Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

700

Глава 32. Генерирование импульсов сверхширокополосного излучения

Эксперименты со сверхширокополосными секционированными излучателями

повышенной направленности показали, что создание синхронных СШП антенных

решеток со сверхмощными «ячейками» имеет реальную перспективу. По-види-

мому, это одно из наиболее наглядных направлений, в котором могут быть сведены

воедино возможности импульсно-периодических наносекундных драйверов, сис-

тем формирования стабильных высоковольтных импульсов короче 1 не, управляе-

мых газовых коммутаторов со сверхточным включением, электрически прочных

согласующих трактов и антенных систем.

Группой Ковальчука [22] разработан генератор мощных СШП импульсов на-

пряжения по схеме рис. 4. Биполярный импульс имел амплитуду ±100 кВ при

длительности 3,5 не и частоте повторения 100 Гц. Для зарядки коаксиальной ли-

нии с волновым сопротивлением 50 Ом использовался трансформатор Тесла,

встроенный в коаксиальную линию. В первичной цепи этого трансформатора

емкость разряжалась через тиратрон. Время зарядки формирователя биполярных

импульсов составляло 10 не. В качестве нагрузки использовалась одиночная

комбинированная антенна, приведенная на рис. 7, а. Эксперименты показали, что

как в азимутальной, так и в меридиальной плоскостях, диаграмма направленно-

сти такой антенны широкая [24].

Для увеличения мощности излучения и сужения диаграммы направленности

в [24] использовался активный генератор биполярных импульсов с двумя газораз-

рядными коммутаторами с напряжением ±200 кВ длительностью 3,5 не с частотой

повторения 100 Гц. Пиковая мощность в вертикально поляризованном излучении

составила 1,3 ГВт. Для улучшения диаграммы направленности излучения исполь-

зовалась четырехэлементная антенная решетка с использованием комбинирован-

ных антенн.

Генератор состоит из формирователя биполярных импульсов и источника им-

пульсной зарядки формирователя. К формирователю подключаются передающие

антенны. Генератор биполярных импульсов (рис. 12) состоит из четырех коакси-

альных линий Л\-Ль четырех разрядников и модулятора, собранного на ти-

ратроне. Линии Л\ и Л

соответственно с лавсановой и полиэтиленовой изоляция-

ми, являются промежуточными накопителями энергии, Л

- линия, формирующая

Рис. 32.12. Схема генератора сверхширокополосных импульсов. Л\-Л

- коаксиальные ли-

нии,

Р1-Р4

- разрядники, 7Т - трансформатор Тесла, Ь - индуктивность, ДН

-ДЩ - делите-

ли напряжения,

и 2 -

первичная

и вторичная

обмотки

трансформатора Тесла,

- магнито-

провод, 4 - четырехканальный делитель мощности, 5 - диэлектрические контейнеры пере-

дающих антенн,

- передающие антенны

32.4 Конструкции мощных

СШП генераторов 701

биполярные импульсы, Л"

- передающая линия. Волновое сопротивление линий

Л2-Л4 составляет 12,5 Ом, а Л\ - 25 Ом. Электрическая длина линий Л1-Л4 равна

3,0, 2,5 и 4 не соответственно. Разрядники Р

Ра

работают в режиме обостре-

ния фронта импульса, а радиальный разрядник Р

- как срезающий.

Внутри линии Л\ встроен трансформатор Тесла (77). Он содержит первичную 1

и вторичную 2 обмотки и разомкнутый магнитопровод 3. Наружная и внутренняя

части магнитопровода одновременно являются проводниками линии Л\. Транс-

форматор 7У, совмещенный с линией Л\, размещен в стальном корпусе в среде

элегаза под давлением 12 атм.

Электроды разрядников Р\-Р^ изготовленные из нержавеющей стали, установ-

лены с зазорами соответственно 8, 4, 2,5 и 3,5 мм. Электроды разрядника Р\ вы-

полнены в виде полусфер, а электродами Р

и Р

являются концы линий Л

Л"

труб из нержавеющей стали. Разрядный промежуток Р

образован поверхностью

внутреннего проводника линии Л

- трубы из нержавеющей стали и кольцевым

электродом, установленным на внутренней поверхности корпуса. Объемы разряд-

ников разделены проходными изоляторами и заполнены азотом под давлением

25-40 атм. Нагрев газа во время работы генератора приводил к изменению напря-

жения самопробоя разрядников. Чтобы уменьшить это изменение, каждый объем

разрядника соединен с буферным объемом (-10 л). Для стабилизации напряже-

ния самопробоя разрядника Р\ имеется система продувки сжатого газа по замк-

нутому контуру поперек канала разряда с одновременным охлаждением. Индук-

тивности Ь служат для снятия остаточного заряда с электродов разрядников.

При подаче пускового импульса срабатывает тиратрон Т (ТГИ1-1000/25), ком-

мутируя на первичную обмотку ТТ накопительную емкость С, заряженную до

напряжения -12 кВ. На вторичной обмотке напряжение может нарастать до макси-

мального значения -580 кВ за время -2,5 мкс, заряжая линию Л\. При срабатыва-

нии разрядника Р\ на уровне напряжения -560 кВ линия Л\ заряжает промежуточ-

ный накопитель - линию Л

за время -8 не до напряжения -520 кВ.

При срабатывании Р

использование промежуточного накопителя Л

позволяет

сократить время зарядки формирователя - линии Лз до -3 не. За счет высоких ско-

ростей нарастания напряжения (-1-10

В/с) на электродах разрядников Р

и Р

реализуется режим объемной лавинной коммутации с субнаносекундными време-

нами задержки срабатывания между ними. При импульсной зарядке линии Л

режиме бегущей волны до уровня II

и одновременном срабатывании разрядников

и Р

в передающей линии Л

формируется биполярный импульс с амплитудой

напряжения II «±С/

/2 и длительностью, равной времени двойного пробега волны

между разрядниками.

Генератор биполярных импульсов работает с частотой повторения 100 Гц. Ти-

пичная осциллограмма выходного биполярного импульса, полученная с емкостного

делителя напряжения Д#

, представлена на рис. 13. Основные характеристики вы-

ходного импульса напряжения: II_ =206 кВ, 11+= 194 кВ,

АИШ_

2%,

/_ =

1,1

не,

=1,1 не,

11*/11_

= 10%, где II11+ - амплитуды отрицательного и положитель-

ного полупериодов напряжения, (_,(+- длительности отрицательного и положи-

тельного полупериодов напряжения по уровню 0,5

II_

0,511+,

II* - амплитуда

предымпульса. Выходной биполярный импульс имеет общую длительность «3,5 не.

702

Глава 32. Генерирование импульсов сверхширокополосного излучения

г [не]

Рис. 32.13. Осциллограмма выходного

импульса

высоковольтного генератора

Режим работы генератора такой: 20 минут генерации импульсов, а затем перерыв

1,5 часа. Ограничение рабочего времени связано с нагревом изоляторов линий Л\-Л

Четырехэлементная антенная решетка возбуждалась генератором биполярных

импульсов через четырехканальный делитель мощности (4 на рис. 12) и четыре

коаксиальные линии, заполненные азотом под давлением 40 атм. Конструктивно

делитель состоит из пяти коаксиальных линий: входной с волновым сопротивлени-

ем 12,5 Ом и четырех выходных, расположенных в плоскости, перпендикулярной

входной линии. Выходные линии расположены под углами 90° друг к другу. Вол-

новое сопротивление выходных линий - 50 Ом. Вход делителя мощности стыкует-

ся с выходом

Л"

генератора биполярных импульсов, а выходы делителя - с коакси-

альными линиями, являющимися фидерами антенн в решетке. Коэффициент пере-

дачи делителя мощности - 0,95.

Элементом антенной решетки была комбинированная СШП антенна. Схема-

тично конструкция антенны представлена на рис. 12 и подробно описана в [22].

Для увеличения электрической прочности антенна помещалась в диэлектрический

контейнер (5, рис. 12), заполненный элегазом до 1,6 атм.

Диаграммы направленности одиночной антенны по пиковой мощности для

вертикально поляризованного излучения в вертикальной плоскости представлены

на рис. 14, а. Диаграммы направленности антенной решетки по пиковой мощности

для вертикально поляризованного излучения в вертикальной плоскости приведены

на рис. 14, б. Ширина главного лепестка диаграммы в двух главных плоскостях

уменьшилась более чем в два раза и составила « 45°. Для вертикально поляризо-

ванного поля диаграммы направленности решетки для случаев антенн в контейне-

рах и без них практически совпадают. Напряженность кроссполяризованного поля

в горизонтальной плоскости для решетки излучателей в контейнерах увеличилась

на « 10

по сравнению с решеткой излучателей без контейнеров.

Излучающей системой генератора СШП импульсов являлась плоская (2x2)

эквидистантная равноамплитудная антенная решетка. Расстояние между входами

антенны по периметру 65 см. Коэффициенты преобразования по энергии для ан-

тенных решеток, установленных в контейнерах и без них, равны соответственно

0,73 и 0,75.

Литература

главе

29 703

0,6 -

0,4 -

0,2 -

0,8

0,2 -

0,4 -

0,6 -

0,8 -

1,0

0 -1?

0,2 -

0,4 -

0,2 -

0,6 - 15

0,8

0,6 - 21

0,8

1,0

О -180

(б)

120 ^г—60

330

270

5 [град]

270

5 [град]

Рис. 32.14. Диаграммы направленности передающей антенны (а) и антенной решетки (б) в

вертикальной плоскости

В направлении главного максимума диаграммы направленности решетки

(Ф = 0°, 5 = 0°) наблюдается когерентное сложение электромагнитных импульсов

от каждой из антенн, и амплитуда результирующего импульса возрастает в 4 раза.

Выполненные в [24] исследования позволили создать источник СШП излуче-

ния гигаваттного уровня мощности. Показано, что при высокой скорости нараста-

ния напряжения (-1-10

В/с) на электродах газовых разрядников реализуется

лавинная объемная субнаносекундная коммутация тока. Это указывает на возмож-

ность создания генераторов биполярных импульсов с низким волновым сопротив-

лением и соответственно источников СШП излучения по выбранной схеме с боль-

шим числом антенн в решетке.

Литература к главе 32

1. Астанин Л.Ю., Костылев

А.А.

Основы сверхширокополосных радиолокационных изме-

рений. М.: Радио и связь, 1989.

2. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи / Пер. с англ.

Г.С. Колмогорова, В.Г. Лабунца

под

ред. А.П. Мальцева. М.: Радио и связь, 1985.

3. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов / Г.В. Глебович, А.В. Анд-

риянов, Ю.В. Введенский

др.;

Под ред.

Г.В. Глебовича. М.: Радио

и связь,

1984.

4. Ицхоки Я.С. Импульсные устройства. М.: Сов. радио, 1959.

ТкеоЛогои

Е.А., Оогтап М.К.,

Р.К., Коп%

РЖ ВгоаёЬапё РиЬе-Орйгшхеё Ап1еппа //

1ЕЕ Ргос. Н. 1981. V. 128,

р*

Н, N 3. Р. 124-130.

Губанов В.П..

Коровин

С.Д., Пегель И.В.

и др. Генерация мощных наносекундных импуль-

сов

электромагнитного

излучения // Письма в

ЖТФ. 1994. Т. 20, вып. 14. С. 89-93.

7. Байт С.Е., Еагг Е.С. 1шри1зе гасИа1т§ атеппаз // Укга-^ёеЪапё, 8Ьой-Ри1зе Е1ес*го-

та§пейсз

Её. Ьу Н.Ь. ВеПот, Ь. Капп,

апё

Ь.В. РеЬеп. М.У.: Р1епит

ргезз,

1993.

Р.

139-147.

8. От В.

К,

Ьаскпег Я., 8тИк

1.П.

е! а1. Пез1§Ь, РаЪпсайоп, апё Тезйп§ оГ а РагаЬо1о1ёа1

КейесЮг

Ап1еппа

апё Ри1зег 8уз*ет

Гог

1три1зе-1лке АМауеГогтз

ШЕЕ Тгапз. Р1азта 8сь

1997. Уо1. 25, N2. Р. 318-326.

Ковке1еп

К/., Виуапоу

Уи.1.,

Ко\а1скик В.М. е! а1. Ш^Ь-Ро^ег Шга^ёеЪапё Е1ес1го-

та§пе*ю

Ри1зе

КжИайоп

Ргос. 8Р1Е. 1997. Уо1. 3158. Р. 209-219.

704 Глава

32.

Генерирование

импульсов сверхширокополосного

излучения

10. А§ее Е1, Ваит С.Е., РгаХкег ЖВ. е! а1. 1Л1га-МёеЬапё ТгапзппИег КезеагсЬ // ШЕЕ

Тгапз. Р1азта 8с1. 1998. Уо1. 26, N 3. Р. 860-873.

11.

МезуаХз

С.А.,

КиЫп

8.К, 8крак КО.,

Уа1апсИп М.1.

Оепегайоп оГ Ы§Ь-ро\уег зиЬпапозесопё

ри1зез //

Шйа-ХШеЬапё, 8ЬоП-Ри1зе Е1ес1гота§пе1юз (4)

Её. Ьу Е. Неутап, В. МепёеШаит,

апё

8Ы1оЬ.

М.У.: Р1епит

ргезз,

1999. Р. 1-9.

12.

Ьаг А.К.У., 8тороН

А.ЬВигпзШе ЖВ. А

Моуе1 Ап1еппа Гог

Шга-\Ше-Вапё

АррНсайоп //

ШЕЕ Тгапз. АЩеппаз Ргора§. 1992. УЫ. 40, N 7. Р. 755-760.

13.

8Н1а§ег

К.Ь., 8тИк 0.8.,

Ма1опеу У.О.

Ассига1е Апа1уз1з о

ТЕМ Нот Ап1еппаз Гог Ри1зе

Каё1а*юп //

ШЕЕ Тгапз. Е1ес1гота§п. Сотра*. 1996. Уо1. 38, N 8. Р. 413-423.

14.

СИап§

Ь.-С.Т., ВигпзШе ЖВ. Ап Шга^1ёе-Вапё^1ё1Ь Тарегеё Кез1з*1уе ТЕМ Ногп Ап-

*еппа //

ШЕЕ Тгапз. Ап*еппаз Ргора§. 2000. УЫ. 48, N 12. Р. 1848-1857.

15. Гагг Е.О., Ваит С.Е., Ргагкег ЖВ.,

Вои>еп Ь.Н.

МиШАшсйоп 1три1зе ЯасНа1т§ Ап1еппаз:

ТЬеогу апё Ехрептеп* // 1Л1га-\У1ёеЬапё, 8Ьог1-Ри1зе Е1ес1гота§пеПс5 (4) / Её. Ьу

Е. Неутап, В. Мепёе1Ьаит, апё I. 8Ы1оЬ. Ы.У.: Р1епит ргезз, 1999. Р. 131-144.

16. От В. V, Ьекг З.М.,

РгаГкег

ЖВ. е! а1. 1п1егтеё1а1е апё Раг Р1е1ёз

оГ а

КеЯес*ог АгИеппа

Епег§12её Ьу а Нуёго^еп 8рагк-Оар 8\уксЬеё Ри1зег // ШЕЕ Тгапз. Р1азта 8сь 2000.

УЫ. 28, N5. Р. 1631-1636.

17. Вискепаиег С.З,

Туо

38.,

8скоепЪег%

38.Н. Рготр*

АрегШге

ЕШс1епс1ез оПтри1зе Каё1а1-

т§ Ап1еппаз

\У11Ь

Аггауз аз

ап

АррНсайоп // 1ЕЕЕ Тгапз. Атеппаз Ргора§а1. 2001. УЫ. 49,

N8. Р. 1155-1165.

18. Ргагкег ЖВ., Ваит С.Е., ЬекгЗМ. е!

а1.

1Л1га-\ШеЬапё 8оигсе КезеагсЬ

Ргос. XII ШЕЕ

1п1егп. Ри1зеё Ро^ег СопГ. МоШегеу, 1999. УЫ. 1. Р. 185-189.

19. Еагг Е.О.,

Вожеп

Ь.Н.,

8а1о О.К.

е!

а1.

1л§Ь1луе1§Ы:Шга-МёеЪапё

Ап1еппа

БеуеЬртеп!

Ргос. 8Р1Е. 2000. УЫ. 4031. Р. 195-204.

20. Беличенко В.П., Буянов Ю.И., Кошелев В.И, Плиско В.В. О ВОЗМОЖНОСТИ расширения

полосы пропускания малогабаритных излучателей.// РЭ. 1999. Т. 44,

№

2. С. 178-184.

21. Апдгееч

Уи.А.,

Виуапоу

Уи.1., Козке1еу

VI.

еХ а1.

МиШсЬаппе1

Ап1еппа

8уз1ет Гог Яаё1аИоп

оГ Н1§Ь-Ро\уег Ш1га\у1ёеЬапё Ри1зез // Шга-\ШеЬапё, 8Ьог1-Ри1зе Е1ес1гота§пеИсз (4) /

Её. Ьу Е. Неутап, В. МепёеШаит, апё I. 8Ы1оЬ. М.У.: Р1епит ргезз, 1999. Р. 181-186.

22. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И, Визирь В.А. и др. Генератор мощных импульсов сверхши-

рокополосного электромагнитного излучения

ПТЭ. 1997.

№

5. С. 72-76.

23.

Козке1еу

VI., Виуапоу

Уи.1., Апс1гееу Уи.

е!

а1.

ШгамёеЪапё

КасПа1огз

оГН1§Ь-Ро\уег

Ри1зез //

Ргос. XIII ШЕЕ

Ри1зеё

Ро^ег Р1азта 8ск СопГ.

Ьаз Уе§аз,

2001. Уо1.2. Р. 1661-1664.

24. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Визирь В.А. и др. Генератор гигаваттных импульсов сверх-

широкополосного излучения

ПТЭ. 2000.

№

2. С. 82-88.

25. Каёаг НапёЬоок

Её.-ш-сЫеШ. I. 8ко1тк. N. У.: МсОга\у-НШ, 1970.

26. От В. V, Ваит С.Е., Ьекг

З.М.

е! а1.1п1егтеё1а1е апё Раг ПеЫз

оГ а

КейесЮг

Ап1еппа

Еп-

ег§12её Ьу а Нуёго^ап 8рагк-Оар 8^ксЬеё Ри1зег // 1Л1га-\ШеЬапё 8оигсе КезеагсЬ: 01-

§ез* оГТесЬп. Рарегз оГ

1Ье

XII ШЕЕ 1п1егп. Ри1зеё Ро\уег СопГ. МоШегеу, 1999. УЫ. 1.

Р. 190-193.

27. 8крак КС?., 8кипаИоу 8.А.,

ХЛтазкиШ

М.К.,

Уа1ап<Л\п М.1.

8упсЬгопоиз1у Орега1её Ыапо-

апё 8иЬпапозесопё Ри1зеё Рошег Моёи1а*огз // Ргос. XII ШЕЕ 1п1егп. Ри1зеё Ро^уег СопГ.

Моп^егеу, 1999. Уо1. 2. Р. 1472-1475.