Многоканальные фазированные излучатели мощных СВЧ-импульсов с сильноточными электронными пучками и гиромагнитными передающими линиями

Институт сильноточной электроники СО РАН

Авторы: д.ф.-м.н. И.В. Романченко, д.ф.-м.н., В.В. Ростов (Институт сильноточной электроники СО РАН),  академик В.Г. Шпак, академик РАН М.И. Яландин (Институт электрофизики УрО РАН).

Разработана концепция создания мощных СВЧ-генераторов черенковского типа с возможностью параллельной генерации излучения в нескольких каналах с контролируемой разностью фаз. При апробации этой концепции в диапазоне частот 10 ГГц продемонстрирована возможность резкого сокращения времени задержки взрывной эмиссии и пикосекундной стабилизации фронта тока электронного пучка путем наращивания крутизны фронта напряжения, подаваемого на кромочный трубчатый катод в диоде с магнитной изоляцией. Величина стандартного отклонения положения фронтов тока двух параллельных электронных пучков, оцененная из сравнения фаз колебаний независимых СВЧ-генераторов диапазона 38 ГГц, ударно возбуждаемых такими пучками, составляет менее 0,5 пикосекунды при скорости нарастания напряжения после ферритовых обострителей в каждом канале более 1 МВ/нс. В диапазоне частот 38 ГГц реализован излучатель в виде 4-канальной решетки субгигаваттных синфазных релятивистских ЛОВ. Разработанные источники нашли применение в междисциплинарных исследованиях.

На основе знаний, полученных в предшествующий период (2006-2012) вокруг особенностей работы нелинейных передающих линий с насыщенным ферритом, разработан макет, формирующий пару субгигаваттных наносекундных радиоимпульсов в системе из одного высоковольтного драйвера и двух нелинейных коаксиальных линий с намагниченным ферритом, каждая из которых нагружена на свою спиральную антенну. Продемонстрирована возможность полного управления разностью фаз между каналами при уровне излучаемой пиковой мощности в волновых пучках с круговой поляризацией и мощностью до 200 МВт от каждой антенны. На частоте 1.5 ГГц регулировка подмагничивания в линиях задержки позволяет управлять направлением излучения в пределах не менее ±15°.

В развитие данной концепции создания источников мощных радиоимпульсов с возможностью сканирования луча стал результат совместного эксперимента ИСЭ СО РАН и ИЭФ УрО РАН, продемонстрировавший двумерное электронное сканирование в телесный угол ±17^о эллиптически-поляризованного волнового пучка с центральной частотой ~2 ГГц и эффективным потенциалом 400 кВ, излучаемого четырехэлементной решеткой из спиральных антенн. Управляемое по фазе возбуждение антенн ВЧ-модулированными высоковольтными (до 250 кВ) импульсами осуществляется от гиромагнитных генераторов на основе нелинейных линий с насыщенным ферритом, на вход которых подаётся расщеплённый на 4 части униполярный импульс твердотельного драйвера S-500 длительностью 5 нс. Достигнута амплитудная и фазовая стабильность на частоте повторения 1 кГц в пакетах импульсов протяжённостью 1 секунда.

Публикации:

1. А.А. Ельчанинов, А.И. Климов, И.В. Романченко, В.В. Ростов, М.С. Педос, С.Н. Рукин, К.А. Шарыпов, В.Г. Шпак, С.А. Шунайлов, М.Р. Ульмаскулов, М.И. Яландин, «Двухканальный релятивистский генератор встречной волны диапазона 8 мм с управляемой разностью фаз и мощностью 230 МВт в канале» // Письма в ЖТФ. – 2013. – Т. 39. – вып. 20. – с. 49–56.
2. A. Sharypov, A. A. El’chaninov, G. A. Mesyats, M. S. Pedos, I. V. Romancheko, V. V. Rostov, S. N. Rukin, V. G. Shpak, S. A. Shunailov, M. R. Ul’masculov, and M. I. Yalandin, “Coherent summation of Ka-band microwave beams produced by sub-gigawatt superradiance backward wave oscillators” // Applied Physics Letters. – Sept. 2013. – vol. 103. – 134103 (1-4).
3. V. Rostov, A. A. El’chaninov, A. I. Klimov, V. Yu. Konev, I. V. Romanchenko, K. A. Sharypov, S. A. Shunailov, M. R. Ul’maskulov, and M. I. Yalandin, “Phase Control in Parallel Channels of Shock-Excited Microwave Nanosecond Oscillators”// IEEE Trans. Plasma Sci. – 2013. – Vol. 41. – no. 10/1. – рр. 2735 – 2741.
4. Ginzburg N. S., Cross A. W., Golovanov A. A., Mesyats G. A., Pedos M. S., Phelps A. D. R., Romanchenko I. V., Rostov V. V., Rukin S. N., Sharypov K. A., Shpak V. G., Shunailov S. A, Ulmaskulov M. R., Yalandin M. I., and Zotova I. V., “Generation of electromagnetic fields of extremely high intensity by coherent summation of Cherenkov superradiance pulses” // Physical Review Letters. – 2015. – Vol. 115. – PP. 114802-1-5.
5. Romanchenko I. V., Rostov V. V., Gunin A. V., and Konev V. Yu. “High power microwave beam steering based on gyromagnetic nonlinear transmission lines” // Journal of Appl. Phys. – 2015. – Vol. 117. – P. 214907-(1-5).
6. Romanchenko I. V., Rostov V. V., Gunin A. V., and Konev V. Yu. “Gyromagnetic FR source for interdisciplinary research” // Review of Scientific Instruments. – 2017. – Vol. – P. 024703.
7. Romanchenko I.V., Ul’maskulov M.R., Sharypov K.A., Shunailov S.A., Shpak V.G., Yalandin M.I., Pedos M.S., Rukin S.N., Konev V. Yu., and Rostov V.V. “Four channel high power rf source with beam steering based on gyromagnetic nonlinear transmission lines” // Review of Scientific Instruments. – 2017. – Vol. – P. 054703.
8. Rostov V. V., Romanchenko I. V., Gunin A. V., Pedos M. S., Rukin S. N., Sharypov K. A., Ul’masculov M. R., and Yalandin M. I. “Review of experiments on microwave beam steering in arrays of high-power oscillators by the control of voltage rise time” // IEEE Trans. on Plasma Sci. – – Vol. 46. – no. 10. – PP. 3640–3647.