СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИМПУЛЬСА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR RECEIVING AND EMITTING HIGH-POWER MICROWAVE PULSE

Изобретение относится к способу и устройству в соответствии с описанием, предваряющим основной пункт формулы изобретения.
Например, патент DE 10319475A1 описывает генератор для получения и излучения импульсной энергии в микроволновом спектре (обычно обозначаемый как HPM - High Power Microwaves, Микроволны Большой Мощности), плотность энергии которого с более широкой шириной полосы частот пригодна, по меньшей мере, для неблагоприятного воздействия на радиообмен, происходящий поблизости, и, в частности, создания помех на входной стороне или даже разрушения электронных схем. С этой целью микроволновый генератор использует конструкцию антенны, согласованную с ним для излучения импульсной энергии. Микроволновый генератор питается от зарядной схемы с источником электрической энергии, а в случае мобильных приложений - от перезаряжаемой батареи и с электронным преобразователем напряжения посредством генератора Маркса импульсного напряжения, как это описано более подробно, например, в патенте DE 10 2004 020 342 A1. Его работа основана на блоке конденсаторов, заряжаемых параллельно, которые затем разряжаются через последовательно присоединенную нагрузку, и нагрузку - микроволновый генератор. Переключение, на последовательное соединение для умножения напряжения, основанное на ряде конденсаторов, предварительно заряженных параллельно в генераторе Маркса импульсного напряжения, выполняется срабатыванием и зажиганием искровых промежутков. С аппаратной точки зрения, устройство HPM, такое как это, которое может работать автономно, может быть размещено в таком контейнере, как относительно большой портфель, в котором зарядная схема, заряжаемый от нее генератор Маркса импульсного напряжения и питаемый от него микроволновый генератор вместе с соединенным по фланцу антенным конусом размещаются рядом друг с другом в трех аппаратных группах приблизительно одинакового размера.
Изобретение исходит из технической проблемы создания способа и устройства общего типа, требующего значительно меньшего пространства и меньшей электрической схемы при приблизительно том же спектре мощности HPM.
Решение задачи обеспечивается главными признаками, определенными в двух основных пунктах формулы. В соответствии с этими пунктами формулами микроволновый генератор, присоединенный за генератором Маркса импульсного напряжения и с антенной для получения и излучения импульсной энергии, полностью исключается, и вместо этого микроволновая энергия в данном случае получается и излучается самим генератором Маркса импульсного напряжения, который с этой целью действует как резонатор и емкостным образом запитанный диполь Герца с большими паразитными емкостями. Это позволяет избежать сложностей создания отдельного микроволнового генератора, снабженного антенной, со своими дополнительными искровыми промежутками, тем самым, уменьшая пространство, необходимое для аппаратных средств до приблизительно двух третьих относительно того, что требовалось ранее.
Генератор Маркса импульсного напряжения в последующем тексте обозначается просто как генератор Маркса, следуя общепринятой практике. Для того чтобы добиться наиболее эффективного применения этого генератора Маркса в качестве микроволнового излучателя, сформирован каскад конденсаторов Маркса, использующий сравнительно небольшие конденсаторы для получения малой постоянной времени зарядки, и эффективная выходная емкость зарядной схемы остается небольшой, например, в области порядка 2% (конкретно - обычная емкость конденсаторов Маркса составляет приблизительно 20 пФ при емкости каждого из них порядка 1000 пФ).
Паразитная емкость, обычно неизбежная, требуется в данном случае для осцилляционного отклика, в генераторе Маркса целенаправленно и искусственно повышена посредством электропроводящих пластин на двух краях конденсаторной стойки. Пластина диаметром 20 см в этом случае приводит к увеличению паразитной емкости генератора Маркса до приблизительно 10 пФ.
Дальнейшее улучшение радиочастотного осцилляционного отклика генератора Маркса, используемого непосредственно как микроволновой генератор, в соответствии с результатами изобретения, связано со снижением зарядных сопротивлений на входе отдельных конденсаторов Маркса, поскольку это ускоряет процесс разряда последовательной цепи. Поскольку в данном случае протекают только небольшие токи, то в качестве резисторов, устойчивых при высоких напряжениях, могут быть предпочтительно использованы коммерчески доступные электропроводящие пластики, пригодные и для большой механической нагрузки.
Использование внешне запускаемых переключателей искрового промежутка для каждой конденсаторной ступени в генераторе Маркса особенно выгодно для осцилляционного отклика, в этом случае резкого. Это позволяет избежать запуска одного искрового промежутка, только когда запущена предыдущая ступень в конденсаторном блоке, что обычно приводит к задержке переключения приблизительно на 1 нс на ступень. Центральный запуск всех переключателей искрового промежутка в то же самое время противоположным образом гарантирует, что из-за одновременного переключения всех конденсаторных ступеней от параллельной зарядки на последовательный разряд фактически нет потерь через их отдельные зарядные резисторы, и напряжение полностью из последовательной цепи от всех конденсаторных ступеней с соответствующими запускающими искровыми промежутками, расположенными между ними, реально готово к возбуждению радиочастотного резонанса через конденсаторные стоки, и что приводит к резко возрастающему излучению высокоэнергетического микроволнового импульса непосредственно из генератора Маркса.
Таким образом, особенно целесообразно использовать переключатели искрового промежутка, которые имеют третий электрод в качестве запускающего. Эти запускающие электроды могут быть все соединены между собой и могут быть соединены через последовательное сопротивление к потенциалу земли, тогда как конденсаторный блок заряжается биполярно (сбалансированно относительно потенциала земли). Поэтому, когда первый из искровых промежутков запускается, запускающие электроды во всех других искровых промежутках находятся, при одном из двух зарядных потенциалов относительно потенциала земли так, чтобы они все немедленно запустились вслед. Чем больше число таких, уже произошедших, переключений, тем больше разность потенциалов на еще оставшихся переключаемых промежутках, и они срабатывают еще более надежно и запускаются быстрее.
Электрически соединенные между собой запускающие электроды могут, тем не менее, так же все управляться совместно от высоковольтного импульсного генератора, который работает специально для этого. Когда запускающие электроды соединены последовательно, их запускающий импульс должен пройти по всей длине конденсаторного блока, который только что был заряжен для последующего последовательного разряда, но с задержкой по времени обычно порядка одной наносекунды на длину прохода порядка 30 см. Синхронность переключения может быть поэтому еще улучшена, если запускающие импульсы подаются на запускающие электроды неоднократно, симметрично так, чтобы эффективное время задержки запускающих импульсов было значительно сокращено разветвлением их непосредственно к искровым промежуткам.
В любом случае, в соответствии с изобретением, высокоэнергетические микроволновые импульсы могут теперь быть получены и излучаться посредством значительно более компактного устройства, поскольку генератор Маркса со своим конденсаторным блоком, который обычно сам связывает микроволновый генератор с согласованной антенной конструкцией, сам по себе используется непосредственно как резонатор и в то же самое время как антенный диполь Герца для излучения микроволновых импульсов высокой мощности, обходясь без микроволнового генератора и его антенны. В частности, осцилляционный отклик генератора Маркса может быть оптимизирован с аппаратной точки зрения посредством запускающих искровых промежутков для разрядного переключения конденсаторов и посредством оконечных пластин для увеличения паразитных емкостей конденсаторной схемы.
Дополнительные улучшения и варианты изобретения могут быть обнаружены в дополнительных пунктах формулы изобретения и следующем описании одного предпочтительного примера реализации решения в соответствии с изобретением, которое приведено на чертеже в общем виде, не в масштабе, и ограничивается тем, что функционально существенно. На единственной фигуре показана основная конструкция схемы генератора Маркса, который непосредственно излучает как микроволновый генератор.
Генератор Маркса импульсного напряжения, который в следующем тексте для простоты обозначается как генератор 11 Маркса, имеет стойку, содержащую n конденсаторов 12 (12.1-12.n) сравнительно большой емкости, которые для более плотной конструкции спакетированы так, как показано на схеме: смещенные в бок с промежутком в зигзагообразной форме для получения короткой стойки. Высоковольтный переключатель искрового промежутка 14 в виде двух электродов 13-13, которые должны быть сориентированы относительно друг друга, соединены последовательно с каждым из двух взаимно связанных конденсаторов 12-12.
Каждый из конденсаторов 12 заряжается параллельно от зарядной схемы 15 постоянного тока с предпочтительно биполярным высоким напряжением, величиной порядка нескольких десятков киловольт, при зарядном токе порядка одного миллиампера. Каждый конденсатор 12 предшествует соответствующему развязывающему резистору 16 в каждом из своих двух зарядных направлений, предохраняя от коротких замыканий через эти зарядные направления, когда искровой промежуток 14 запускается для соседнего конденсатора 12.
Пластины 19, выполненные из электропроводящего материала или имеющие проводящее покрытие, соединены с выходами 17 на краях генератора 11 и со стойкой конденсаторов 12-12, для увеличения паразитной емкости генератора 11 и, в противоположность основной иллюстрации, могут также быть размещены изолированно, непосредственно на конечных поверхностях корпуса генератора 11 Маркса.
В-третьих, все искровые промежутки 14 имеют запускающий электрод 19 между их электродами 13-13 для содействия запуску соответствующего искрового промежутка 14, таким образом, гарантируя, что последовательный разряд происходит по возможности одновременно по всем стойкам конденсаторов 12-12. Искровые промежутки 14 предпочтительно располагаются в генераторе 11 так, что пусковые электроды 19 все лежат в одной плоскости. Они могут поэтому механически поддерживаться в конструкции, геометрически соответствующей механической конфигурации искровых промежутков 14, выполненных на тонкой плате 20 из электропроводящего пластика (даже если только слабопроводящего) и таким образом в то же самое время электрически связанных друг с другом. Это высокорезистивное взаимное соединение запускающих электродов 19 предохраняет запускающие искровые промежутки 14 от коротких замыканий между конденсаторами 12 через запускающие электроды 19.
Это означает, что для установки и соединения всех запускающих электродов 19 только эта плата 20 должна быть размещена внутри генератора 11, чтобы электроды 13-13, с их соответственно присоединенными конденсаторами 12, могли располагаться поочередно на обеих сторонах одного из запускающих электродов 19 на плате 20. Относительно времени задержки импульса отдельные запускающие электроды 19 выполняются одинаковыми, один пусковой вход 21 пространственно симметрично многократно подключается к плате 20, как символически показано на чертеже.
Как выше указано, пусковой вход 21 может быть соединен с потенциалом 22 земли или запускающим генератором 23. Развязывающий резистор 24 от электрической схемы и несущей платы 20 до пускового входа 21 поддерживает емкостное время постоянным, что предохраняет существенный разряд конденсаторов 12 через запускающие электроды 19 на потенциал 22 земли или в запускающий генератор 23, прежде чем импульс HPM будет создан и излучен.
Запуски искровых промежутков 14 поэтому приводят к тому, что n конденсаторов 12 (12.1-12.n), которые прежде были заряжены в параллельной схеме, все оказываются электрически соединенными последовательно, в результате чего (фактически) n-кратное зарядное напряжение от зарядной схемы 15 осциллирует между выходами 17-17 и присоединенными пластинами 18, в результате чего генератор Маркса 11 излучает микроволновый импульс большой мощности непосредственно, действуя как резонатор и антенный диполь 25 Герца.
Список основных обозначений
11 Генератор Маркса (с 14 между 12-12)
12 Конденсаторы, количество n, пакетированные (12.1-12.n)
13 Электроды (14)
14 Искровые промежутки (между 12-12)
15 Зарядная схема (для 12, в параллельном)
16 Развязывающие резисторы (на входе 12)
17 Выходы (11)
18 Электропроводящие пластины (на 17)
19 Запускающие электроды (между 13-13 на 14)
20 Электропроводящая плата (для 19)
21 Пусковой вход (для 19)
22 Потенциал земли (в 21)
23 Развязывающий резистор (между 20 и 21)
24 Запускающий генератор (на 21)
25 Антенный диполь (в виде 11)