Выходной узел плазменного релятивистского источника свч-импульсов с преобразованием типа волны
Владельцы патента RU 2595554:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, в частности к сильноточным релятивистским импульсным плазменным источникам микроволн, и может быть использовано для создания выходных узлов плазменных релятивистских источников СВЧ-импульсов с преобразованием низшей волны коаксиального волновода ТЕМ-типа в низшую волну полого волновода круглого сечения типа Н11. Техническим результатом изобретения является уменьшение искажений СВЧ-импульсов за счет минимизации отражений СВЧ-волн по мере их распространения от границ генераторной секции до границы рупора. Выходной узел плазменных релятивистских источников СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны содержит внутренний и внешний металлические электроды цилиндрической формы, причем в области перед конечным участком внешнего металлического электрода в форме рупора или внутренний металлический электрод, или внешний металлический электрод выполнен с плавным загибом, при этом конец внутреннего металлического электрода жестко соединен с внутренней поверхностью внешнего металлического электрода с обеспечением электрического контакта между ними по всему периметру соединения, а длина плавного загиба выполнена превышающей максимальную длину волны передаваемого СВЧ-излучения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, в частности к сильноточным релятивистским импульсным плазменным источникам микроволн, и может быть использовано для создания выходных узлов плазменных релятивистских источников СВЧ-импульсов с преобразованием низшей волны коаксиального волновода типа ТЕМ в низшую волну полого волновода круглого сечения типа Н11.
Известно устройство [RU 1395065, A1, H01P 1/16, 10.05.2000], содержащее отрезок прямоугольного волновода и отрезок круглого волновода, соединенный с ним, отражатель, имеющий форму диска и установленный на конце отрезка круглого волновода, одна из широких стенок отрезка прямоугольного волновода расположена по касательной к цилиндрической поверхности отрезка круглого волновода, а одна из узких стенок отрезка прямоугольного волновода размещена в плоскости, совпадающей с поверхностью отражателя.
Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его в качестве узла плазменных релятивистских источников СВЧ-импульсов с преобразованием низшей волны коаксиального волновода ТЕМ-типа в низшую волну полого волновода, соответственно, типа Н11 для волновода круглого сечения или типа Н10 для волновода прямоугольного сечения.
Известен также преобразователь типа волн в сверхширокополосном волноводно-рупорном излучателе [RU 142669, U1, H01Q 13/02, 27.06.2014], выполненный в виде отрезка П-образного волновода со скачкообразным изменением высоты гребня и возбудителя, подсоединенного в месте скачка высоты гребня.
Недостатком преобразователя являются относительно большие отражения по мере распространения СВЧ-волны от границы генераторной секции до границы рупора.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является выходной узел плазменного СВЧ-генератора [Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Рабинович М.С. и др. «Релятивистский плазменный СВЧ генератор» // ЖЭТФ. 1982. Т. 83. №4 (10). С. 1358], который содержит внешний и внутренний коаксиальные металлические электроды цилиндрической формы, аксиально-симметричные по всей длине, при этом внешний коаксиальный металлический электрод на конечном участке выполнен в форме рупора, а конец внутреннего электрода закреплен в рупоре, по крайней мере, двумя металлическими стержнями.
Недостатком наиболее близкого устройства является наличие относительно больших отражений и относительно сильных искажений СВЧ-импульсов по мере распространения СВЧ-волны от границы генераторной секции до границы рупора, вызванных тем, что ТЕМ-волна коаксиального волновода искажается металлическими стержнями, которыми внутренний электрод закреплен в рупоре, вследствие чего отраженная часть излучения негативно влияет на работу СВЧ-генератора, а на выходе устройства излучается не один тип волн, а несколько.
Технической задачей изобретения является уменьшение отражений и уменьшение искажений СВЧ-импульсов.
Эта техническая задача достигается минимизацией отражений СВЧ-волны по мере ее распространения от границы генераторной секции до рупора при преобразовании низшей волны коаксиального волновода ТЕМ-типа в низшую волну полого волновода круглого сечения типа Н11.
Конструктивно требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем внутренний металлический электрод цилиндрической формы и внешний металлический электрод цилиндрической формы, плавно переходящей на конечном участке в форму рупора в виде боковой поверхности усеченного конуса, согласно изобретению перед конечным участком внешнего металлического электрода или внутренний металлический электрод, или внешний металлический электрод выполнен с плавным загибом, при этом конец внутреннего металлического электрода жестко соединен с внутренней поверхностью внешнего металлического электрода с обеспечением электрического контакта между ними по всему периметру соединения, а длина плавного загиба выполнена превышающей максимальную длину волны передаваемого СВЧ-излучения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что диаметр внутреннего металлического электрода цилиндрической формы равен 20 мм, а диаметр внешнего металлического электрода цилиндрической формы равен 36 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что рупор на конечном участке внешнего металлического электрода выполнен в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен 240 мм при длине образующей 600 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что плавный загиб внешнего металлического электрода в области перед его конечным участком выполнен на длине 110 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что плавный загиб внутреннего металлического электрода в области перед конечным участком внешнего металлического электрода выполнен на длине 90 мм.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - выходной узел плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны для случая плавного загиба внутреннего металлического электрода;
на фиг. 2 - выходной узел плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны для случая плавного загиба внешнего металлического электрода;
на фиг. 3 - картина силовых линий электрического поля СВЧ-волны в четырех сечениях выходного узла плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны для варианта с плавным загибом внутреннего коаксиального металлического электрода, где А - на начальном участке; Б - в области плавного загиба; В - в области контакта внутреннего и внешнего электродов; Г - на конечном участке;
на фиг. 4 - конструкция устройства-прототипа.
В выходном узле плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны обозначены:
1 - начальный участок узла;
2 - внешний металлический электрод;
3 - внутренний металлический электрод;
4 - конечный участок внешнего металлического электрода, выполненный в форме рупора.
Выходной узел плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны содержит внутренний металлический электрод 3 цилиндрической формы и внешний металлический электрод 2 цилиндрической формы, плавно переходящей на конечном участке 4 в форму рупора в виде боковой поверхности усеченного конуса.
В выходном узле плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны в области перед конечным участком 4 внешнего металлического электрода или внутренний металлический электрод 3 выполнен с плавным загибом (фиг. 1), или внешний металлический электрод 2 выполнен с плавным загибом (фиг. 2), при этом конец внутреннего металлического электрода 3 жестко соединен с внутренней поверхностью внешнего металлического электрода 2 с обеспечением электрического контакта между ними по всему периметру соединения, а длина плавного загиба выполнена превышающей максимальную длину волны передаваемого СВЧ-излучения.
Жесткое закрепление конца внутреннего металлического электрода 3 с внутренней поверхностью внешнего металлического электрода 2 с обеспечением электрического контакта между ними по всему периметру соединения обеспечивается, например, сваркой.
В частном случае диаметр внутреннего металлического электрода 3 цилиндрической формы составляет 20 мм, а диаметр внешнего металлического электрода 2 цилиндрической формы составляет 36 мм. Рупор на конечном участке 4 внешнего металлического электрода 2 выполняют в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен 240 мм при длине образующей 600 мм. Кроме того, плавный загиб внешнего металлического электрода 2 в области перед его конечным участком 4 выполнен на длине 110 мм, а плавный загиб внутреннего металлического электрода 3 в области перед конечным участком внешнего металлического электрода выполнен на длине 90 мм.
Работает выходной узел плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны следующим образом.
Его работа демонстрируется на фиг. 3, где в верхней части показан выходной узел с сечениями А, Б, В, Г, а в нижней части линиями со стрелками показаны силовые линии электрического поля волны. В сечении А волна соответствует низшему типу ТЕМ и электрические силовые линии аксиально симметричны. По мере сближения поверхностей внутреннего 3 и внешнего 2 электродов, как показано в сечениях Б и В, картина силовых линий постепенно изменяется, в результате чего в сечении Г силовые линии принимают вид, соответствующий низшему типу волн волновода круглого сечения, т.е. волне типа H11.
Отличием предлагаемого устройства от прототипа является расстояние, на котором претерпевает изменение структура поля: в предлагаемом устройстве оно существенно больше. Благодаря такому плавному, адиабатическому переходу от начальной до конечной структуры электромагнитного поля в устройстве имеет место сложение отраженных парциальных волн небольшой амплитуды, имеющих место в каждом сечении, с учетом набега фаз каждой волны, что приводит к их взаимному уничтожению. Численные расчеты показывают, что в широком диапазоне частот коэффициент отражения (коэффициент S11) предлагаемого узла не превышает 10%, тогда как в прототипе с близкими размерами отражения в 2…2.5 раз больше. В прототипе отражение происходит на стержнях крепления внутреннего электрода, почти перпендикулярных направлению распространения волны, парциальные волны отражаются от них в одной фазе и не компенсируют друг друга, вследствие чего и возникают значительные отражения.
Таким образом, в предложенном устройстве достигается требуемый технический результат, заключающийся в уменьшении отражений и уменьшении искажений СВЧ-импульсов за счет минимизации отражений СВЧ-волн по мере их распространения от границы генераторной секции до границы рупора при преобразовании низшей волны коаксиального волновода типа ТЕМ в низшую волну полого волновода круглого сечения типа H11.
Эта минимизация обеспечивается тем, что перед конечным участком внешнего металлического электрода или внутренний металлический электрод, или внешний металлический электрод выполнен с плавным загибом, при этом конец внутреннего металлического электрода жестко соединен с внутренней поверхностью внешнего металлического электрода с обеспечением электрического контакта между ними по всему периметру соединения, а длина плавного загиба выполнена превышающей максимальную длину волны передаваемого СВЧ-излучения.
1. Выходной узел плазменного релятивистского источника СВЧ-импульсов с преобразованием типа волны, содержащий внутренний металлический электрод цилиндрической формы и внешний металлический электрод цилиндрической формы, плавно переходящей на конечном участке в форму рупора в виде боковой поверхности усеченного конуса, отличающийся тем, что в области перед конечным участком внешнего металлического электрода или внутренний металлический электрод, или внешний металлический электрод выполнен с плавным загибом, при этом конец внутреннего металлического электрода жестко соединен с внутренней поверхностью внешнего металлического электрода с обеспечением электрического контакта между ними по всему периметру соединения, а длина плавного загиба выполнена превышающей максимальную длину волны передаваемого СВЧ-излучения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр внутреннего металлического электрода цилиндрической формы равен 20 мм, а диаметр внешнего металлического электрода цилиндрической формы равен 36 мм.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рупор на конечном участке внешнего металлического электрода выполнен в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен 240 мм при длине образующей 600 мм.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плавный загиб внешнего металлического электрода в области перед его конечным участком выполнен на длине 110 мм.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плавный загиб внутреннего металлического электрода в области перед конечным участком внешнего металлического электрода выполнен на длине 90 мм.
