Квазиоптические компрессоры мощных микроволновых импульсов

• Автор: Вихарев, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 154 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Квазиоптические коммутаторы мощного СВЧ-излучения
1.1 Коммутаторы на основе дифракционных решеток с газоразрядными трубками
1.1.1 Активная дифракционная решетка как коммутатор
направления распространения СВЧ-излучения
1.1.2 Активная дифракционная решетка как переключатель фазы СВЧ-излучения
1.2 Коммутатор СВЧ-излучения, переключаемый за счет индуцированной фотопроводимости в полупроводниках
1.3 Резонансный фазоинвертер, переключаемый пучком электронов .
Г лава 2. Новые квазиоптические компрессоры СВЧ-импульсов
2.1 Активный компрессор СВЧ-импульсов на основе трехзеркального резонатора
2.2 Пассивные компрессоры импульсов с фазоинверторами
распределенного типа
2.2.1 Компрессор с дифракционной решеткой
2.2.2 Компрессор с коммутатором на основе индуцированной фотопроводимости в кремнии
2.2.3 Компрессор с фазоинвертором, переключаемым пучком электронов
2.3 Компактный компрессор СВЧ-импульсов на основе
многомодовой линии задержки
2.3.1 Пассивный компрессор
2.3.2 Активный компрессор
2.4 Использование многомодовых резонаторов для увеличения
эффективности активных компрессоров СВЧ-импульсов
Глава 3. Компоненты компрессоров импульсов и линий передач мощного СВЧ-излучения
3.1 Волноводные повороты для эффективной передачи моды ТЕ01 круглого волновода
3.2 Устройства ввода-вывода излучения на основе трехдецибельных СВЧ-ответвителей
3.3 Устройство ввода-вывода мощного СВЧ-излучения на осесимметричной волне
3.4 Согласованная нагрузка на высшей волноводной моде
Заключение
Литература
Список публикаций по теме диссертации

Введение
В настоящее время приборы вакуумной СВЧ-электроники, как источники когерентного микроволнового излучения большой мощности, используются в различных областях науки и техники, таких как: управляемый термоядерный синтез (УТС), ускорители частиц, радиолокация и связь, плазмохимический синтез и микроволновая обработка материалов. Наиболее яркие примеры - применение гиротронов в установках УТС [1], клистронов — в ускорителях заряженных частиц [2], магнетронов - в установках плазмохимического синтеза и модификации материалов [3]. В некоторых из перечисленных областей (ускорительная техника, радиолокация) применяются также компрессоры СВЧ-импульсов, позволяющие увеличивать мощность электромагнитного излучения за счет укорочения длительности импульса.
Существуют два типа компрессоров — пассивные и активные. В пассивных компрессорах сжатие микроволнового импульса происходит при его прохождении через диспергирующую среду. Принцип действия пассивного компрессора [4] на основе отрезка полого металлического волновода поясняется на Рис. В.1. Групповая скорость электромагнитной волны в цилиндрическом волноводе зависит от частоты. Если на вход волновода подается СВЧ-импульс с частотной модуляцией, то разные спектральные участки этого импульса распространяются со своими групповыми скоростями. Подбором частотной модуляции и длины волновода можно добиться того, что различные спектральные компоненты достигнут выхода волновода одновременно. В результате импульс вырастет по амплитуде при соответствующем сокращении длительности. Полый металлический волновод обладает сильной частотной дисперсией только вблизи его критической частоты. Это, во-первых, затрудняет согласование таких компрессоров с внешними трактами, а во-вторых, из-за специфического (существенно неквадратичного) закона дисперсии, затрудняет достижение высокой эффективности компрессии. Поэтому в качестве диспергирующей среды в некоторых случаях используется волновод с постоянной или меняющейся по определенному закону гофрировкой поверхности [4-6].
В ускорительной технике более широкое распространение получили пассивные компрессоры, увеличение мощности в которых достигается за счет сжатия прямоугольного импульса при быстром изменении на 180 градусов фазы СВЧ-излучения, возбуждающего резонатор или резонансную линию задержки [7, 8].

Рис. В.1. Пассивный компрессор на основе отрезка гладкого волновода: а) волновод; б) входной сигнал - СВЧ-импульс с частотной модуляцией; в) распространение спектральных компонент импульса в зависимости от времени; г) сжатый импульс на выходе волновода
Известные пассивные компрессоры такого типа SLED [7] и SLED-II [8] были разработаны в Стэндфордском ускорительном центре (SLAC): Система компрессии SLED использует в качестве накопителя энергии на частоте 2,86 ГГц два идентичных цилиндрических резонатора, объединенных трехдецибельным направленным ответвителем. Излучение от СВЧ-источника поступает на вход 3-дБ направленного ответвителя, делится в нем на два потока со сдвигом фазы друг относительно друга в А<р = 90° и через отверстия связи запитывает два идентичных резонатора. Отраженные от диафрагмы сигналы взаимно компенсируются во входном и складываются в выходном плече трехдецибельного ответвителя. Когда излучение в резонаторах накопится, фаза входного сигнала инвертируется на величину Дір = 180° градусов. При этом волна, вытекающая из резонатора, складывается в фазе с сигналом, отраженным от диафрагмы, увеличивая мощность выходного СВЧ-излучения. Предельный коэффициент усиления по мощности при таком методе компрессии составляет 9 раз, однако эффективность сжатия невелика. Максимальная мощность сжатого импульса, которая была получена в экспериментах с пассивным компрессором SLED на частоте 2,86 ГГц, составила 390 МВт при коэффициенте усиления по мощности равном всего 2,6, но с относительно высокой эффективностью (50%) [9].
Одна из наиболее эффектных модификаций компрессора SLED - VPM основана на использовании единственного резонатора - открытого бочкообразного резонатора, возбуждаемого на моде «шепчущей галереи» [10, 11]. С помощью такой системы компрессии, не требующей, в отличие от оригинальной системы SLED дополнительных развязок, были получены сжатые импульсы мощностью до 150 МВт на частоте 11,4 ГГц при коэффициенте усиления по мощности равном 3,1 [12]. Дальнейшее увеличение выходной мощности ограничено электропрочностью системы отверстий связи, с помощью которой возбуждалась рабочая мода «шепчущей галереи».

измерялся с помощью безындукционного шунта. Характерная осциллограмма тока через шунт при давлении азота р = 7 Topp приведена на Рис. 1.19.
а) б)
Рис. 1.18. Активная дифракционная решетка: а) 1 - пластина из кварца, 2 - винт, 3 - пружина, 4 -металлическое зеркало, 5 - газоразрядный канал, 6 - электроды, 7 - откачной патрубок, 8 - втулка, б) фотография решетки с разрядом.
-200 -100 0 100 t, НС
Рис. 1.19. Величина тока через разрядные каналы дифракционной решетки при давлении азота р =
7 Topp и высоковольтном напряжении 50 кВ
При напряжении на электродах -100 кВ максимальная величина тока составляла величину ~ 700-800 А, т.е. через каждый канал (в решетке использовалось 18 каналов) протекал ток Jimax ~ 40 А. По этому току можно оценить величину плотности плазмы

е ■ S ■ V.