DE19959358C2 - Autonome RF-Strahlungsquelle - Google Patents

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 12^th 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 C_Z sowie einer Hochdruck-Funkenstrecke G_H. 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 R_l als Lastwiderstand und einen Wider­ stand R_m 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 R_l ≠ p bis R_m = p so­ wie bipolare Pulse bei R_m = 0 und R_l = p, wobei sich die Spannungsamplitude UA des bipolaren Pulses aus

U_a = +/- U_o/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 L_o/Endinduktivität L.Anfangsenergie W_o 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 U_Tr angehoben. Diese Spannung U_Tr wird in der Zwischenkapazität C_z gespeichert und über die Hochdruck-Funkenstrecke G_H auf den UWB-Pulser 4 gegeben.

Bekanntlich hängt die Zündspannung U_GH der Hochdruck-Funkenstrecke G_H vom Elektrodenabstand und vom Gasdruck innerhalb der Hochdruck-Funkenstrecke G_H ab (Paschen-Gesetz). Diese Abhängigkeit ausnutzend, wird die Hochdruck- Funkenstrecke G_H so eingestellt, daß sie einen hohen, steilen Spannungsanstieg U_GH aufweist. Durch den UWB-Pulser 4 werden danach je nach Beschaltung monopolare oder bipolare Rechteckspannungspulse U_SP erzeugt. Die Pulslänge der Rechtecks­ pannungspulse U_SP wird über die Kabellänge I des Hochspannungskabels 7 einge­ stellt. Wichtig dabei ist, daß U_SP - 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 U_SP 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 C_Z auf einen hohen Anfangswert bringt.

Dabei stellt R_S eine Folie mit einer inneren Schaltinduktivität L_S und Schaltkapazität C_S dar, die mindestens einen explodierenden Draht in sich trägt. Der Ausgangsstrom des Flußkompressors 2.2 wird durch die Folie R_S geleitet. Auf Grund des sehr schnellen und starken Stromanstieges kommt es zur Erhitzung des Drahtes in der Folie R_S, der dann explodiert. Durch die schnelle Unterbrechung des Stromflusses entsteht nach U_CS ≈ L.di/dt am Kondensator C_S die Spannung U_CS 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 C_Z und der Hochdruck-Funkenstrecke G_H 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 C_S wird die notwendige hohe Spannung U_MG erzeugt.

Die in jeder Stufe I, II, III vorhandenen Stoßkapazitäten C_S werden über Ladewider­ stände R_L sowie Entladewiderstände R_E und Dämpfungswiderstände R_D (der Über­ sichtlichkeit halber sind Eritladewiderstände R_E und Dämpfungswiderstände R_D zu einem Widerstand R_ED zusammengefaßt) von der aus der Primärenergieversorgung 2 erzeugten Spannung UFA zunächst langsam aufgeladen. Auch bei einem konstan­ ten Wert wird unter bestimmten Widerstandsbedingungen (R_L1 < R_L << R_E < R_D) die Spannung U_S an allen Stoßkapazitäten C_S etwa gleich groß, wobei die Funkenstrec­ ken F5 so eingestellt sein müssen, daß diese während des langsamen Anstiegs der Spannung U_S durchschlagen. Die Funkenstrecken F_S zünden alle gleichzeitig durch, wodurch sich alle auf die Spannung U_S geladenen Kondensatoren C_S in Serie schalten und an der Belastungskapazität C_A, d. h., am Ausgang des Marx- Generators 6, eine entsprechend vervielfachte Spannung U_MG einstellt. Der ge­ wünschte zeitliche Verlauf dieser Spannung U_MG an der Belastungskapazität C_A wird in bekannter Art und Weise durch die impulsformenden Elemente R_ED erzwungen. Dadurch können Stoßspannungen U_GM 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 U_GM 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 C_Z 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 F_3-n nachgeschaltet, durch die die nadelpulsartigen Stoßspannungen U_SP 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 (U_FA) 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 (C_Z) und einer Hochdruck-Funkenstrecke (G_H) besteht.

3. Autonome RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungserhöhungsmodul (3) aus einem Öffnungsschalter auf der Basis explodierender Drähte, einer Zwischenkapazität (C_Z) und einer Hochdruck- Funkenstrecke (G_H) 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 (U_SP) 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 (U_SP) 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.