Пристрій формування наносекундних когерентних радіоімпульсів нвч коливань підвищеної потужності

Пристрій формування короткочасних когерентних радіоімпульсів НВЧ коливань підвищеної потужності, що містить генератор безперервного випромінювання та резонатор рухомої хвилі (РРХ), який відрізняє ться тим, що до виходу НВЧ генератора підключений Н-трійник, у кожному вихідному плечі якого розташований послідовний ланцюг, утворений атенюатором, фазообертачем і вентилем, які поєднані первинним каналом спрямованого відгалужувача, кільцевий вторинний канал якого являє собою РРХ, при цьому в розрив РРХ вбудований керований затвор і Е-трійник, вихідне плече якого розташоване в площині симетрії хвилевідного кільця РРХ та використовується як вихід генерованих радіоімпульсів НВЧ коливань. (19) (21) a200510289 (22) 01.11.2005 (24) 10.10.2007 (72) САЛАМАТІН ВІКТОР ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ЛУК'ЯНЧУК ГРИГОРІЙ ОЛЕКСАНДРОВІЧ, UA, ЛЕМЕШКО ГЕННАДІЙ ВІКТОРОВИЧ, UA (73) СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОН АЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ, U A (56) Диденко А.В., Юшков Ю.Г. Мо щные СВЧ импульсы наносекундной длительности. - М.: Энергоатомиздат, 1984. С.85 UA 76134 C2, 15.06.2004 RU 12635 U1, 20.01.2000 RU 2166228 C1, 27.04.2001 SU 1202037 A, 30.12.1985 SU 1228256 A1, 30.04.1986 3 80606 Наступним аналогом пристрою, що заявляється є пристрій формувача радіоімпульсів на основі резонатора стоячої хвилі [Диденко А.Н. Мо щные СВЧ импульсы наносекундной длительности / А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшкою. -М.: Энергоатомиздат, 1984. - 112с., стр.85, рис.4.10]. Схема виведення енергії з резонатора даного пристрою побудована на основі синтезу хвилеводного трійника і затвора, що формує відбиваючий фронт на відстані nlв/4 (де n = 1, 3, 5,..., l в - робоча довжина хвилі в хвилеводі) від закорочуючої стінки резонатора. Під час накопичення енергії в резонаторі затвор відкритий. Перемикання затвора здійснювалося плазмою розряду або сильнострумовим пучком електронів. Недоліками даного аналога є: небажані зворотні хвилі, діючі на вихід генератора; висока напруга керуючи х імпульсів (амплітудою порядку 20 кВ); трудність реалізації точного узгодження хвиль в плеча х трійника. Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є пристрій формування НВЧ імпульсів в резонаторі рухомої хвилі (РРХ), що збуджується за допомогою балансного спрямованого відгалужувача (СВ) з регульованим зв'язком [Диденко А.Н. Мо щные СВЧ импульсы наносекундной длительности / А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшкою.-М.: Энергоатомиздат, 1984. -112с., стр. 85, рис.4.7]. Під час накопичення енергії НВЧ хвилі направлені зв'язки генератора з резонатором і резонатора з вихідним навантаженням встановлюються невеликими для отримання максимального посилення рухомої хвилі в кільці резонатора. При виведенні енергії зв'язок з навантаженням збільшується до максимального значення за допомогою мостового фазообертача, необхідний фазовий зсув в якому відбувається при запалюванні розрядників, встановлених на відстані \,/4 від коротко замикаючих поршнів. Недоліками прототипу є: необхідність синхронізації роботи двох розрядників, що важко здійснити при наносекундній тривалості вихідних радіоімпульсів; небажане надходження енергії у вихідне навантаження при накопиченні енергії в РРХ; наявність жорстких вимог до параметрів РРХ через можливість виникнення відбитої хвилі з великою амплітудою; конструктивна складність пристрою, викликана використанням балансного спрямованого відгалужувача і необхідністю регулювання зв'язку резонатора з навантаженням. Технічною задачею винаходу є створення пристрою формування наносекундних когерентних радіоімпульсів НВЧ коливань підвищеної потужності на основі НВЧ генератора. Ця задача вирішується за рахунок накопичення і подальшого швидкого відбору НВЧ енергії з резонатора рухомої хвилі, після якого наступає новий цикл накопичення енергії. Збудження РРХ здійснюється за допомогою спрямованого відгалужувача, один з каналів якого вбудований в розрив кільцевого резонатора, а кожне з плечей другого каналу СВ підключено до окремого послідовного ланцюга атенюатор - фазообертач - вентиль. Дані ланцюги, що забезпечують синфазне двонаправлене збудження біжних хвиль в РРХ, підключені до 4 вихідних плечей Н-трійника, у вхідному плечі якого розташований генератор НВЧ випромінювання. Для виведення накопиченої НВЧ енергії використовується вихідне плече Е-трійника, вбудованого в площину симетрії резонансного кільця. На відстані. lв/2 від площини симетрії вихідного плеча Е-трійника розташований керований затвор, що формує відбиваючий фронт в момент відбору енергії з РРХ. Суть винаходу: пристрій формування наносекундних когерентних радіоімпульсів НВЧ коливань підвищеної потужності, що містить НВЧ генератор, відмінний тим, що до ви ходу НВЧ генератора підключений Н-трійник, у вихідних плечах якого розташовані послідовні ланцюги атенюатор - фазообертач - вентиль, поєднані первинним каналом спрямованого відгалужувача (СВ), кільцевий вторинний канал якого це РРХ, при цьому в розрив РРХ вбудовані керований затвор і Е-трійник, вихідне плече якого розташоване в площині симетрії хвилеводного кільця РРХ і використано як вихід радіоімпульсів НВЧ коливань, що генеруються. У порівнянні з аналогами зменшена потужність, споживана пристроєм, спрощена конструкція, зменшена тривалість генерованих радіоімпульсів НВЧ коливань, відсутня зворотна хвиля, що розповсюджується в напрямі виходу генератора, введена можливість регулювання параметрів хвиль в кільцевому резонаторі, хвилі генератора і на виході пристрою когерентні, пристрій формує короткочасні когерентні імпульси в діапазоні НВЧ, що неможливо реалізувати за допомогою оптичних пристроїв. У порівнянні з прототипом в запропонованому пристрої за рахунок регулюючих ланцюгів усунені труднощі, пов'язані з надходженням енергії хвилі у вихідне плече під час накопичення енергії хвилі в кільцевому резонаторі і з поширенням хвилі у бік генератора, знижені вимоги до параметрів РРХ. У запропонованому пристрої накопичення енергії в РРХ і її швидкий вивід при замкненні затвора сприяє формуванню когерентних радіоімпульсів підвищеної потужності і малої тривалості. Вказана властивість пристрою є новою і істотною. Перевагою запропонованого пристрою є простота основних елементів: генератора НВЧ; трійників, підстроюючих фазообертачей і атенюаторів, вентилів, направленого відгалужувача, що збуджує кільцевий резонатор (в сукупності представляючі РРХ), що приводить до зменшення вартості і полегшення можливості реалізації пристрою, а також до зниження вимог, що пред'являються до величини спрямованості СВ. Вищевикладене дозволяє зробити висновок про високі споживчі властивості запропонованого пристрою. На Фіг.1 приведена функціональна схема, запропонованого пристрою. Запропонований пристрій містить НВЧ генератор 1, Н-трійник, два ланцюги послідовно поєднаних аттенюатора, фазообертача і вентиля, поєднані первинним каналом СВ. Вторинний канал СВ скручений в кільце, довжина середньої лініі якого кратна 5 80606 6 робочої довжині хвилі НВЧ генератора lв. У & & & S tS E & & & площину симетрії кільця вбудований Е - трійник. E1c = S12E2p + 42 13 2p & 1- tS43 На відстані lв/2 (де lв - робоча довжина хвилі в хвилеводі) від площини симетрії вихідного плеча Е & & & S31tS24 E1p & & & - трійника розташований керований затвор, що E2c = S 21E1p + & 1- tS34 перекриває канал РРХ під час випромінювання (1) & & енергії. & = S 31E1p E3c Затвор, встановлений в щілину хвилеводного & 1- tS34 щілинного моста, може бути, газорозрядним, & & напівпровідниковим, вакуумним [В.Г. Алыбин S E & E4c = 42 & 2p /Проблемы создания СВЧ защитных устройств для 1 - tS43 радиолокации и связи/ Алыбин В.Г.// 12-я & Междунар. конф. "СВЧ-техника и Враховуючи рівності = E2p , E1p & телекоммуникационные технологии". Материалы & & & & = S13= S42 i S31 S31= S24= & та конф. 9-13 сент. 2002г. - Севастополь 2002. -с.1521]. & & & = S12 S 43 & = &= t , S= 1 - S312 Пристрій формування наносекундних = S34 21 когерентних радіоімпульсів НВЧ коливань система залежностей (1) після перетворення підвищеної потужності працює таким чином. Хвиля має вигляд: потужністю Р від НВЧ генератора 1 розділяючись & E1c = 0 Н-трійником 2, проходячи через послідовні & підстроюючи ланцюги аттенюатор 3 -фазообертач E2 c = 0 4 - вентиль 5, поступає через плече І і плече II СВ & iE & 6 в плече III і плече IV. У кільці РРХ 7 у стрічних (2) E3 c = ¶ & S напрямах циркулюють дві ідентичні хвилі, що досягают своїх максимальних значень в сталому режимі роботи, і що створюють стоячу хвилю. У режимі накопичення у вихідне плече Е-трійника 8 енергія НВЧ хвилі не поступає. При формуванні затвором 9 відображаючого фронту, хвиля з резонансного кільця поступає у вихідне плече Етрійника, утворюючи на виході пристрою короткий НВЧ імпульс підвищеної потужності. Для аналізу роботи пристрою в режимах накопичення і відбору НВЧ енергії використаний топологічний метод. На Фіг.2 представлений орієнтований граф & пристрою в режимі накопичення енергії, де E , 1p & & & E2p , E3p , E4p - нормовані комплексні амплітуди хвиль, що розходяться від відповідних плечей СВ, & & & & E , E , E , E - нормовані комплексні 1c 2c 3c 4c амплітуди хвиль, що сходяться на відповідні плечі & & & & & & & & СВ, S 21 , S12 , S31 , S13 , S34 , S 43 , S 42 , S24 комплексні коефіцієнти передачі (ККП) між відповідними плечами СВ, teij - комплексний коефіцієнт передачі кільцевого резонатора (при резонансі eij= 1 ). З використанням формули Мезона [Силаев М.А. Приложение матриц и графов к анализу НВЧ устройств / М.А.Силаев, С.С.Брянцев. - М.: Сов.Радио, 1971, 248с.] отримана система залежностей, що описують амплітуди хвиль, що сходяться в І, II, 111 і IV плечах СВ в сталому режимі: 31 & E4 c & iE = ¶ & S 31 & де E ¶ - амплітуда хвилі в живильних плечах & & & ( E¶ = E1p = E2p ). Потужності рухомих хвиль в кільцевому резонаторі, в 1 / S312 раз більше потужностей хвиль, що розходяться в плечах І і II. Плечі II і III ідеально розв'язані між собою. Коефіцієнт відображення від резонатора рівний нулю. На Фіг.3 представлений орієнтований граф пристрою в режимі виводу енергії з резонансного кільця, де t0eij0 - ККП відрізка хвилеводного кільця (ВХК) від площини симетрії вихідного плеча Е - трійника до відбивача, t1eij1 - ККП ВХК від центра елемента зв'язку каналів СВ до площини симетрії вихідного плеча Е-трійника, t2eij2 - ККП ВХК від центра елемента зв'язку каналів СВ до & відбивача, Гк комплексний коефіцієнт відображення сформованого відображаючого & елемента О, Eн - нормована комплексна амплітуда хвилі, що поступає у ви хідне плече Етрійника. У момент виведення енергії з резонатора & & амплітуди хвиль в кільце E3c і E4c максимальні: & E3c = & E4c = & iS31E¶ 1- t 1- S312 & iS E (3) 31 ¶ 1- t 1- S312 & У перший проміжок часу Dt 1 амплітуда Eн хвилі у ви хідному плечі Е-трійника максимальна. У 7 80606 подальші проміжки часу амплітуда хвилі зменшується відповідно до закономірності убуваючої геометричної прогресії зі знаменником q : & & & & Eнm = Eн1·qm-1 Pнm = Pн1·q2m- 2 (4) , де m - номер члена прогресії. Нормована & комплексна амплітуда хвилі Eн є сумою членів геометричної прогресії. & E & (5) Eн = н1 1-q Відповідно до орієнтованого графа, & після приведеного на Фіг.3, і формулою (5) Eн перетворення має вигляд & Eн = ij 1 & & iS31E¶ ·t 1e SH é 2 2 i2j 0 & 2 i2 j 2 & 2 & 2 2 i2j 2 t 2 ei2 j0 1 - S 2 1 - S 2 ù 1 + 1 - SH t0 e Гк + t 2 e Г к 1 - S31 + Гк t 2 e 0 31 H ú 2 ê ë û 1-t 1- S 31 2 i2j 2 1-t e 2 2 & (1 - S31 )(1 - SH )Гк 8 імпульсу - довжиною середньої лінії кільця РРХ і часом замкнення затвора. (6) 2 де t2=t1 2t 22t 02, 2j=2j12j22j 0, аргументи ККП & & S34 і S 43 враховані при визначенні фаз j1, і j2 модулі S 43 = S34 = 1- S312 = t аргумент ККП Е трійника врахований при визначенні фази j1, а & модуль рівний 1 - SH , проміжки часу Dt=Dt 1=Dt2=... Знаменник вираженням прогресії q визначається & (7) = t2 ei2 j(1 - S 312 )(1- SH2 )Г к 2 q Величина модуля комплексного коефіцієнта & відбиття Г K = 1, аргумент jк = p, отже Г к = -1. & Амплітуда хвилі E визначається вираженням. н1 & Eн1 = & iS31E¶ ù & é · t1 eij1SH ê1 - 1 - SH 2 t0 2 e i2 j0 - t 2 2 ei 2j2 1 - S312 t 2 2e i2 j2 t 0 2 ei2 j0 1 - S 312 1 - SH 2 ú ë û 1 - t 1 - S312 (8) & Максимальне значення амплітуди Eн1max (8) відповідає випадку кратності 2j0 і 2j2 числу p, при цьому другий і третій доданок (8) мають позитивний знак. При резонансі в хвилеводному кільці справедлива рівність j0+j1+j2=2pn і j0+j2=j1=2pn. Не хай j0=p/2, тоді ei2j 2 = -1 і ei2( j2 + j0 ) = 1 , отже максимальне значення амплітуди за перший період часу визначається як & & iS E ·t eij1SH é 2 2 i2 j0 2 2 2 2 2 2ù & Eн1 = 31 ¶ 1 + t2 ei2j 2 1 - S31 + t2 t0 1- S31 1 - SH ú ê1+ 1 - SH t0 e û 1- t 1 - S312 ë Потужність вихідного імпульсу, рівная квадрату амплітуди £'", змінюється у часі з формулою P PH = H1 (10) 1- q Проміжки часу Dt визначаються подвійним відношенням довжини середньої лінії кільця до групової швидкості хвилі в хвилеводі. Для перетину хвилевода 23´10мм і довжини середньої лінії резонансного кільця 10lв проміжок часу Dt становить 4,33´10-9с. Таким чином, потужність радіоімпульса, сформованного запропонованим пристроєм, визначається рівнем вихідної потужності НВЧ генератора, часом накопичення енергії в кільці РРХ, коефіцієнтами передачі НХ, а тривалість (9) 9 80606 10