АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ ИМПУЛЬСОВ
ANTENNA DEVICE FOR RADIATION OF MICROWAVE PULSES

Настоящее изобретение относится к антенному устройству для излучения высокоэнергетических микроволновых импульсов.
Микроволновые импульсы с высокой плотностью энергии, в частности, основанные на технологии электромагнитного излучения высокой мощности (HPEM), используются в настоящее время для уничтожения электронных компонентов в объектах, которые представляют собой опасность, например в зарядах взрывчатого вещества, которые подрываются по прошествии времени или управляются посредством мобильных телефонов, например взрывчатых ловушек или тому подобного, или по меньшей мере для приведения их в нерабочее состояние. Соответствующие системы, которые вырабатывают микроволновые импульсы, предпочтительно используются в форме переносных систем или перевозятся на транспортных средствах. Следовательно, они должны быть настолько компактными, насколько возможно. Тем не менее возможность использования таких систем не ограничена только областью ближнего действия, но также может быть увеличена на более далекие области, например, с целью неблагоприятного воздействия на траекторию полета электронно-управляемых объектов, таких как ракеты или тому подобное. Целью описанных функциональных  возможностей является генерация импульсов с настолько высокой плотностью и мощностью энергии, насколько возможно. Тем не менее HPEM источники имеют недостаток, заключающийся в том, что операция переключения зависит от искрового перекрытия. Результатом этого, в свою очередь, является недостаток, заключающийся в том, что время излучения не может быть воспроизведено с достаточной точностью. Следовательно, конструировать антенное устройство сложно. По причине упомянутой выше операции переключения HPEM источники, следовательно, подвержены увеличенной механической нагрузке и, следовательно, имеют сравнительно ограниченный срок службы. К тому же необходимо предусматривать сигнал возбуждения, имеющий наиболее возможно короткое время нарастания для HPEM источников, что подвержено ограничению, относящемуся к устройству.
В US 3748528 описан генератор микроволнового импульса, в котором при первом искровом промежутке генерируется импульс с нарастанием фронта с порядком величины в одну наносекунду и с амплитудой в диапазоне 12-20 кВ. Этот импульс затем преобразуется посредством последующего последовательно подсоединенного искрового промежутка, который действует как переключатель, в затухающее синусоидальное колебание (DS импульс) и излучается через отражатель и антенну.
Для того чтобы увеличить плотность энергии таких импульсов, было дополнительно выполнено изменение, заключающееся в обеспечении устройств, содержащих множество параллельно соединенных микроволновых генераторов, как описано в DE 102006014230 A1 или DE 10313286 B3. Однако такие устройства имеют недостаток, заключающийся в том, что они требуют некоторого объема пространства и, следовательно, подходят только для ограниченного типа устройств с уменьшенными размерами.
Целью настоящего изобретения является разработка нового антенного устройства, которое позволяет излучать импульсные сигналы с улучшенными свойствами.
Упомянутая выше цель достигается посредством антенного устройства, которое отличается первым плоским электродом, вторым электродом, причем первый электрод и второй электрод выполнены с возможностью соединения с генератором для генерации импульса возбуждения, множеством нелинейных излучающих элементов, которые соединяют первый электрод и второй электрод друг с другом, и полупроводниковыми диодами, которые предусмотрены в области нелинейных излучающих элементов, включаются с конкретного напряжения пробоя и, таким образом, позволяют антенне излучать пульсирующий общий импульс. Новое антенное устройство обеспечивает высокую воспроизводимость излучаемых импульсных сигналов (импульсов) и времени излучения, поскольку операция переключения устанавливается не искровым промежутком, а полупроводником, а именно полупроводниковым диодом. В свою очередь, результатом этого являются значительно уменьшенные потери и значительно более долгий срок службы. Новое антенное устройство также позволяет использовать более медленные генераторы импульсов, причем одновременно могут быть излучены импульсные сигналы, имеющие более высокие частоты (>300 МГц), чем ранее (максимально 50 МГц). Например, импульсные сигналы, имеющие частоты >300 МГц, могут быть излучены во время возбуждения с медленными временами нарастания примерно в 10 нс.
Первый плоский электрод и второй плоский электрод предпочтительно являются проводящими пластинами, предпочтительно металлическими пластинами, в результате чего антенное устройство образует пластинчатый конденсатор, содержащий множество излучающих элементов, которые распределены по площади пластин и имеют форму диполей.
Питающая линия в форме пластинчатого конденсатора в качестве части антенного устройства обеспечивает трехмерную компоновку излучающих элементов в зависимости от желаемого использования. В частности, это также увеличивает излученное поле. В зависимости от расположения питающей линии может оказываться влияние на направление излучения антенного устройства.
Излучающие элементы предпочтительно содержат два продолговатых проводящих элемента, например металлические полосы, которые присоединены друг к другу через полупроводниковый диод.
В результате того факта, что излучающие элементы запитываются у соответствующего электрода через индуктивности, эффективность антенного устройства особенно сильно увеличивается.
Полупроводниковые диоды, расположенные в излучающих элементах, предпочтительно имеют так называемую «характеристику лавинного пробоя». Это полупроводниковые диоды с очень быстрым временем спада в обратном направлении. Напряжение прилагается к диодам через питающую линию и две индуктивности. Диоды включаются при конкретном напряжении пробоя, и излучается импульсный сигнал. Излученная частота не зависит от времени нарастания сигнала возбуждения. Поэтому в новом антенном устройстве отсутствует необходимость в генераторе с быстрым временем нарастания. Тем не менее могут быть достигнуты времена переключения в диапазоне менее 500 пс.
Антенное устройство согласно изобретению обеспечивает большую степень свободы относительно его применения и использования. Например, множество источников излучения может быть соответственно расположено последовательно друг за другом между плоскими электродами или пластинами, результатом чего является то, что расстояние между электродами или пластинами составляет приблизительно две длины диполя каждого излучающего элемента, например, в случае двух излучающих элементов.
В качестве альтернативы также возможно предусмотреть расстояние, которое короче, чем длина соответствующего излучающего элемента или длина диполя. В этом случае в электродах выполнены вырезы, через которые проходят излучающие элементы. В этом случае расстояние между двумя электродами или пластинами короче, чем длина излучающего элемента, то есть длина диполя. Изменение расстояния изменяет емкость, результатом чего является то, что энергия генератора может адаптироваться к антенному устройству за счет адаптации расстояния.
Новое антенное устройство позволяет использовать сравнительно медленные генераторы для генерации излучаемого импульсного сигнала, имеющего высокую частоту, например имеющего частоты >200 МГц, предпочтительно >250 МГц, особенно предпочтительно >300 МГц.
Время нарастания сигнала возбуждения от генератора может быть предпочтительно ≥1 нс, особенно предпочтительно ≥5 нс.
Для того чтобы увеличить эффективность излученного импульсного сигнала, антенное устройство согласно изобретению может быть легко объединено по меньшей мере с одним пассивным отражателем.
В зависимости от назначения отражатель может быть расположен сбоку от устройства из множества отдельных излучающих элементов и электродов, таким образом, устанавливая намеченное направление распространения импульсного сигнала, то есть оптимизацию сигнала в желаемом направлении.
В качестве альтернативы отражатель также может проходить через компоновку отдельных излучающих элементов и электродов или пластин, результатом чего, таким образом, является направление распространения импульсного сигнала, например, в двух направлениях.
Если требуется направление распространения во все стороны, также может быть предусмотрено множество отражателей. Например, может быть образован отражающий крест, в котором отдельные излучающие элементы расположены таким образом, что они проходят, по существу, концентрично вокруг точки пересечения отражателей.
Предпочтительные улучшения настоящего изобретения объяснены более подробно ниже с использованием чертежей. Для понятности одинаковые признаки обозначены соответствующим символом только один раз.
На чертежах:
фиг.1 - форма импульса, непосредственно генерируемого  генератором импульса,
фиг.2 - упрощенное изображение первого усовершенствования антенного устройства согласно изобретению в перспективе,
фиг.3 - другой вариант осуществления антенного устройства согласно изобретению в пространственном представлении,
фиг.4 - другое усовершенствование антенного устройства согласно изобретению  в пространственном представлении,
фиг.5 - антенное устройство согласно изобретению, использующее расположенный сбоку пассивный отражатель, на виде сбоку отражателя (фиг.5А) и на виде в плане отражателя (фиг.5В),
фиг.6 - антенное устройство согласно изобретению, имеющее пассивный отражатель, который проходит через антенное устройство и предназначен для излучения в обе стороны, на виде сбоку отражателя (фиг.6А) и на виде в плане отражателя (фиг.6В), и
фиг.7 - антенное устройство согласно изобретению, использующее два пересекающихся отражателя для излучения во все стороны, на виде сбоку отражателя (фиг.7А) и на виде в плане верхней стороны устройства согласно фиг.7А с опущенным верхним электродом (фиг.7В).
На фиг.1 изображена форма типичного сигнала возбуждения от генератора. Сигнал возбуждения имеет короткое время нарастания в диапазоне наносекунд, например время нарастания в 10 нс, перед тем как сигнал достигнет своего пика. Амплитуда имеет порядок величины обычно около 150-200 кВ. Частота такого импульсного сигнала лежит в МГц диапазоне. Чем выше частота, тем больше энергии имеет импульсный сигнал. Частота излучаемого сигнала обычно тем больше, чем больше время нарастания сигнала возбуждения.
На фиг.2 изображена очень упрощенная схематичная иллюстрация первого усовершенствования антенного устройства 2 согласно изобретению. Антенное устройство 2 содержит первый плоский электрод 3 и второй плоский электрод 4, например, в форме плоских проводящих пластин, например металлических пластин, которые расположены на конкретном расстоянии друг от друга и образуют пластинчатый конденсатор. Каждый электрод 3, 4 имеет точку 11 и 12 питания для подачи импульсного сигнала от генератора 1, в этом случае примерно в центре края левой стороны электрода 3 и 4. Генератор 1 может быть генератором с сравнительно «коротким» временем нарастания, например >1 нс.
Между электродами 3, 4 расположено множество подобных диполю нелинейных излучающих элементов 5, которые соединены параллельно и соединяют два электрода 3, 4 друг с другом. Импульсный сигнал, подаваемый через точки 11, 12 питания, подается на все излучающие элементы 5.
Излучающие элементы представляют собой продолговатые проводящие элементы, например металлические полосы, выполненные из Cu или Al, которые все соединены друг с другом через полупроводниковый диод 6. Импульсный сигнал от генератора 1 подается через соответствующий электрод 3, 4 в соответствующий излучающий элемент 5 через индуктивности 7 и 8. Использование индуктивностей 7 и 8 улучшает время излучения импульса, излучаемого антенным устройством 2, в это же время увеличивая интенсивность импульса.
Полупроводниковый диод 6 предпочтительно является полупроводниковым диодом с так называемой характеристикой лавинного пробоя, то есть полупроводниковым диодом, который устанавливается с быстрым временем спада в обратном направлении. Напряжение прилагается к соответствующему полупроводниковому диоду 6 через питающую линию и две индуктивности 7 и 8. Полупроводниковый диод включается при конкретном напряжении пробоя, и импульсный сигнал излучается соответствующим излучающим элементом 5. Результатом суммы отдельных сигналов, сформированных в одно и то же время излучающими элементами 5, является общий импульс, излученный антенным устройством. Этот общий импульс излучается в направлении А с несимметричным питанием на фиг.2.
В нормальном случае излученная частота f зависит от времени t нарастания следующим образом:
f < 1/(2 × t).
Вследствие специального питания антенного устройства и операции переключения посредством полупроводникового диода преимущественно возможно обходиться без генератора с быстрым временем нарастания. Причиной этого является то, что в настоящем случае излучаемая частота не зависит от времени нарастания сигнала возбуждения.
К тому же антенное устройство позволяет использовать медленные генераторы импульса с временем нарастания приблизительно в 10 нс для излучения импульсных сигналов, имеющих высокие частоты более 200 МГц, предпочтительно более 250 МГц, особенно предпочтительно более 300 МГц.
Излучающие элементы 5 являются диполями. Количество и расположение в антенном устройстве зависит от конкретного использования. Расстояние между электродами 3, 4, то есть пластинами, может также быть изменено любым желаемым образом в зависимости от использования, согласования полного сопротивления и характеристики излучения.
На фиг.3 изображено дополнительное улучшение антенного устройства согласно изобретению, в котором расстояние между электродами 3, 4 увеличено по сравнению с длиной диполя, то есть длиной отдельного излучающего элемента. Это осуществляется посредством множества излучающих элементов 5а, 5b, расположенных между электродами 3, 4 с последовательным соединением. Сигнал возбуждения таким же образом подается через индуктивности 7а, 7b и 8а, 8b, предусмотренные на обеих сторонах излучающего элемента 5а, 5b. В случае усовершенствования согласно фиг.3 два излучающих элемента 5а и 5b соединены последовательно. Тем не менее еще больше излучающих элементов также может быть соединено последовательно. Это антенное устройство также излучает в направлении А вследствие того факта, что сигнал возбуждения от генератора 1 подается поперечно к двум электродам 3, 4.
В зависимости от использования также возможно, чтобы расстояние между электродами 3, 4 было короче, чем длина диполя или длина излучающего элемента 5 (фиг.4). В этом случае вырезы 12 и 13 предусмотрены в соответствующих электродах 3, 4, результатом чего является то, что излучающие элементы 5 проходят через электроды 3 и 4. Также в этом случае сигнал возбуждения подается через катушки 7 и 8 индуктивности, которые контактируют с электродами 3, 4 в области вырезов 13, 14 и контактируют с излучающим элементом 5 у излучающего элемента 5 с обеих сторон полупроводникового диода 6. Изменение расстояния изменяет емкость пластинчатого конденсатора, результатом чего является то, что энергия генератора может адаптироваться к антенному устройству путем адаптации расстояния. Направление излучения обозначено стрелкой А.
Устройство согласно изобретению также может быть объединено с пассивным отражателем 10 для воздействия на направление излучения, то есть направление А распространения, генерируемого импульса. В варианте согласно фиг.5 отражатель 10 расположен сбоку от устройства из отдельных излучающих элементов 5, результатом чего, таким образом, является направление распространения сформированного импульса в направлении А согласно фиг.5А. Как видно из фиг.5В, отражатель 10 полностью накрывает из отдельных излучающих элементов 5.
Для того чтобы обеспечить распространение излучаемого импульса в двух направлениях, пассивный отражатель может также проходить через компоновку из отдельных излучающих элементов 5 и электродов 3, 4 согласно фиг.6. Следовательно, излученный импульс распространяется как в направлении А, так и в направлении В, как видно из фиг.6А.
В этом случае также отражатель 10 накрывает всю компоновку  из отдельных излучающих элементов 5, как видно из фиг.6В.
Наконец, на фиг.7 изображено устройство, предназначенное для того, чтобы импульс, излучаемый антенным устройством, излучался во все стороны. Для этого два отражателя 10, 11 расположены в форме креста относительно друг друга, причем отдельные излучающие элементы 5 расположены в разных рядах таким образом, что они проходят концентрично вокруг точки пересечения отражателей 10, 11. Это особенно хорошо видно на фиг.7В, на которой верхний электрод 3 не изображен для ясности. В каждом случае соответствующий электрод 3 или 4 разделен на два электрода 3а, 3b или 4а, 4b. Генератор 1 непосредственно воздействует на каждый из электродов 3а и 3b или 4а и 4b, как изображено на фиг.7А.
Новое антенное устройство позволяет излучать микроволновые импульсы с очень высокой плотностью и направленностью энергии без необходимости использования сигналов возбуждения с очень высоким временем нарастания. Благодаря хорошей воспроизводимости времени переключения могут быть изготовлены решетки, содержащие отдельные излучающие элементы в любой желательной компоновке и любого желаемого размера. Следовательно, изобретение является весьма значительным вкладом в соответствующую область техники.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Генератор
2 Антенное устройство
3 Электрод
4 Электрод
5 Излучающий элемент
6 Полупроводниковый диод
7 Индуктивность
8 Индуктивность
9 Отражатель
10 Отражатель
11 Точка питания
12 Точка питания
13 Вырез
14 Вырез