Ограничения на энергию излучения в антенне мощного сверхвысокочастотного генератора в режиме формирования импульсной последовательности

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), Воронеж, Россия

Воронежский государственный университет (ВГУ), Воронеж, Россия

Ограничения на энергию излучения в антенне мощного сверхвысокочастотного генератора в режиме формирования импульсной последовательности

А.А. Волков, П.А. Трифонов

Аннотация

На основе импульсного критерия пробоя получено выражение предельной энергии, излучаемой круглой поверхностной антенной. Проведён расчёт и даны характеристики зависимостей предельной энергии излучения от длительности импульса в различных режимах работы генератора.

Ключевые слова: энергия излучения, сверхвысокочастотный генератор, пробой воздуха.

антенный энергия излучение генератор

Abstract

Limitations on the radiation energy in the antenna of high-power microwave generator in the mode of formation of a pulse sequence

A. A. Volkov1, P. A. Trifonov2

1Military Educational-Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin» (MERC AF «AFA»), Voronezh, Russia

2Voronezh State University (VSU), Voronezh, Russia

An expression of the limiting energy emitted by a circular surface antenna is obtained on the basis of the pulse breakdown criterion. The calculation was performed and the characteristics of the dependences of the limiting radiation energy on the pulse duration in various operating modes of the generator were given.

Keywords: radiation energy, microwave generator, air breakdown.

Введение

При задании требований к параметрам мощных сверхвысокочастотных (СВЧ) генераторов (виркаторов, черенковских генераторов, релятивистских магнетронов и др. [1]) возникает необходимость учёта явления пробоя атмосферного воздуха в излучающей антенне. Электрический пробой представляет собой естественный фактор, существенно снижающий эффективность излучения и тем самым ограничивающий энергию излучения. Учёт пробойных явлений особенно важен в задачах электромагнитного поражения радиоэлектронной аппаратуры, где потенциальные возможности СВЧ генераторов определяются мощностью и энергией излучаемого электромагнитного поля (ЭМП) [2].

Вывод электромагнитной энергии мощных СВЧ генераторов в атмосферу производится, как правило, через диэлектрическое окно в корпусе прибора, разделяющее вакуумные тракты генератора (рабочую камеру или волноводы) и воздушное пространство. При излучении мощного ЭМП вблизи поверхности окна со стороны атмосферы может возникнуть безэлектродный СВЧ пробой воздуха [3,4].

Для недопущения пробоя воздуха при выводе СВЧ излучения в атмосферу, необходимо поддерживать уровень напряжённости электрического поля в излучающем окне ниже критического значения. Окна для вывода электромагнитной энергии мощных СВЧ генераторов представляют собой поверхностные антенны (открытый конец волновода или рупор) [5]. Максимальный уровень напряжённости электрического поля на излучающей поверхности антенн указанного типа зависит от вида распределения поля, а также от энергии и длительности импульса, формируемого СВЧ генератором. Критическое значение напряжённости электрического поля (пробойный уровень по амплитуде) определяется параметрами воздушной среды и временными параметрами последовательности импульсов СВЧ излучения [6,7]. Следовательно, для заданных вида распределения поля по апертуре и её размеров обеспечить излучение ЭМП без пробоя воздуха можно путём подбора энергетических и временных параметров последовательности СВЧ импульсов. Для решения этой задачи необходимо знать закономерность, связывающую предельно допустимую энергию импульсов СВЧ излучения в антенне с длительностью, периодом повторения и количеством излучаемых импульсов.

В печати имеются работы, касающиеся вопросов пробоя воздуха при излучении импульсного СВЧ ЭМП [3,4,6-10]. В этих работах, в частности, приводятся результаты эксперимента, а также методики расчета пробойных уровней напряженности поля для случаев одиночного и повторного импульсных воздействий. При этом закономерности, связывающие предельно допустимую энергию СВЧ генераторов, при которой происходит пробой воздуха в антенне, с временными параметрами последовательности излучаемых импульсов ЭМП, в известной литературе отсутствуют.

Цель работы - определение зависимости предельно допустимой энергии ЭМП в антенне СВЧ генератора, при которой возможно излучение без пробоя воздуха, от длительности, периода повторения и количества формируемых импульсов.

1. Оценка предельно допустимой энергии СВЧ импульсов в апертуре антенны

Под критерием безэлектродного СВЧ пробоя газа принято понимать условие, при котором плотность электронов достигает уровня образования непрозрачной электронной плазмы, называемого критическим. Этот критерий положен в основу метода определения пробойных значений импульсных СВЧ полей и выражается равенством [3,4]:

(1)

где - плотность электронов в газе; - критическая плотность электронной плазмы.

Поведение электронной плотности однозначно определяется напряженностью электрического поля, наложенного на газ [3,4]. Поэтому критерию (1) можно сопоставить условие пробоя, выраженное в напряжённостях электрического поля:

, (2)

где - наибольшее значение напряжённости электрического поля в излучающем окне (апертуре антенны); - импульсный пробойный уровень напряженности электрического поля.

Величина зависит от мощности генератора, вида распределения поля по излучающей апертуре и формы апертуры. Окна для вывода энергии мощных СВЧ генераторов чаще всего имеют круглую форму, поэтому ниже будет рассматриваться круглая апертура. Также будет считаться, что возбуждающее поле в апертуре синфазно и обладает аксиальной симметрией. Схема апертуры показана на рисунке 1, где обозначено: - радиус апертуры; - расстояние от центра апертуры до излучающего элемента .

Рис. 1 Схема излучающей апертуры

Закон распределения поля на круглых апертурах в условиях принятых допущений удобно аппроксимировать зависимостью типа [11]:

, (3)

где - распределение возбуждающего поля по апертуре; - показатель степени аппроксимации.

Энергия СВЧ импульса в апертуре связана с распределением (3) выражением [11]:

, (4)

где - средняя мощность СВЧ импульса; - длительность импульса; Ом - волновое сопротивление свободного пространства.

Вычисление интеграла (4) по рассматриваемой поверхности с учётом (3) даёт:

 . (5)

Зависимость импульсного пробойного уровня напряженности электрического поля от временных параметров импульсной последовательности для воздуха в нормальных атмосферных условиях определена в [7] и имеет вид:

(6)

где , - количество и период повторения импульсов; - статический пробойный уровень; - частота прилипания электронов;

- интенсивность спада электронной плотности до уровня фона; - концентрация электронов фона; - частота отлипания электронов; - коэффициент рекомбинации электронов и ионов; - безразмерный коэффициент;

-

 отношение критической плотности электронной плазмы к плотности фоновых электронов ; - максимальный межимпульсный интервал, при котором пробойный уровень ещё зависит от количества импульсов:

. (7)

Подстановка (2) и (6) в (5) позволяет получить выражение предельно допустимой энергии СВЧ импульсов в излучающей апертуре:

(8)

2. Результаты расчета предельно допустимой энергии СВЧ импульсов в апертуре антенны

Расчёт проведён для частоты несущей 10 ГГц и исходных данных, соответствующих нормальным атмосферным условиям [6]: с-1; с-1; см-3; см-3. Значение статического пробойного уровня для выбранной частоты несущей равно [10]: кВ/см. Радиус апертуры принят равным м. Рассматривались режимы формирования импульсных последовательностей, состоящих из 100 импульсов с периодами повторения 1 с, 20 мс и 1 мс (соответственно, с частотами повторения 1 Гц, 50 Гц и 1 кГц). Указанные режимы являются типовыми для релятивистских СВЧ генераторов.

При предельный межимпульсный интервал (7) составляет мкс. Длительности импульсов релятивистских СВЧ генераторов, как правило, не превосходят 1 мкс. В этом случае излучаемая энергия ограничивается величиной:

(9)

На рисунке 2 показаны графики зависимостей предельно допустимой энергии в антенне СВЧ генератора от длительности импульса для разных значений периода их повторения при равномерном () распределении поля по излучающей поверхности. На рисунке 3 показаны графики тех же зависимостей при квадратично спадающей от середины апертуры к ее краям амплитуде возбуждающего поля ().

Рис. 2 Зависимость предельно допустимой энергии от длительности импульса в антенне с равномерным распределением амплитуды возбуждающего поля

Рис. 3 Зависимость предельно допустимой энергии от длительности импульса в антенне с квадратично спадающем распределением амплитуды возбуждающего поля

Из графиков на рисунках 2 и 3 видно, что антенна с равномерным распределением поля по апертуре при прочих равных условиях в 3 и более раза электрически прочнее по излучаемой энергии, чем антенна с квадратичным законом спада амплитуды от центра к краям апертуры. При одинаковой длительности импульсов наибольшая предельно допустимая энергия излучения достигается в режиме с наибольшим периодом повторения.

При увеличении длительности импульсов зависимость предельной энергии от периода повторения ослабевает. В пикосекундном диапазоне предельная энергия имеет минимум по длительности импульсов. При уменьшении периода повторения точка минимума смещается в область более коротких длительностей, а минимальная предельная энергия уменьшается.

Рост предельно допустимой энергии излучения при уменьшении длительности в пикосекундном диапазоне связан, по-видимому, с тем, что свободные электроны под действием поля не успевают ионизировать достаточное количество молекул атмосферных газов.

Минимум предельно допустимой энергии на представленных графиках определяет наихудшие длительности импульсов для заданной антенны по критерию энергетической эффективности.

Для рассматриваемых периодов повторения длительности импульсов в точке минимума составляют десятки пикосекунд.

Заключение

Таким образом, получено выражение предельно допустимой энергии излучения, обусловленной пробоем воздуха в антенне СВЧ генератора с круглой апертурой. Выражение учитывает количество, длительность и период повторения импульсов в формируемой последовательности. Проведён расчёт зависимостей предельно допустимой энергии в антенне СВЧ генератора от длительности импульсов для разных режимов генерации и видов распределения поля по апертуре антенны. Установлено, что при прочих равных условиях генератор, в антенне которого поле распределено равномерно, обеспечивает наибольшую энергию излучения. Предельно допустимая энергия в антенне СВЧ генератора имеет минимум по длительности импульса. Минимальная предельно допустимая энергия снижается при уменьшении периода повторения, при этом точка минимума смещается в область коротких длительностей.

Литература

1. Диденко А. Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика. М.: Наука, 2003. - 446 с.

2. Добыкин В. Д., Куприянов А. И., Пономарёв В. Г., Шустов Л. Н.. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем. М.: Вузовская книга, 2007. - 468 с.

3. Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. М.: Мир, 1969. - 212 с.

4. Райзер Ю. П. Основы физики газоразрядных процессов. М.: Наука, 1980. - 416 с.

5. Драбкин А. Л., Зузенко В. Л., Кислов А. Г. Антенно-фидерные устройства. М.: Советское радио, 1974. - 320 с.

6. Зарин А. С., Кузовников А. А., Шибков В. М. Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе. М.: Нефть и газ, 1996. - 204 с.

7. Волков А. А., Трифонов П. А. Учёт времени повторения и числа импульсов при оценке пробойных уровней поля в антенных системах сверхвысокочастотных генераторов. // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика, 2014, №1. - С. 15-21.

8. Гуревич А. В. Ионизированный слой в газе (атмосфере). // Успехи физических наук, 1980, Т. 132, №4. - С. 685-690.

9. Александров А. Ф. Ионизация воздуха в околокритическом электрическом поле. / Александров А. Ф., Бычков В. Л., Грачев Л. П., Есаков И. И., Ломтева А. Ю. // Журнал технической физики, 2006, Т. 76, № 3. - С. 38-43.

10. Барашенков В. С. Пробой воздуха в нарастающем СВЧ поле. / Барашенков В. С., Грачев Л. П., Есаков И. И., Костенко Б. Ф., Ходатаев В. К., Юрьев М. З. // Журнал технической физики, 2000, Т. 70, №10. - С. 34-39.

11. Шифрин Я. С. Антенны. Харьков: ВИРТА, 1976. - 408 с.

References

1. Didenco A. N. Microwave power engineering: Theory and practice. M.: Nauka, 2003. - 446 p.

2. Dobykin V. D., Kupriyanov A. I., Ponomarev V. G. Shustov L. N. Radio- electronic fight. Power defeat of radio-electronic systems. M.: Vuzovskaya kniga, 2007. - 468 p.

3. Mac-Donald A. Superhigh-frequency breakdown in gases. M.: Mir, 1969. - 212 p.

4. Raizer U. P. Bases of physics of gas-discharge processes. M.: Nauka, 1980. - 416 p.

5. Drabkin A. L., Zuzenko V. L., Kislov A. G. Antenno-feeding devices. M.: Sovetskoe radio, 1974. - 320 p.

6. Zarin A. S., Kuzovnikov A. A., Shibkov V. M. Freely localised microwave category in. M.: Neft' i Gaz, 1996. - 204 p.

7. Volkov A. A., Trifonov P. A. The accounting of time of repetition and number of impulses at an assessment the breakdown of levels of a field in antenna systems the microwave of generator. // Proceedings of Voronezh State University. Series: Physics. Mathematics, 2014, No. 1. - Pp. 15 - 21.

8. Gurevich A. V. The ionised layer in gas (atmosphere) // Advances in Physical Sciences, 1980, vol. 132, No. 4. - Pp.685 - 690.

9. Aleksandrov A. F. Air ionisation in nearby critical electric field. / Aleksandrov A. F., Bychkov V. L., Grachev L. P., Esakov I. I., Lomteva A. U. // Technical Physics Journal, 2006, vol. 76, No. 3. - Pp. 38 - 43.

10. Barashenkov V. S. Air breakdown in an accruing microwave field. / Barashenkov V. S., Grachev L. P., Esakov I. I., Kostenko B. F., Hodataev V. K., Ur'ev M. Z. // Technical Physics Journal, 2000, vol. 70, No. 10. - Pp. 34 - 39.

11. Shifrin Ya. S. Aerials. Khar'kov: VIRTA, 1976. - 408 p.

Размещено на Allbest.ru