательно при задан ном t1 и неизменное оптимальное значение 1, то при M2(t)2 = 4M02 exp(-t/H) - exp(-t/2B) (1 + 2) фиксированных длительностях входного и выходного импульсов практически независимо от индивидуальных (1 - p2/B(1 + 2), (10) параметров первой ступени коэффициент усиления и 2(t) =M2(t)2T2/B. (11) КПД последовательности будут постоянными. Поэтому в рассматриваемом случае выбор первой ступени должен Далее можно показать, что M2(t)2 и 2(t) достигаопределяться только соображениями приемлемости ее ют максимума при t = tm, определяемом равенством массогабаритных характеристик и электрической проч- tm = 2zB ln(z)/(z - 1), где z = p2/(B(1 + 2)). При ностью для заданного уровня входной мощности.

этом M2(t)2 и 2(t) принимают значения 2. Одномодовые резонаторы позволяют получать им M2m =42Bz z(1/(1-z))-z(z/(1-z)) 2 (1 + 2)(z - 1)2T2, пульсы с прямоугольной огибающей и имеют высокий коэффициент усиления (до 20 dB). Вместе с тем из-за 2m = M2mT2/B. (12) низкой добротности и малого объема в них невозможно накопление достаточно большого количества энергии, Из последних выражений следует уравнение для опречто не позволяет использовать их для получения импульделения оптимальной величины входной связи 2 резосов с большим запасом энергии. Для этой цели более натора второй ступени подходящими являются относительно высокодобротные (1 - 2 - p2/B)/22 - z ln z/(1 - z). (13) многомодовые резонаторы, которые при небольших габаритных размерах имеют большой объем и способны Решение (13) в общем случае ищется численно. Однаформировать достаточно длинные и энергоемкие наноко в предельном случае, когда p2 B, легко устаносекундные СВЧ импульсы ( 100 ns). Однако, облавить, что 2 p2/B - 1. При этом 2m асимптотически дая высокой эффективностью накопления (1 0.6), стремится к значению, определяемому выражением компрессоры с многомодовыми резонаторами имеют относительно низкий коэффициент усиления ( 10 dB) 2m = 4(1 - B/p2)/e2 4/e2 0.54, (14) и выходной сигнал с экспоненциальным спадом. Это а коэффициент усиления монотонно убывает по закону делает неочевидной перспективность их использования в первой ступени. Бесперспективность их применения 2 M2m 4M02B/(e2p2) во 2-й и 3-й представляется несомненной. Поэтому рассмотрим только последовательность с многомодовым 4M02/(e2(2 + 1)) 4B/(e2T2). (15) резонатором в первой ступени и одномодовыми в последующих. Огибающая выходного импульса компрессора Таким образом, согласно последним выражениям, при с многомодовым резонатором определяется выраженивозбуждении резонатора сигналом с экспоненциальным ем [2] спадом эффективность накопления не может превышать 0.54, а коэффициент усиления по мере укорочеb2(t) =81B(1 -exp(-t1(1 + 1)/2p))1 ния возбуждающего импульса монотонно падает и при B 2T2 стремится к единице. Однако, поскольку, Pg exp(-t/B)/(1 + 1)2, (7) как правило, сверхразмерные резонаторы обеспечивают B > 10T2 0.1p2, то в любом случае коэффициент где B — коэффициент выходной связи резонатора, усиления второй степени будет не менее 5–10. Для B = p/B - 1 - 1, Pg — мощность генератора.

последовательности из двух или трех компрессоров из Можно показать, что процесс накопления в резонаторе (1), (10), (11) нетрудно получить выражения для MN 2-й ступени в этом случае описывается дифференциальи N ным уравнением 2 MN=2 = 12t1/T2, MN=3 = 0.812t1/T3, db2/dt + b2/2p2 j 2b1(t)/M01T2, (8) N=2 = 12, N=3 = 0.812, (16) где M02 — коэффициент усиления резонатора 2-й ступе- где 1 определяется соотношением (1), а 2 — формуни. лами (12), (13).

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Эффективность последовательной резонансной компрессии радиоимпульсов Как следует из (16), в отличие от последовательности компрессоров с прямоугольными импульсами в последовательности с сигналом с экспоненциальным спадом после первой ступени коэффициент усиления и КПД определяются эффективностью передачи энергии не только 1-й, но и 2-й ступени. Так как обычно 1 0.6 [2], a 2, согласно (12), равна 0.3–0.5, то КПД первых двух ступеней и в этом случае будет практически таким же, как и в последовательности одномодовых резонаторов.

В равной степени это утверждение относится и к коэффициенту усиления. Это обеспечивает несомненную перспективность использования в 1-й ступени многомодового накопительного резонатора.

3. Таким образом, анализ показал, что последовательной компрессии импульсов с прямоугольной огибающей после каждой из ступеней компрессии и с экспоненциальным спадом после первой ступени и прямоугольной огибающей в последующих коэффициент усиления и КПД системы для фиксированных длительностей входного и выходного импульсов и заданного числа ступеней являются величинами практически постоянными.

Это означает определенную свободу в выборе размеров резонаторов первых ступеней.

Установлено, что эффективность накопления энергии СВЧ импульсов с экспоненциальным спадом не превышает 0.54.

Автор благодарит Ю.Г. Юшкова за поддержку при выполнении работы.

Список литературы [1] Новиков С.А., Разин С.В., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. Вып. 20. С. 46–48.

[2] Артеменко С.Н. // ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 10. С. 163–171.

[3] Бараев С.В., Коровин О.П. // ЖТФ. 1980. Т. 50. Вып. 11.

С. 2465–2467.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып.




© 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.