Введение к работе
Актуальность темы. За последние десятилетия отмечалось бурное развитие электроники больших мощностей (ЭБМ), связанное с расширением области применения мощного когерентного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазона длин волн.
Наиболее ярким примером использования приборов ЭБМ могут служить слаборелятивистские гиротроны, работающие в непрерывном и квазине прерывном режимах в коротковолновой части СВЧ - диапазона. В своем диапазоне длин волн они являются наиболее мощными источниками излучения (с выходной мощностью порядка 1 МВт в импульсах порядка 1 сек) и широко используются для электронно -циклотронного нагрева плазмы в экспериментах, проводимых в рамках программ по управляемому термоядерному синтезу.
Как расширение области применения гиротронов, можно рассматривать эксперименты по их использованию в качестве источников СВЧ-излучения в технологических процессах.
В качестве примера использования приборов ЭБМ, можно привести также приборы релятивистской электроники, которые находят применение в радиолокации и различных физических экспериментах.
Практическое применение приборов электроники больших мощностей накладывает на них требования по увеличению мощности выходного излучения, продвижению в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн и увеличению длительности
импульса. Комплекс этих требований вызывает необходимость использования в приборах ЭБМ пространственно-развитых электродинамических систем и выбор в качестве рабочих волн высших волн полых металлических волноводов.
Так, в слаборелятивистских гаротронах используются высшие типы волн волноводов круглого поперечного сечения, такие как Но,з> Hi5,4, Hio,4 , Н22,5 и т.д. Несколько ниже, но не менее разнообразны волны релятивистской электроники: Еод, Еод, Ер, Щд и т.д. Поперечная структура таких волн сложна, а для использования излучения, как правило, необходимы простейшие волны, например, узконаправленные волновые пучки с линейной поляризацией. Более того, транспортировка мощного СВЧ-излучения коротковолнового диапазона длин волн также осуществляется волнами с простейшей структурой: в закрытых линиях передачи волнами HEji, Нод, H^i круглого волновода; а в открытых линиях передачи - гауссовым волновым пучком.
Следовательно, для транспортировки излучения приборов ЭБМ и,
соответствешю, для его использования необходимы
высокоэффективные преобразователи волноводных волн высших типов в волны простейшей структуры.
Конструктивно такие преобразователи могут быть либо частью мощного электронного СВЧ прибора (в качестве выходного узла), либо отдельным прибором, являющимся связующим звеном между прибором ЭБМ и линией передачи.
Использование преобразователей такого типа не ограничивается приведенной выше задачей. Следует упомянуть о задаче тестирования узлов мощных СВЧ приборов на низком уровне мощности. Для се решения необходимы преобразователи рабочей волны стандартных
маломощных лабораторных генераторов (как правило, низшей волны прямоугольного волновода) в рабочую волну исследуемого прибора (высшую волну круглого волнозода).
Задача преобразования волн стоит также н в антенной технике. Для создания специальных диаграмм направлеішости излучения антенн в некоторых случаях используются выемше тины волн (например, волна Ео,і круглого волновода). При продвижении в коротковолновую часть миллиметрового диапазона и при сохранении высокого уровня мощности излучения эта задача становится трудноразрешимой даже для относительно невысоких типов волн.
Принципиальные шат по решению проблемы трансформации высших волн сверхразмерных волноводов в волны простейшей структуры были сделаны в работах [1.2J В работе [Ц для преобразования волноводных волн был предложен отрезок плавнонерегулярного волновода с периодической гофрировкой стенок. Преобразователи этого типа нашли широкое применение в ЭБМ.
В работе [2] был предложен квазиоптический преобразователь высшей волны круглого волновода в собственную волну зеркальной лишш передачи. Принцип действия такого преобразователя основан на геометроопТическом преобразовании зеркалами излучения высшей волны волновода. Использование этих преобразовате.тей в гиротронах позволило формировать непосредственно на выходе гиротрона простейшую волну (ТЕМ^о) и конструктивно разделить в выходном узле волновой и электронный пучки. Коэффициент преобразования рабочей волны гиротрона в волновой пучок в существующих квазиоптических преобразователях не превышает 80 ... 85%. Для удовлетворения выдвигаемых перед современными гиротронами требований необходимо
увеличение коэффициента трансформации квазиоптических преобразователей до величин порядка 90 ... 95%.
Цель настоящей работы состояла в разработке принципов построения и создании высокоэффективных преобразователей высших типов волн сверхразмерных волноводов в волны простейшей структуры, годных для использования в приборах электроники больших мощностей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
^Предложен новый метод эффективного преобразования полноводных волн, основанный на использовании скачкообразного характера изменения параметров связи волн.
2.Найден новый метод высокоэффективного сопряжения высших волн сверхразмерных волноводов различных поперечных сечений с собственными волнами зеркальной линии передачи и построения на этом принципе преобразователей типов волн.
Практическая значимость. Реализованные в процессе выЛолчения диссертационной работы преобразователи были использованы в приборах ЭВМ: в качестве входного узла черепковского СВЧ-усилителя с релятивистским сильноточным пучком; в качестве узла выходного тракта радара с релятивистским СВЧ-генератором; в качестве встроенных выходных преобразователей мощных миллиметровых гиротронов. Разработанные преобразователи использовались для создания специальных диаграмм направленности в антенных установках миллиметрового диапазона длин волн.
Использование результатов работы. Разработанные в результате диссертационной работы преобразователи использовались в качестве узлов приборов ЭВМ в ИПФ РАН, НПО "Салют", ИСЭ СО РАН, а также в качестве узла антенной системы радиометра в НИРФИ.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на 7 всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1988), всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 1990), 8 международной конференции по сильноточным релятивистским пучкам (Новосибирск, 1990), 17 международной конференции по инфракрасным и миллиметровым водным (Пасадена, США, 1992), 10 школе - семинаре по дифракции и распространению волн (Москва 1993), а также на научных семинарах ИПФ РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. Объем диссертации составляет 172 страницы, 63 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 74 наименований.
