;doc

УДК 621.372
Генераторный СВЧ модуль на основе магнетрона Х-диапазона частот и
резонансного СВЧ компрессора
Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Ваулин В.А., Слинко В.Н., Пересыпкин А.В.
Томский политехнический университет
Скрипкин Н.И.
ОАО «Плутон»
Ключевые слова: безнакальный магнетрон, резонансная СВЧ компрессия, генераторный
СВЧ модуль, СВЧ импульсы наносекундной длительности.
Приведены результаты разработки генераторного СВЧ модуля с резонансной СВЧ
компрессией импульса на выходе магнетрона Х-диапазона частот «Вакуум-33»,
разрабатываемого на предприятии ОАО «Плутон». Рассмотрена схема построения модуля
и описана конструкция резонансной системы компрессии. Приведены результаты
измерения параметров излучения.
Методы временного сжатия энергии импульсов электромагнитного излучения широко
используются для увеличения пиковой мощности приборов СВЧ без изменения питающих
напряжений [1]. При реализации данных методов на выходе генератора или усилителя
размещается резонансный СВЧ компрессор. Такой подход используется в ускорительной
технике для увеличения энергии заряженных частиц без увеличения энергетического
потенциала системы ВЧ питания [1]. В радиолокации обеспечивается увеличение
разрешающей способности с сохранением энергетического потенциала станции [2]. В [2]
показана возможность увеличения дальности электромагнитного воздействия на
электронную технику.
В данной статье приведены результаты разработки предприятием ОАО «Плутон» и
Томским политехническим университетом генераторного СВЧ модуля с резонансной СВЧ
компрессией импульса на выходе безнакального магнетрона Х-диапазона частот «Вакуум33».
Упрощенная структурная схема генераторного СВЧ модуля приведена на рис.1.
Модуль содержит магнетрон «Вакуум -33» -1 и резонансный СВЧ компрессор-7.
Резонансный
СВЧ
компрессор
выполнен
на
основе
медного
цилиндрического
сверхразмерного резонатора ограниченного со стороны входа элементом связи с
волноводным трактом, а со стороны выхода волноводным Т-образным сочленением
круглого волновода диаметром 55 мм и прямоугольным волноводом сечением 28×12 мм2.
В резонаторе и боковом плече тройника возбуждались колебания типа Н11 и Н10
1 соответственно. Резонансная
система
компрессора
имеет
значение
собственной
добротности 30000, разнос рабочего типа колебаний относительно ближайшего
паразитного 50 МГц. Прямоугольное плечо соединения
закорочено и на расстоянии
четверти длины волны в волноводе от короткозамыкателя размещается пусковой электрод
газового разрядника тригатронного типа. Круглое плечо Т-образного соединения
переходом с
Рисунок 1. Упрощенная структурная схема генераторного СВЧ модуля.
1-магнетрон «Вакуум-33», 2-циркулятор, 3- волноводная детекторная секция, 4 –
волноводная нагрузка, 5 – система АПЧ, 6- дететорная секция, 7- резонансный СВЧ
компрессор, 8-схема высоковольтного питания разрядника, 9-волноводная детекторная
секция, 10- волноводная нагрузка.
круглого волновода на прямоугольный сечением 23×10мм2 соединено с волноводной
детекторной секцией -9 предназначенной для индикации импульсов на выходе
резонансного компрессора. Энергия излученных импульсов поглощается в волноводной
нагрузке -10. Запуск разрядника осуществляется от схемы высоковольтного питания -8 с
параметрами: напряжение 3 кВ, длительность импульса 500 нс.
Для согласования
магнетрона-1 с резонансным импульсным компрессором -7 в тракт возбуждения
устанавливается циркулятор -2 с волноводной нагрузкой -4, которая служит для
поглощения энергии отраженной от входа в устройства компрессора в процессе
возбуждения резонансной системы. Циркулятор обеспечивает развязку между плечами,
подключёнными к компрессору и к выходу магнетрона, равную 30 дБ и прямые потери 0.2
дБ. Между нагрузкой -4 и циркулятором -2 размещена волноводная детекторная секция 2 3, которая служит для индикации сигнала поступающего в нагрузку-4. Для настройки
частоты магнетрона на частоту резонансного компрессора используется система
автоматической подстройки частоты -5.
С помощью детекторной секции -6
осуществляется контроль процессов возбуждения резонансной системы компрессора.
Для обеспечения электрической прочности циркулятора и резонансного компрессора
используется газ аргон. Рабочее давление составляло 5 атмосфер. Радиопрозрачные окна,
размещённые на выходе компрессора и входе в циркулятор, обеспечивали герметизацию
рабочих объемов циркулятора и устройства компрессора. Наполнение, сброс и контроль
давления газа осуществлялось посредством газовой системы.
С помощью системы индикации контролировались процессы накопления энергии в
резонансной
системе
компрессора
и
параметры
выходного
излучения.
Форма,
длительность и частота повторения импульсов измерялись и фиксировались на экране
осциллографа LeCroy. Пиковая мощность на выходе генераторного СВЧ модуля
определялась по средней мощности, измеренной ваттметром М3-22 с термисторной
головкой типа М5-43.
На рис. 2 (а)
приведены осциллограммы
СВЧ-импульсов,
которые получены с
помощью волноводной детекторной секцией -3 (луч 1) и детекторной секцией 6 (луч 2).
Из осциллограмм видно, что время возбуждения резонансной системы компрессии
составляет 500 нс. На рисунке 2 (б) приведена осциллограмма импульса на выходе
генераторного СВЧ модуля, которая получена с помощью детекторной секции -9.
Выходной СВЧ импульс по уровню 0.1 амплитуды имел длительность 4.5 нс.
а)
б)
Рис. 2. Осциллограммы импульсов: а- контролируемых волноводной детекторной
секцией 2 (луч 1) и детекторной секцией 5 (луч 2); б- на выходе генераторного СВЧ
модуля
Основные параметры генераторного СВЧ модуля приведены в таблице 1.
3 Таблица 1. Основные параметры генераторного СВЧ модуля.
Пиковая мощность, кВт
Длительность импульсов, нс
Частота повторения импульсов, Гц
Время готовности, с
Напряжение питающей сети
Вес, кг
Габаритные размеры модуля, (длина× ширина ×высота)
300
4.5 нс
2200
Не более 30
+27В
5
965×195×205 мм³
Литература
1. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные
длительности. М.: Энергоатомиздат. 1984. 112 с.
СВЧ
импульсы
наносекундной
2. Yushkov Yu.G., A.Novikov S.Artemenko P.Chumerin R.Shpuntov, Development of
high power microwave compressors// Pulsed Power Plasma Science 2007 (PPPS-2007). June 1722, 2007. – Albuquerque, New Mexico USA. P.1822-1825.
4