Строгая электродинамическая модель накопительного резонатора активного компрессора СВЧ мощности / Strict Electromagnetic Model of Accumulation Resonator of an Active Microwave Power Compressor

Пазынин В.Л. / Pazynin, V.L.
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины / RUS Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
Выпуск в базе РИНЦ
Пазынин В.Л. Строгая электродинамическая модель накопительного резонатора активного компрессора СВЧ мощности // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 3(29). С. 86–107. DOI: 10.25210/jfop-1803-086107
Pazynin, V.L. Strict Electromagnetic Model of Accumulation Resonator of an Active Microwave Power Compressor // Physical Bases of Instrumentation. 2018. Vol. 7. No. 3(29). P. 86–107. DOI: 10.25210/jfop-1803-086107


Аннотация: В работе синтезирован оригинальный прототип накопительного резонатора активного компрессора мощности, представляющий собой отрезок плоскопа- раллельного (прямоугольного) волновода, ограни- ченный с одной стороны индуктивной диафрагмой, а с другой — волноводным расширением оригинальной конструкции. Показано, что наиболее эффективное накопление энергии в таком резонаторе достигается тогда, когда он настроен в режим полного (резонанс- ного) отражения волны накачки. Для такого режима рассчитаны временные профили сжатых импульсов и коэффициенты усиления по пиковой мощности, кото- рые качественно соответствуют известным экспери- ментальным данным.
Abstract: The original prototype of the accumulation resonator of an active power compressor which is a segment of a plane- parallel (rectangular) waveguide bounded by an inductive diaphragm on the one hand and by a waveguide extension of the original structure on the other one is synthesized. It is shown that the most efficient energy accumulation in the resonator is achieved when it is set to the full (resonant) reflection mode of the pumping wave. For this regime, the time profiles of the compressed pulses and peak power gains are calculated, which qualitatively correspond to the known experimental data.
Ключевые слова: интерференционный переключатель, начально-крае- вые задачи электродинамики, точные поглощающие условия, резонансное рассеяние волн, Initialboundaryvalueproblemsofelectrodynamics, waveguide units and junctions, periodic structures, compact inhomogeneities in the free space, outgoing waves, интерференционный переключатель


Литература / References
  1. Alvarez, R. A., Birx, D., Byrne, D., Mendonca, M., and Johnson, R. M. Generation of High-Power Microwave Pulses Using a Spherical Superconducting Cavity and Interference- Type Switch // IEEE Transactions on Magnetics. 1981. Vol. MAG-17. No. 1. P. 935-938.
  2. Артеменко С. Н., Каминский В. Л., Юшков Ю. Г. Накопление и вывод энергии на волне из цилиндрического резона- тора // Журнал технической физики. 1986. Т. 56. № 7. С. 1424-1425.
  3. Вихарев А. Л., Горбачев А. М., Иванов О. А., Исаев В. А., Кузи- ков С. В., Колыско А. Л., Петелин М. И. Активный компрессор СВЧ-импульсов на осесимметричной моде круглого волновода // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. № 20. С. 6-11.
  4. Вихарев А. Л., Горбачев А. М., Иванов О. А., Исаев В. А., Кузиков С. В., Хришфилд Дж.Л., Нежевенко О. А., Голд С. Х., Кинкид А. К. Исследование активных СВЧ компрессоров, возбуждаемых излучением магникона на частоте 11,4 ГГц // Известия вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46. № 8-9. С. 897-905.
  5. Vikharev, A. L., Gorbachev, A. M., Ivanov, O. A., Isaev, V. A., Kuzikov, S. V., Lobaev, M. A., Hirshfield, J. L., Gold, S. H., and Kinkead, A. K. High Power Active X-Band Pulse Compressor Using Plasma Switches // Physical Review Special Topics — Accelerators and Beams. 2009. N.12. P. 062003-1-062003-12.
  6. Beilin, L., Shlapakovski, A., Donskoy, M., Hadas, Y., Dai, U., and Krasik, Ya.E. Fast-Framing Optical Imaging of Plasma Formationin Resonant Microwave Pulse Compressor // IEEE Transactions on Plasma Science. 2014. Vol. 42. N.5. P. 1346-1352.
  7. Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Рудь Л. А. Резонансное рассеяние волн. Т. 2. Волноводные неоднородности. К.: Наук. думка, 1986. 216 с.
  8. Августинович В. А., Артеменко С. Н., Дьяченко В. Ф., Каминский В. Л., Новиков С. А., Юшков Ю. Г. Исследование переключателя С.В.Ч.-компрессора с коммутацией в круглом волноводе // Приборы и техника экспери- мента. 2009. № 4. С. 106-109.
  9. Артеменко С. Н., Августинович В. А., Артеев М. С. Синхрон- ный вывод СВЧ-энергии из резонаторов через пакет интерференционных переключателей // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. Вып.23. С. 26-33.
  10. Августинович В. А., Артеменко С. Н., Горев С. А., Нови- ков С. А., Юшков Ю. Г. Управляемый вывод СВЧ-энергии из резонатора // Известия высших учебных заведений Физика. 2014. Т. 57. № 12/2. С. 96-100.
  11. Саусворт Дж., К. Принципы и применения волноводной передачи.М.: Советское радио, 1955. 700 с.
  12. Августинович В. А., Артеменко С. Н. Влияние процесса коммутации на формирование наносекундных радиоим- пульсов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 1993. Т. 36. № 9. С. 933-942.
  13. Артеменко С. Н. Анализ процессов накопления и вывода СВЧ-энергии в многомодовых резонаторах // Радиотех- ника и электроника. 1995. Т. 40. Вып.8. С. 1184-1194.
  14. Артеменко С. Н., Самойленко Г. М. Коэффициент усиления и коэффициент полезного действия сверхпроводящего сверхвысокочастотного компрессора с коммутирующим резонатором в интерференционном переключателе // Известия вузов. Радиофизика. 2016. Т. 59. № 6. С. 520-528.
  15. Taflove, A., Hagness, S. C. Computational Electrodynamics: the Finite-Difference Time-Domain Method. Boston, London: Artech House, 2000. 872 p
  16. Ivanov, O. A. Isaev, V. A., Lobaev, M. A., Vikharev, A. L., and Hirshfield, J. L. A Resonance Switch Employing an Explosive- Emission Cathode for High-Power rf Pulse Compressors // Applied Physics Letters. 2010. Vol. 97. Iss.3. P. 031501-1-031501-3.
  17. Ivanov, O. A., Lobaev, M. A., Vikharev, A. L., Gorbachev, A. M., Isaev, V. A., Hirshfield, J. L., Gold, S. H., and Kinkead, A. K. Active Microwave Pulse Compressor Using an Electron-Beam Triggered Switch // Physical Review Letters. 2013. Vol. 110. Iss. 11. P. 115002-1-115002-5.
  18. Кравченко В. Ф., Сиренко Ю. К., Сиренко К. Ю. Преобразова- ние и излучение электромагнитных волн открытыми резонансными структурами. Моделирование и анализ переходных и установившихся процессов. М.: Физмат- лит, 2011. 320 с.
  19. Sirenko, Yu., Velychko, L. G. (Eds) Electromagnetic Waves in Complex Systems: Selected Theoretical and Applied Problems. New York: Springer. 2016. 446 p.
  20. Перов А. О., Сиренко Ю. К. Точные условия для виртуаль- ных границ в начально-краевых задачах теории рассеяния волн // Электромагнитные волны и электрон- ные системы. 2000. Т. 5. № 3. С. 25-40.
  21. Sirenko, Yu.K. Exact ‘Absorbing’ Conditions in Outer Initial Boundary-Value Problems of the Electrodynamics of Nonsinusoidal Waves. Part 2: Waveguide Units and Periodic Structures // Telecommunications and Radio Engineering. 2002. Vol. 57. Iss.12. P. 1-30.
  22. Сиренко К. Ю., Сиренко Ю. К. Точные «поглощающие» условия в начально-краевых задачах теории открытых волноводных резонаторов // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2005. Т. 45. № 3. С. 509-525.
  23. Shafalyuk, O., Smith, P., and Velychko, L. Rigorous Substantiation of the Method of Exact Absorbing Conditions in Time-Domain Analysis of Open Electrodynamic Structures // Progress in Electromagnetic Research. B. 2012. Vol. 41. P. 231-249.
  24. Sirenko, K., Pazynin, V., Sirenko, Y., and Bagci, H. An FFT-Accelerated Scheme with Exact Absorbing Conditions for Characterizing Axially Symmetric Resonant Structures // Progress in Electromagnetics Research. 2011. Vol. 111. P. 331-364.
  25. Пазынин В. Л., Сиренко К. Ю., Сиренко Ю. К., Яшина Н. П. Точные поглощающие условия в начально-краевых задачах вычислительной электродинамики. Обзор // Физические основы приборостроения. 2017. Т. 6. № 4(26). С. 2-33.
  26. Левин Л. Теория волноводов. Методы решения волновод- ных задач. М.: Радио и связь, 1981. 312 с.
  27. Миттра Р., Ли С. Аналитические методы теории волноводов. М.: «МИР», 1974. 327 c.
  28. Сиренко Ю. К., Вязьмитинова А. И., Пазынин В. Л., Сиренко Ю. К. Численное моделирование электродинами- ческих характеристик // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т. 12. № 1. С. 24-34.
  29. Кравченко В. Ф., Пазынин В. Л., Сиренко К. Ю., Сиренко Ю. К. Плоские задачи электродинамики несинусоидальных волн для компактных открытых резонаторов с волно- водной питающей линией. Решетки как диаграммообра- зующие структуры // Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. Т. 14. № 6. С. 4-20.
  30. Kuzmitchev, I. K., Melezhyk, P. M., Pazynin, V. L., Sirenko, K.Yu., Sirenko, Yu.K., Shafalyuk, O. S., and Velychko, L. G. Model Synthesis of Enrgy Compressors // Радиофизика и электро- ника. 2008. Т. 13. № 2. С. 166-172.
  31. Sirenko, K., Pazynin, V., Sirenko, Y., and Bagci, H. Compression and Radiation of High-Power Short rf Pulses. I. Energy Accumulation in Direct-Flow Waveguide Compressors // Progress in Electromagnetics Research. 2011. Vol. 116. P. 239-270.
  32. Sirenko, K., Pazynin, V., Sirenko, Y., and Bagci, H. Compression and Radiation of High-Power Short rf Pulses. II. A Novel Antenna Array Design with Combined Compressor/Radiator Elements // Progress in Electromagnetics Research. 2011. Vol. 116. P. 271-296.
  33. Pazynin, V. L. Simulation of the Characteristics of an Active Microwave Power Compressor // Telecommunications and Radio Engineering. 2017. Vol. 76. Iss.12. P. 1033-1047.
  34. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. 280 с.
  35. Мэйтлэнд А., Данн М. Введение в физику лазеров. М.: Наука, 1978. 408 с.
  36. Birx, D. L., Scalapino, D. J. Microwave Energy Compression Using a High-Intensity Electron Beam Switch. Journal of Applied Physics. 1980. Vol. 51. Iss.7. P. 3629-3631.
  37. Вихарев А. Л., Вихарев А. А., Горбачев А. М., Иванов О. А., Исаев В. А., Кузиков С. В., Лобаев М. А. Резонансный фазоинвертор миллиметрового диапазона длин волн, переключаемый пучком электронов // Журнал техниче- ской физики. 2009. Т. 79. Вып.11. С. 86-92.
  38. Ivanov, O. A., Isaev, V. A., Lobaev, M. A., Vikharev, A. L., Hirshfield, J. L. High Power Microwave Switch Employing Electron Beam Triggering with Application to Active RF Pulse Compressors // Physical Review Special Topic — Accelerators and Beams. 2011. Vol. 14. Iss. 6. P. 061301-1-061301-8.
  39. Лобаев М. А., Иванов О. А., Вихарев А. Л., Горбачев А. М., Исаев В. А. Исследование взаимодействия пучка электро- нов с сильным высокочастотным полем в волноводном переключателе мощного сверхвысокочастотного компрессора // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2015. Т. 58. № 11. С. 913-922.
  40. Августинович В. А., Артеменко С. Н., Шлапаковский А. С. Резонансные сверхвысокочастотные компрессоры с перестройкой частоты // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 6. С. 756-768.
  41. Визуализация динамики волновых полей*: https://drive. google.com/open?id=1zKtcm9CpQR9ney32OVQl7fOZIOQHXN0l