DE19959358C2 - Autonome RF-Strahlungsquelle - Google Patents
Autonome RF-StrahlungsquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine autonome RF-Strahlungsquelle nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Im Bereich der nicht letalen Zerstörung von Zielen werden neben Hochleistungsmi
krowellen-Quellen (HPM = high-power-microwave) auch explosivstoffgetriebene RF-
Generatoren (RF = radio frequency) verwendet. Dabei wird durch zielgerichtetes
Senden von RF-Strahlen die Elektronik eines Ziels zerstört oder die Funktion durch
Blenden oder Stören beeinträchtigt, ohne das Ziel selbst zu zerstören. Diese Syste
me werden bei sogenannten indirekt richtenden Systemen mit Hilfe eines Trägersy
stems, beispielsweise einer Drohne oder Artillerierakete, in die Nähe des Zieles ver
bracht.
Der Nachteil der bekannten autonomen HPM-Quellen liegt darin, daß diese einen
verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad bezüglich der elektrisch eingekoppelten zu
einer in Mikrowellenstrahlung umgesetzten Leistung aufweisen.
Bei explosivstoffgetriebenen RF-Generatoren dagegen liegt die Abstrahlfrequenz
erheblich unterhalb des gewünschten bzw. für die Aufgabe notwendigen Frequenz
bereiches, so daß es hierbei nicht zur Zerstörung der Elektronik im Ziel, sondern nur
zu Unregelmäßigkeiten in ihrer Funktion kommt. Die unzureichende Abstrahlfrequenz
ist unter anderem dadurch begründet, daß durch das Trägersystem die bauliche
Größe des RF-Generators vorbestimmt ist. Die notwendige Energie zur Erzeugung
des Frequenzbereiches oberhalb von 100 MHz kann dabei nicht bereit gestellt wer
den.
Ein Hochenergie-Pulser als Hochenergiequelle wird in der DE 41 00 942 C2 offen
bart. Hierbei wird mit Hilfe von schneller detonativer Magnetfeldkompression ein
Speicher auf eine weiter verwendbaren Ausgangsspannung aufgeladen.
In einem Beitrag "High-power ultrawideband electromagnetic radiation generator", in
Pulsed Power Conference, Juni 1997, Digest of Technical Papers, 11t" IEEE Interna
tional Volume: 1, 1997, Seiten 730 bis 735 sind Aufbau und Wirkungsweise von ultra
wideband-pulser (UWB-Pulser), insbesondere nach Vvendenski, offenbart.
Dem Beitrag "Gigawatt-power-level ultrawideband radiation generator" in Pulsed Power
Conference, 27.-30. Juni 1999,, Digest of Technical papers 12th IEEE International, Volume
2, 1999, Seiten 1337-1340 ist ein Ultra-Weitband-Wellengenerator entnehmbar, dessen
Modulator auf einem Thyratron (Stromtor/Bogenentladungsröhre) basiert. Benötigt werden
wenigstens ein Trigger, ein Heizer etc., d. h., zusätzliche Primärversorgungen, damit das
Thyratron in Funktionsfähigkeit gebracht wird. Entsprechend wird ein größerer Bauraum be
nötigt. Das Thyratron muß vor dem Einsatz zudem stets vorgewärmt werden (ca. 5 min), was
insbesondere im Falle einer Verbringbarkeit nicht möglich ist. Ein sofortiger Einsatz ist nicht
möglich.
Die DE 32 32 841 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung extrem kurzer
Hochspannungsimpulse. Diese weist als Einspeisung eine Wechselstrom-Hochspannungs
quelle auf, der ein Gleichrichter, ein Impulsformer als kapazitives Energiespeicherelement
nachgeschaltet sind, wodurch die Schaltungsanordnung relativ schaltungsaufwendig wird.
Einen Marx- Generator nach dem Stand der Technik beschreibt die DE 689 28 407 T2.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine autonome RF-Strahlenquelle (Gene
rator) aufzuzeigen, die neben einer sicheren Blendung oder Störung auch eine siche
re nicht letale Zerstörung eines Zieles gewährleistet.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine autonom arbeitenden Hochenergiequelle
zur Lieferung einer autonomen Primärenergie und einen UWB-Pulser, der nach dem
Prinzip der Erzeugung von UWB-Pulsen durch Kabelentladung arbeitet, derart zu
verbinden, daß eine damit aufgebaute RF-Strahlenquelle eine deutlich höhere Puls
leistung in dem für das Ziel interessanten Frequenzbereichen oberhalb 100 MHz lie
fert und über eine RF-Abstrahlquelle auf das Ziel abstrahlt.
Dazu besteht die RF-Strahlenquelle aus einer autonomen Primärenergieversorgung,
einer nachgeschalteten Spannungsverstärkerschaltung, die auf den UWB-Pulser
geführt ist, sowie einer auf den UWB-Pulser abgestimmten RF-Abstrahlquelle. Bei
Einsatz dieser autonomen RF-Strahlenquelle als indirekt richtendes System kann
somit eine deutlich höhere Pulsleistung in der RF-Strahlenquelle deponiert werden.
Dies geschieht hauptsächlich über den deutlich höheren Wirkungsgrad des UWB-
Pulsers. Die autonome Primärenergieversorgung besteht dabei aus einer Batterie,
einem Kapazitätskondensator, sprengstoffbeaufschlagten Piezogeneratoren und/
oder einem magnetischen Flußkompressor.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Spannungsverstärkerschaltung als Spannungserhöhungsmodul besteht bei
spielsweise aus einem Step-Up-Transformator mit einer nachgeschalteten Zwischen
kapazität und einer Hochdruck-Funkenstrecke.
In einer weiteren Ausführung kann die Spannungserhöhungsschaltung statt eines
Step-Up-Transformators einen Öffnungsschalter aufweisen, der auf die nachge
schaltete Zwischenkapazität geführt ist.
In einer bevorzugten Ausführung ist als Spannungserhöhungsmodul ein Marx-
Generator zwischen der Primärenergiequelle und dem UWB-Pulser geschaltet. Der
Marx-Generator ist dabei aus nacheinander geschalteten Zwischenkapazitäten und
Hochdruck-Funkenstrecken aufgebaut.
Der UWB-Pulsers ist vorzugsweise als koaxiale Leitung mit Schalter ausgeführt, wo
durch monopolare und bipolare Pulse erzeugt werden, die an die RF-Abstrahlquelle,
vorzugsweise eine Breitbandantenne, abgegeben werden.
Anhand von Ausführungsbeispielen mit Zeichnungen soll die Erfindung näher erläu
tert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen
RF-Strahlenquelle
Fig. 2 eine Aufbauskizze aus Fig. 1,
Fig. 3 eine Aufbauskizze für eine Spannungsverstärkung aus Fig. 2,
Fig. 3a eine Variante zur Aufbauskizze aus Fig. 3,
Fig. 4 eine Aufbauskizze für eine weitere Spannungsverstärkung aus Fig. 1,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines UWB-Pulsers nach Vvedenski,
Fig. 5a eine einfache Variante eines weiteren UWB-Pulsers,
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung eines Marx-Generators.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer autonomen, d. h., autonom arbeitenden RF-
Strahlenquelle 1 schematisch dargestellt. Die RF-Strahlenquelle 1 besteht dabei aus
einer die Autonomie begründenden Primärenergieversorgung 2, einem Spannungs
erhöhungsmodul 3, einem UWB-Pulser 4 sowie einer RF-Abstrahlquelle 5. Diese
kann vorzugsweise eine Breitbandantenne sein, die ihr Maximum der Abstrahlcha
rakteristik vorzugsweise im Frequenzbereich zwischen 0,9 und 2 GHz, jedoch über
100 MHz besitzt.
Die autonome Primärenergieversorgung 2 kann aus einer Batterie, einem Kapazi
tätskondensator, sprengstoffbeaufschlagten Piezogeneratoren und/oder einem ma
gnetischen Feldkompressor aufgebaut sein. Möglich sind auch ein Dauermagnet
oder anders erzeugte Magnetfelder.
In Fig. 2 ist in einer ersten Aufbauskizze die RF-Strahlenquelle 1 dargestellt. Hierbei
besteht die Primärenergieversorgung 2 aus einer Batterie 2.1 und einem magneti
schen Flußkompressor 2.2.
In die Fig. 3 ist in einer ersten Aufbauskizze das Spannungserhöhungsmoduls 3
dargestellt. Hierbei besteht das Modul 3 aus einem Step-Up-Transformator Tr 1, ei
ner Zwischenkapazität CZ sowie einer Hochdruck-Funkenstrecke GH. Über den Step-
Up-Transformator Tr 1 erfolgt dabei eine Impedanzanpassung zwischen der explo
sivstoffgetriebenen Primärenergieversorgung 2 aus Fig. 2 und dem UWB-Pulser 4
aus Fig. 5. Dieser UWB-Pulser 4 kann, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt, nach
Vvedenski als Kabelpulser aufgebaut sein. Hierbei besteht der Hochspannungs- bzw.
UWB-Pulser 4 aus einem Kabel 7 mit einer Impedanz p, dessen Abschirmung 8 an
den Kabelenden und Leiterenden 9 jeweils miteinander verbunden werden. Zwischen
den Leiterenden 9 sind einen Widerstand Rl als Lastwiderstand und einen Wider
stand Rm als Anpassungswiderstand eingebunden. Ein Stromwender K, beispiels
weise ein Schalter, ist zwischen dem gemeinsamen Anschlußpunkt 10 der Abschir
mung und der Masse schaltbar. Diese Anordnung ermöglicht die Erzeugung von mo
nopolaren Rechteckpulsen (Spannung) bei unangepaßter Last Rl ≠ p bis Rm = p so
wie bipolare Pulse bei Rm = 0 und Rl = p, wobei sich die Spannungsamplitude UA des
bipolaren Pulses aus
Ua = +/- Uo/2 bei einer gemeinsamen Länge τ = 2.l/v ergibt.
Hierbei sind l die Kabellänge und v die Wellengeschwindigkeit im Kabel.
Im Zusammenschau der Fig. 1 bis 3, sowie Fig. 5 läuft das Verfahren wie folgt
ab.
Mit einem hier nicht näher dargestellten Trägersystem wird die autonome RF-
Strahlenquelle 1 zum Ziel vor Ort gebracht. Dort erfolgt die Zuschaltung der Batterie
2.1, beispielsweise Zeit- oder aufschlaggesteuert. Durch die Batterie 2.1 wird ein
Ringzünder 2.21 des magnetischen Flußkompressors 2.2 gezündet; wodurch in her
kömmlicher Art und Weise ein im Spulenkern 2.22 befindlicher Hochexplosivstoff den
Spulenkörper aufreißt und die einzelnen Windungen 2.23 nacheinander kurzge
schlossen werden. Bei einer anfänglich kleinen Anfangsinduktivität und einem kon
stanten magnetischen Fluß wird bei nur noch einer Windung 2.23 auf dem Spulen
körper eine 100-fache Verstärkung erzeugt, die in der nicht näher dargestellten Aus
gangskapazität des Flußkompressors 2.2 gespeichert wird. Dabei wird chemische
Energie in eine elektrische Energie umgewandelt, wobei die Endenergie W abhängig
von der
Anfangsinduktivität Lo/Endinduktivität L.Anfangsenergie Wo ist.
Der Ausgangsstrom des Flußkompressors 2.2 wird auf die Primärseite des Step-Up-
Transformator Tr 1 gegeben. Die an der Primärseite anliegende Ausgangsspannung
von einigen kV (20 bis 50 kV) wird durch den Step-Up-Transformator Tr1 auf mehre
re 100 kV Ausgangsspannung UTr angehoben. Diese Spannung UTr wird in der
Zwischenkapazität Cz gespeichert und über die Hochdruck-Funkenstrecke GH auf
den UWB-Pulser 4 gegeben.
Bekanntlich hängt die Zündspannung UGH der Hochdruck-Funkenstrecke GH vom
Elektrodenabstand und vom Gasdruck innerhalb der Hochdruck-Funkenstrecke GH
ab (Paschen-Gesetz). Diese Abhängigkeit ausnutzend, wird die Hochdruck-
Funkenstrecke GH so eingestellt, daß sie einen hohen, steilen Spannungsanstieg UGH
aufweist. Durch den UWB-Pulser 4 werden danach je nach Beschaltung monopolare
oder bipolare Rechteckspannungspulse USP erzeugt. Die Pulslänge der Rechtecks
pannungspulse USP wird über die Kabellänge I des Hochspannungskabels 7 einge
stellt. Wichtig dabei ist, daß USP - Pulse mit sehr niedrigen Anstiegsgeschwindigkei
ten (< 1 ns) erzeugt werden. Die am Ausgang des UWB-Pulsers 4 anliegenden
Spannungspulse USP gelangen danach auf die dem Kabelwiderstand des UWB-
Pulsers 4 angepaßte Breitbandantenne 5, welche dann auf das Ziel zielgerichtet ab
gestrahlt werden.
Die durch den kurzzeitig hohen Spannungsanstieg USP erzeugte hohe elektrische
Feldstärke an der Breitbandantenne 5 verursacht einen nichtthermischen Defekt der
elektronischen Baugruppen und Komponenten innerhalb des Zieles und damit eine
Zerstörung, Blendung oder Störung der Elektronik ohne das Ziel selbst zu zerstören.
In einer weiteren Ausführung kann anstelle des Step-Up-Transformators Tr 1 auch
ein Öffnungsschalter auf Basis explodierender Drähte eingesetzt werden, wie in Fig.
3a veranschaulicht, der die nachfolgende Zwischenkapazität CZ auf einen hohen
Anfangswert bringt.
Dabei stellt RS eine Folie mit einer inneren Schaltinduktivität LS und Schaltkapazität
CS dar, die mindestens einen explodierenden Draht in sich trägt. Der Ausgangsstrom
des Flußkompressors 2.2 wird durch die Folie RS geleitet. Auf Grund des sehr
schnellen und starken Stromanstieges kommt es zur Erhitzung des Drahtes in der
Folie RS, der dann explodiert. Durch die schnelle Unterbrechung des Stromflusses
entsteht nach UCS ≈ L.di/dt am Kondensator CS die Spannung UCS von bis zu meh
reren 100 kV. Das Schaltverhalten des explodierenden Drahtes kann durch eine me
chanische Reduzierung des Querschnittes verbessert werden (siehe dazu Vortrag "
Analysis of hektical generator driven exploding foil opening switsch experiments",
der 1995 auf der Konferenz der IEEE in Albuquerque gehalten und in der verband
seigenen Veröffentlichung, ISB-Nr 0-7803-2790-X, Seite 1126 bis 1131 abgedruckt
ist).
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann anstelle des Step-Up-Transforma
tors Tr 1, der Zwischenkapazität CZ und der Hochdruck-Funkenstrecke GH ein Marx-
Generator 6 verwendet werden.
Die RF-Strahlenquelle 1 setzt sich hierbei aus der Primärenergiequelle 2, dem Marx-
Generator 6, dem UWB-Pulser 4 und der Breitbandantenne 5 zusammen (Fig. 4),
wobei der Marx-Generator 6 als Spannungserhöhungsmodul 3 fungiert.
Der Marx-Generator 6 ist in Fig. 6 dargestellt. Unter Ausnutzung der Spannungser
höhung durch das serielle Entladen der sich aufladenden Kondensatoren bzw. Kapa
zitäten CS wird die notwendige hohe Spannung UMG erzeugt.
Die in jeder Stufe I, II, III vorhandenen Stoßkapazitäten CS werden über Ladewider
stände RL sowie Entladewiderstände RE und Dämpfungswiderstände RD (der Über
sichtlichkeit halber sind Eritladewiderstände RE und Dämpfungswiderstände RD zu
einem Widerstand RED zusammengefaßt) von der aus der Primärenergieversorgung
2 erzeugten Spannung UFA zunächst langsam aufgeladen. Auch bei einem konstan
ten Wert wird unter bestimmten Widerstandsbedingungen (RL1 < RL << RE < RD) die
Spannung US an allen Stoßkapazitäten CS etwa gleich groß, wobei die Funkenstrec
ken F5 so eingestellt sein müssen, daß diese während des langsamen Anstiegs der
Spannung US durchschlagen. Die Funkenstrecken FS zünden alle gleichzeitig durch,
wodurch sich alle auf die Spannung US geladenen Kondensatoren CS in Serie
schalten und an der Belastungskapazität CA, d. h., am Ausgang des Marx-
Generators 6, eine entsprechend vervielfachte Spannung UMG einstellt. Der ge
wünschte zeitliche Verlauf dieser Spannung UMG an der Belastungskapazität CA wird
in bekannter Art und Weise durch die impulsformenden Elemente RED erzwungen.
Dadurch können Stoßspannungen UGM von über 300 kV erzeugt werden. Diese ge
langen, wie bereits beschrieben, über den UWB-Pulser 4 an die Breitbandantenne 5
und werden dort im Frequenzbereich der Breitbandantenne 5 zielgerichtet abge
strahlt.
Der Vorteil der Verwendung des Marx-Generators 6 für dieser RF-Strahlenquelle 1
liegt darin, daß durch die Wirkungsweise des Marx-Generators 6 nacheinander meh
rere, repetierte Stoßspannungen UGM am Ausgang des Marx-Generators 6 erzeugt
werden, die an den UWB-Pulser 4 gegeben und danach über die Breitbandantenne 5
nacheinander auf das Ziel gestrahlt werden.
Ist diese repetierende Stoßspannungserzeugung prinzipiell erwünscht, kann dieses
durch den Einsatz eines zusätzlichen Ladewiderstandes zwischen dem Zwischen
kreiskondensator CZ und dem Pulser 4 erzielt werden. Es ist aber auch möglich,
selbstlöschende Funkenstrecken (Heliumfunkenstrecken) anstelle des Ladewider
standes einzusetzen. Hierbei werden die durchgeschalteten Funkenstrecken wieder
spannungsfest und schalten beim erneuten Erreichen der Durchschaltspannung
durch (Zerhackerbetrieb).
Mit Hilfe der repetierenden Stoßspannungserzeugung wird eine effektivere Blen
dung, Störung oder nicht letale Zerstörung des Zieles erreicht.
Eine weitere, einfachere Variante des UWB-Pulsers 4 ist in zusätzlich in Fig. 5a auf
gezeigt. Hierbei sind beispielsweise dem Marx-Generator 6 weitere Funkenstrecken
F1, F2 und wenn erwünscht F3-n nachgeschaltet, durch die die nadelpulsartigen
Stoßspannungen USP erzeugt und an die Breitbandantenne 5 zur Abstrahlung ab
gegeben werden.
Claims (10)
1. Autonome RF-Strahlungsquelle (1), aufweisend eine autonome Primärenergie
versorgung (2), bestehend aus einer Batterie (2.1), einem Kapazitätskondensa
tor, sprengstoffgetriebenen Piezogeneratoren und/oder einem magnetischen
Flußkompressor (2.2), sowie eine RF-Abstrahlquelle, einen UWB-Pulser (4) und
ein zwischen der Primärenergieversorgung (2), und der RF-Abstrahlquelle (5)
eingebundenes Spannungserhöhungsmodul (3), durch die die von der Pri
märenergieversorgung (2) gelieferte Primärenergie (UFA) verstärkt und als
Hochspannungspulse der RF-Abstrahlquelle (5) zugeführt werden.
2. Autonome RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Spannungserhöhungsmodul (3) aus einem Step-Up-Transformator (Tr1), ei
ner Zwischenkapazität (CZ) und einer Hochdruck-Funkenstrecke (GH) besteht.
3. Autonome RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Spannungserhöhungsmodul (3) aus einem Öffnungsschalter auf der Basis
explodierender Drähte, einer Zwischenkapazität (CZ) und einer Hochdruck-
Funkenstrecke (GH) besteht.
4. Autonome RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Spannungserhöhungsmodul (3) ein Marx-Generator (6) ist, wodurch an der
RF-Abstrahlquelle (5) eine repetierende Stoßspannung (USP) anliegt.
5. Autonome RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die RF-Abstrahlquelle (5) eine Breitbandantenne ist, die eine Abstrahlcharakteri
stik von 0,9 bis 2 GHz besitzt.
6. Autonome RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der UWB-Pulser (4) ein Kabelpulser ist.
7. Autonome RF-Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der UWB-Pulser (4) durch Funkenstrecken (F1, F2, F3) gebildet wird.
8. Autonome RF-Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen dem Spannungserhöhungsmodul (3) und dem
UWB-Pulser (4) ein Ladewiderstand oder eine selbstlöschende Funkenstrecke
eingebunden ist, wodurch an der RF-Abstrahlquelle (5) eine repetierende Stoß
spannung (USP) anliegt.
9. Autonome RF-Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die autonome RF-Strahlenquelle (1) verbringbar ist.
10. Autonome RF-Strahlungsquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die autonome RF-Strahlenquelle (1) mit Hilfe eines Trägersystems, wie einer
Drohne oder Artillerierakete, in die Nähe eines Ziels verbracht wird.
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