WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 11 09;12 Схема формирования высокочастотных импульсов переключаемым резонатором © В.И. Иванников, Ю.Д. Черноусов, И.В. Шеболаев Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия (Поступило в Редакцию 29 ноября 1996 г.) Рассмотрена схема формирования ВЧ импульсов, содержащая накопительный резонатор и переключаемое с антирезонансного на резонансный режим работы устройство вывода. Приведены соотношения для формы импульса, коэффициента усиления, КПД.

Экспериментальные исследования метода формирова- те приведена схема, в которой вывод энергии может осуния ВЧ импульсов, заключающегося в накоплении ВЧ ществляться независимо от накопления, описан процесс энергии в накопительном резонаторе и быстром выводе вывода и проведена оценка максимальных коэффициента в волновод [1–4], показали на возможность получе- усиления и КПД преобразования при заданном времени ния мощных ВЧ импульсов наносекундного диапазона вывода.

длительности при высоких КПД преобразования ВЧ Рассмотрим схему на рисунке, содержащую накопиэнергии питающего генератора в энергию импульсов и тельный резонатор 1 и устройство вывода 3. Устройство коэффициенте усиления. Вывод осуществляется за счет вывода содержит отрезок прямоугольного волновода 2, быстрого изменения конфигурации связи резонатора с ограниченный короткозамыкателем 4 и диафрагмой свялинией [2,3] либо изменением типа колебаний [4] с зи 5 с накопительным резонатором и волновод вывода использованием управляющих элементов — различного мощности 6. Длина отрезка волновода 2 составляет рода разрядников. Время вывода определяется отноше- 5B/4. На расстоянии B/4 от короткозамыкателя 4 нием электрической длины накопительного резонатора установлен ВЧ ключ 7 — резонансная щелевая диафрагк групповой скорости волны и измеряется единицами ма, в середине щели которой помещен управляющий наносекунд. Быстрые разрядники срабатывают за такое элемент — встречно включенные P-I-N-диоды, и на же время, поэтому значительная доля энергии рассеива- расстоянии B/2 от диафрагмы 7 в широкой стенке ется в них самих в течение переходного времени вывода. воновода 2 расположена диафрагма связи 8 волновода Кроме того, в известных схемах в режиме накопления вывода 6. Накопительный резонатор связан с ВЧ генеуправляющие элементы включены непосредственно в на- ратором накачки диафрагмой связи 9.

копительный резонатор, поэтому значительны потери в них и велико электрическое напряжение, что затрудняет использование в качестве управляющих элементов полупроводниковых ключей как при низком, так и при высоком уравне мощности. По этим причинам, по-видимому, полупроводниковые ключи в схемах формирования ВЧ импульсов до настоящего времени не использовалсь.

В ряде случаев необходимо обеспечить вывод запасенной энергии в течение 100–500 периодов высокочастотного поля при высоком КПД преобразования сформировать последовательность ВЧ импульсов с высокой частотой повторения.

В работе [5] показано, что вывод ВЧ энергии из высокодобротного резонатора в линию возможен через При открытом ВЧ ключе (на P-I-N-диоды подано другой резонатор. При этом время вывода определяется напряжение отрицательного смещения) осуществляется коэффициентом связи между резонаторами и может быть накопление ВЧ энергии в резонаторе 1. В отрезке выбрано в приемлемых пределах с учетом быстродей- воновода 2 устройства вывода 3 структура высокочаствия управляющих элементов. Кроме того, может быть стотного поля определяется короткозамыкателем 4, при значительно уменьшено высокочастотное напряжение на этом для ВЧ волны выполняются условия антирезонанса, управляющем элементе, что дает возможность исполь- амплитуда волны в нем минимальна [6]. Для выбранной зования полупроводниковых ключей. В [5] рассмотрена ориентации волновода при антирезонансе диафрагма свявысокочастотная схема, в которой ввод и вывод энергии зи 8 оказывается в области нулевого магнитного поля, осуществляется через проходной управляемый резона- поэтому ВЧ энергия в нагрузку 6 не поступает. При тор, что усложняет ее использование. В настоящей рабо- закрытом ВЧ ключе 7 (на P-I-N-диодах положительное 140 В.И. Иванников, Ю.Д. Черноусов, И.В. Шеболаев смещение) в отрезке воновода 2, ограниченном диафраг- настроен на частоту 0 при сильной отстройке другого мой связи 5 и ВЧ ключем 7 для ВЧ волны выполняются kc =(2 -1)/0.

условия резонанса, ВЧ энергия переводится из резона- Экспериментальная проверка осуществлялась в десятора 1 в резонатор 2 [5]. В волноводе вывода 6 форми- тисантиметровом диапазоне длин волн при Pr 0.1W руется импульс ВЧ мощности. Таким образом, перевод на макете с параметрами Q1 7.5 · 103, Q2 3 · 103, системы из режима накопления в режим вывода ВЧ 0 80 · 10-9 s, k1 = 1, k2 8, kc 0.005. Использоэнергии осуществляется изменением с антирезонансного вались P-I-N-диоды КА-509. Форма генерируемых ВЧ на резонансный режим работы устройства вывода 3. импульсов колоколообразная, близка к виду функции (1) Величина запасенной энергии в режиме и в течение времени t = 0 мало отличается от привенакопления определяется соотношением [7]: денной ранее [5]; длительность по основанию около 80 ns.

W1M = 4k1Q1Pr/(1 + k1)20, где k1 — входной Поскольку при этом 86% запасенной энергии излучается коэффициент связи, Q1 — добротность накопительного в волновод вывода, то обратной перекачки практически резонатора с учетом потерь в устройстве вывода, не происходит и на этом процесс вывода заканчивается.

0 — его частота, Pr — мощность внешнего генератора. На макете получен коэффициент усиления по мощности Если в момент подачи тока на диоды t = 0 генератор K 9 dB амплитуда второго импульса последовательновыключается (режим вывода), то для мощности сти (1) меньше первого примерно на 12 dB (расчетное выходного сигнала PE при (1 + k2)/2Q2 (1 + k1)/2Q1, значение около 10 dB). Причина расхождения в том, что k2 1, k1 = 1 для t 0, следуя [8], можно получить в эксперименте ВЧ генератор работал в непрерывном ресоотношение жиме и при обратной перекачке ВЧ энергии из резонатора вывода накопительный резонатор возбуждался двумя 2 PE = 4PrQ1/0 1 + 0 /2 e-2t/ sin2 t/0, (1) сигналами в противофазе. Это приводило к уменьшению по сравнению с расчетной амплитуды второго импульса.

где = 4Q2/0k2 — постоянная времени спада Частота повторения импульсов составляла 50 kHz.

амплитуды колебаний во втором резонаторе;

Приведенные оценки и экспериментальные результа2 0 = 2/0kc(1 - k2/4Q2kc)1/2 — полупериод ты показывают на возможность создания системы с обмена запасенной энергии между резонаторами;

разделенными функциями, в которой накопление ВЧ k2, kc — соответственно выходной и межрезонаторный энергии осуществляется в высокодобротном резонаторе, коэффициенты связи; Q2, 0 — добротность и частота а вывод — через переключаемое с антирезонансного второго резонатора.

на резонансный режим работы устройство вывода. При Резонаторы обмениваются запасенной энергией с пе- этом в режиме накопления для ВЧ волны в устройриодом 20, а в выходном волноводе формируется сигнал стве вывода выполняются условия антирезонанса, ам(1), представляющий собой последовательность колоко- плитуда волны a2s в нем минимальна и определяется лообразных импульсов с длительностью (по основанию) соотношением [6] a2s = a1T1/2, где a1 — амплитуда и периодом 0 с быстро убывающей амплитудой. При волны в накопительном резонаторе, T1 — коэффициент заданном 0 максимальное значение функции (1) воз- передачи межрезонаторной диафрагмы связи 5. Можно растает при уменьшении времени спада (увеличении показать, что если резонаторы выполнены из отрезков k2, kc). Полагая, что граничным условием справедли- волноводов, то T1 = kc(n1n2)1/2/2q1q2, где q1, q2 — вости принятого метода рассмотрения переходных про- отношение длины волны в свободном пространстве к цессов будет равенство = 0, находим граничные длине волны в соответствующем волноводе; n1, n2 — значения межрезонаторного и выходного коэффициентов длины резонаторов, измеренные в единицах полуволн.

связи kc = 2(2 + 1)1/2/00, k2 = 4Q2/00. Выходная В нашем случае n1 = n2 = 2, q1 = q2 0.69, мощность максимальна в момент времени t0 0.40, поэтому T1 3.3kc. Максимальный уровень импульсной при этом расчетный коэффициент усиления схемы по мощности формируемых данной схемой сигналов будет мощности K = PE(t0)/Pr 9.7dB.

определяться амплитудой стоячей волны антирезонанса Будем считать, что полезная доля энергии WE выводит- 2a2s = a1T1. Поскольку T1 1, то высокочастотное ся в течение только первого из импульсов длительностью напряжение на управляющем элементе ВЧ ключа зна0 последовательности (1). Из (1) доля Wc выведенной чительно меньше, чем для обычных схем [1–4], где оно энергии в течение времени 0: WE 0.86PrQ1/0, определяется непосредственно волной в накопительном т. е. КПД вывода энергии, запасенной в накопительном резонаторе a1. Это позволяет использовать полупроводрезонаторе, через промежуточный резонатор в волновод никовые элементы в схемах формирования и усиления вывода составляет 86%.

ВЧ импульсов. Максимальная частота повторения опреКоэффициенты k1, k2 измеряются со стороны входа деляется временем восстановления P-I-N-диодов и при и выхода на резонансной частоте 0 при сильно от- относительно невысоком уровне мощности может быть строенном соответственно втором и первом резонато- доведена до единиц MHz. Отметим, что рассмотренная рах. Значение kc измеряется по раздвоению резонанс- схема при k2 = 0 пригодна для создания полей высоных частот 2, 1 амплитудно-частотной характеристики кой напряженности в резонаторе вывода и может быть системы связанных резонаторов, каждый из которых применена для ускорения заряженных частиц.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Схема формирования высокочастотных импульсов переключаемым резонатором Список литературы [1] Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности, М.: Энергоатомиздат, 1984, 112 с.

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

С. 2465–2467.

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

1992. Т. 62. Вып. 8. С. 138–146.

[4] Артеменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. // Письма в ЖТФ. 1981. Т. 7. Вып. 24. С. 1529–1533.

[5] Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. // ЖТФ.

1995. Т. 65. Вып. 5. С. 194–197.

[6] Альтман Дж. Устройства СВЧ. М.: Мир, 1968. 487 с.

[7] Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. // ВАНТ.

Сер. ЯФИ (ТиЭ). 1989. Вып. 6(6). С. 55–58.

[8] Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. // ЖТФ.

1996. Т. 66. Вып. 5. С. 162–167.

Журнал технической физики, 1997, том 67, №




© 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.