ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 96-99
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 621.372.413
ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ СИСТЕМА КОМПРЕССИИ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРАХ
© 2007 г. В. А. Августинович, С. Н. Артеменко, В. Л. Каминский, С. А. Новиков, Ю. Г. Юшков
ФГНУ "НИИ ядерной физики" Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: novsa@npi.tpu.ru Поступила в редакцию 14.06.2006 г.
Система резонансной компрессии сверхвысокочастотных импульсов состоит из двух последовательно соединенных резонаторов: первый резонатор является высокодобротным сверхразмерным, второй - одномодовым цилиндрическим. Для 10-сантиметрового диапазона длин волн определены временные зависимости напряженности поля в резонаторах во время их возбуждения и передачи энергии при различных значениях коэффициента передачи. Приведены результаты экспериментальных исследований. На выходе получены импульсы длительностью 3 нс и максимальной импульсной мощностью 1.2 ГВт.
PACS: 84.40.-x, 07.57.Hm
Выходной импульс микроволнового импульсного компрессора [1] можно еще раз подвергнуть компрессии и преобразовать в более короткий и мощный импульс - такой процесс последовательной компрессии в двух резонаторах позволяет увеличить выходную импульсную мощность по сравнению с максимальной мощностью, достигаемой накоплением высокочастотной энергии в одном резонаторе.
Для повышения накопленной энергии при допустимых напряженностях высокочастотных полей первый резонатор должен иметь большой объем, и его следует выполнять сверхразмерным. Однако из таких резонаторов трудно осуществлять быстрый вывод энергии, и поэтому длительность сверхвысокочастотных (с.в.ч.) импульсов на выходе таких резонаторов обычно составляет от нескольких десятков до сотен наносекунд. При передаче энергии из первого резонатора во второй между ними устанавливается сильная взаимная связь, инициирующая переходный процесс с постоянной времени, сравнимой или превышающей длительность выходного импульса первого резонатора.
В работе дана оценка параметров системы связанных резонаторов 10-сантиметрового диапазона длин волн при различных значениях коэффициентов передачи между первым и вторым резонаторами и приводятся результаты экспериментальных исследований.
ВОЗБУЖДЕНИЕ РЕЗОНАТОРОВ И ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
Последовательное включение резонаторов представлено схемой, изображенной на рис. 1. Возбуждение резонаторов 1 и 2 осуществляется от первичного источника с амплитудой возбуждающих импульсов |ах|. Вывод энергии из резонаторов происходит последовательно: сначала быстро увеличивается выходной коэффициент передачи И первого резонатора, а после окончания процесса возбуждения второго резонатора резко увеличивается его выходная связь т.
На основании матричных уравнений для амплитуд волн аъ ..., а6, Ъъ ..., Ъ6 в областях неодно-родностей [2] могут быть получены следующие дифференциальные уравнения в предположении, что времена двойного пробега Т1 и Т2 вдоль резо-
k h ^h1 m
a1 bi-— 1 1 a2 a3 1 —^ b3~~ 1 1 a4 a5 2 ~^b4 br~ 1 1 a6 / -V
Рис. 1. Простейшая схема последовательной компрессии: 1 - резонатор первой ступени; 2 - резонатор второй ступени; к, И, т - коэффициенты передачи; а^ ..., а6, Ъ^ ..., Ъ6 - амплитуды волн.
(а) (б)
Рис. 2. Амплитуды волн в первом (а) и втором (б) резонаторах во время возбуждения при значениях: 1 -к = 10-4; 2 - 5 • 10-4; 3 - 10-3; 4 - 2 • 10-3; 5 - 5 • 10-3.
г, мкс
Рис. 3. Амплитуда поля во втором резонаторе в процессе передачи энергии для: 1 - к = 1.5 • 10-3; 2 - 0.8 х
х 10-2; 3 - 2 • 10-2; 4 - 4 • 10-2, 5 - 5 • 10-2 и набегов фаз, принимающих значения у = ф = к 1/2.
наторов 1 и 2, соответственно, малы по сравнению с временем рассматриваемого процесса:
-2(0 + ъ2 ( X )
2 ука1
1 Т- к2 а/1 - к2 ехр (-а!) 2 тк^] 1 - к2л/1 - га2ехр(- а1/2- а1),
+-1—2-—-2 а-Ь4(х)'
Т1 (1 + 71- кУ1- к2 е 1) db4( X) Ь4 (X) 2 укЬ2 (X) ехр (-а/2)
+
(1)
цесс передачи энергии из первого резонатора во второй, когда коэффициент передачи принимает новое значение к1. В соотношениях амплитуд волн дополнительно учтем изменение фаз ф и у при распространении волн вдоль первого и второго резонаторов, соответственно, и предположим, что второй резонатор не связан с нагрузкой во время этого процесса. Дифференциальные уравнения для этого периода времени имеют вид
Л Т2 Т2( 1 + 71- к271- т2ехр (-а2))
Огибающая выходного сигнала определится выражением
Ь6(Х) = утЬ4(Х)ехр(-а2/2). (2)
Здесь т1 и т2 - постоянные времени, а1 и а2 - затухание волны при двойном пробеге резонаторов 1 и 2, у - мнимая единица.
На рис. 2 приведены расчетные зависимости амплитуды бегущей волны как компоненты стоячей волны в первом и втором резонаторах для интервала времени 0 < X < Хг при а1 = 1 и длительности возбуждающего импульса Xg = 6 • 106 с. Кривые построены для следующих параметров: Т1 = = 5.23 • 10-9 с, Т2 = 3.43 • 10-9 с, 0О1 = 7 • 104; б02 = 1.9 х х 104; ю = 2п • 2.8 • 109 с-1; а1 = юТ1/(20О1); а2 = = юТ2/(2б02); к = 0.5 и т = 10-2.
Графики рис. 2 показывают необходимость установки достаточно слабой связи между резонаторами во время возбуждения первого резонатора от внешнего с.в.ч.-источника. В данном случае при к > 2 • 103 происходит резонансная передача энергии во второй резонатор, и эффективность накачки первого резонатора падает.
Используем значения Ь2^) и Ь^) как начальные условия для уравнений, описывающих про-
X), Ь2(X) db4(X)
+ — = С11 Ь4(X) - С2,—,
Ь4( X) Ь 4 ( X) ) db-( X)
-7— + -:— = С12Ь2(X) - 022—7—.
(3)
Здесь о11, с12, о21, о22 - постоянные коэффициенты, зависящие от параметров системы Т1, Т2, к1, к, а1,
а2, у, ф.
На рис. 3 приведены расчетные временные зависимости амплитуды поля во втором резонаторе во время передачи ему энергии из первого резонатора. При возрастании к1 процесс передачи энергии изменяется от апериодического до периодического с увеличением амплитуды биений. В рассматриваемом интервале значений к1 максимальная амплитуда поля достигается при минимальном времени передачи.
Амплитуда выходного импульса рассчитывалась по (2) для Ь6^), где в момент достижения максимальной амплитуды поля во втором резонаторе (рис. 3) во время первого цикла передачи энергии т принимает значение т1 > 0.5. Проведенный расчет показывает, что:
- результирующий коэффициент усиления мощности при последовательной компрессии превышает значение, достигаемое с одиночным резонатором. Усиление амплитуды >12.5 дБ в компрес-
4
98
АВГУСТИНОВИЧ и др.
Гн1
Гн3
Гн2 Фв НО Ц
Атт
ДМ
Осц
Л
Атт
СН
дМ
Осц
ип
Р2
ДМ
ип
Изм
НО
Осц
1
ДМ
Осц
СН
- -
Атт
{ тДМ
Осц
Рис. 4. Блок-схема установки с последовательной компрессией с.в.ч.-импульсов. ДМ - диодный модуль; Гн1 - генератор запуска, Гн2 - магнетронный генератор, Гн3 - генератор высоковольтных импульсов, Фв - фазовращатель, НО -направленный ответвитель, Ц - циркулятор, Р^ Р2 - первый и второй накопительные резонаторы, ИП - интерференционный переключатель, Изм - калориметрический измеритель средней мощности, СН - согласованная нагрузка, Атт - перестраиваемый аттенюатор, Осц - осциллограф.
соре с одиночным резонатором достижимо, однако вывести из него всю энергию за время двойного пробега не представляется возможным;
- низкие значения нагруженной добротности и постоянной времени резонатора последней ступени компрессии соответствуют одномодовому пересвязанному резонатору, позволяющему формировать на выходе короткие с.в.ч.-импульсы длительностью от единиц наносекунд в 10-сантиметровом диапазоне и до сотен пикосекунд в 3-сантиметровом диапазоне длин волн.
1 2 5 6 3 4
Рис. 5. Узел соединения резонаторов первой и второй ступени. 1 - резонатор первой ступени с интерференционным переключателем 2; 3 - резонатор второй ступени с интерференционным переключателем 4; 5 - местоположение диэлектрического окна; 6 - местоположение входной диафрагмы резонатора 3.
УСТАНОВКА С ДВУМЯ СТУПЕНЯМИ КОМПРЕССИИ
Типичная блок-схема компрессора с двумя последовательно соединенными накопительными резонаторами представлена на рис. 4. Устройство работает следующим образом. Магнетронный генератор Гн2 формирует с.в.ч.-импульс, возбуждающий первый резонатор Р1. С задержкой, равной приблизительно длительности с.в.ч.-импульса, высоковольтный импульс запускающего генератора Гн1 инициирует переключающий разряд в коммутаторе Р1. Энергия из него передается в Р2 и, после его резонансного возбуждения, вторым высоковольтным импульсом инициируется срабатывание его переключающего разрядника, приводящее к выводу энергии в виде короткого наносе-кундного с.в.ч.-импульса. Выходная импульсная мощность измеряется методом сравнения с помощью волноводного ответвителя, переменного аттенюатора, диодной головки и осциллографа.
Узел соединения резонаторов показан на рис. 5. Расстояние от плоскости симметрии переключающего тройника первой ступени 2 до входной диафрагмы второго резонатора 6 составляет 217 мм. Диэлектрическое окно 5 установлено для разделения объемов, так как второй резонатор 3 находится под избыточным давлением 0.45-0.5 МПа смеси азота и элегаза.
Для возбуждения использовался перестраиваемый магнетронный генератор со следующими параметрами: рабочая частота, перестраиваемая в пределах 2.795-2.806 ГГц; максимальная импульсная мощность 2.7 МВт; максимальная длительность импульса 6 мкс; максимальная частота повторения 200 Гц при длительности пачки импульсов 1 мин. При таких параметрах запасаемая энергия в первом резонаторе превышала 6 Дж,
К2 100 тВ О | Г 4.00 пс| А К1 6.00 тВ 18ВЯ 100 тВ 400 пс |Д 11.00 % |
Рис. 6. Огибающая сигнала во втором резонаторе при передаче энергии из первого резонатора в отсутствие коммутации. Развертка 400 нс/деление.
причем необходимо было ограничивать плотность энергии уровнем 0.1-0.2 Дж/м3, чтобы максимальная амплитуда напряженности электрического поля не превышала 250 кВ/см. Резонатор первой ступени длиной 766.5 мм и 0300 мм имел рабочий вид колебаний НП(14). Для такого резонатора расчетный коэффициент усиления мощности без учета потерь в переключателе М2 - 64.
Для получения длительности выхо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.