CN112687503A - 一种微波主动拒止系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波主动拒止系统，包括储能子系统、高压脉冲能量转换子系统、微波功率放大子系统、定向辐射天馈子系统；储能子系统与高压脉冲能量转换子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与微波功率放大子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与定向辐射天馈子系统连接；储能子系统作为一次电源，能够为微波主动拒止系统提供所需的全部能量；高压脉冲能量转换子系统的高压脉冲能量作为二次电源，能够提供高压脉冲等；本发明缩小了体积，增强了天线的工作效率以及辐射精度，具有灵活机动、即开即打以及多平台应用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波拒止系统领域，更为具体的，涉及一种微波主动拒止系统。
背景技术
微波拒止系统属于一种威慑类非致命武器，该武器利用电磁波的热敏效应，采用定向天线，将电磁波照射至人体皮肤，使其产生难以忍受的热疼痛感而终止敌对行动。
传统的微波拒止系统大都采用回旋电子管进行微波功率放大，存在需要高场强、输出时间长、体积庞大等问题，使用不灵活，不能即开即打，难以适应未来灵活作战的要求，且传统的微波拒止系统存在脉冲功率电源质量较差，天线的工作效率以及辐射精度较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微波主动拒止系统，缩小了体积，增强了天线的工作效率以及辐射精度，具有灵活机动、即开即打以及多平台应用等优点。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种微波主动拒止系统，包括：
储能子系统、高压脉冲能量转换子系统、微波功率放大子系统、定向辐射天馈子系统；储能子系统与高压脉冲能量转换子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与微波功率放大子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与定向辐射天馈子系统连接；储能子系统作为一次电源，能够为微波主动拒止系统提供所需的全部能量；高压脉冲能量转换子系统的高压脉冲能量作为二次电源，能够提供高压脉冲。
进一步地，所述储能子系统包括储能子系统控制终端，所述高压脉冲能量转换子系统包括充电电源、储能电容、放电开关组件；通过充电电源恒定的对储能电容放电，放电时触发放电开关组件，向负载放电，得到需要的脉冲波形；充电电源通过IGBT全桥逆变，将直流电转变为高频交流电，通过LC谐振腔进行谐振，变压器升压和隔离传输后，再采用高频高压二极管整流滤波。
进一步地，所述微波功率放大子系统包括微波驱动放大器和扩展互作用速调管，微波驱动放大器产生输入信号到氮化镓固态功率放大器，由氮化镓固态功率放大器当大后输入到扩展互作用速调管。
进一步地，所述定向辐射天馈子系统包括赋形反射面天线，能够对电磁波进行波束赋形，使天线的辐射区域与拒止目标区域相对应。
进一步地，所述储能子系统工作时的电压与电流的状态参数上传至储能子系统控制终端。
进一步地，所述储能电容包括油浸式电容器，放电开关组件包括多个绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述多个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联。
进一步地，所述扩展互作用速调管包括电子枪，以及在电子枪内部的阴极、聚焦极，电子枪与输入结构连接，输入结构与漂移管和谐振腔连接，漂移管与谐振腔连接，输出结构和收集极连接；电子注由电子枪发出后，经输入结构、漂移管、谐振腔到达输出结构和收集极连接。
进一步地，所述赋形反射面天线包括多馈源、双偏置反射面天线。
本发明的有益效果是：
(1)本发明系统具有结构紧凑、机动灵活、即开即打等优异特征，可固定部署于重要守护场所，也可安装在各类机动平台(如汽车、飞机以及轮船)，对近百米范围内的目标人群实施非致命驱散。
(2)本发明解决了传统回旋电子管需要高磁场强度(为达到高场强，通常需要采用低温超导技术)，造成微波输出需要长时间准备以及体积庞大等问题，达到了对目标人群的远距离定向作用效果。具体的，实施例中通过采用锂离子电池提供能量和IGBT二次电源控制模块，极大的缩小了供电子系统的脉冲功率电源质量以及体积大小；通过采用赋型反射面天线设计，增强了天线的工作效率以及辐射精度；本发明实施例微波主动拒止系统，具有灵活机动、即开即打以及多平台应用的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为微波主动拒止系统的结构框图；
图2为IGBT开关组件的结构示意图；
图3为扩展互作用速调管的结构示意图；
图中，电子枪1、阴极2、聚焦极3、输入结构4、电子注5、漂移管6、谐振腔7、输出结构8、收集极9。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～3所示，一种微波主动拒止系统，包括：
储能子系统、高压脉冲能量转换子系统、微波功率放大子系统、定向辐射天馈子系统；储能子系统与高压脉冲能量转换子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与微波功率放大子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与定向辐射天馈子系统连接；储能子系统作为一次电源，能够为微波主动拒止系统提供所需的全部能量；高压脉冲能量转换子系统的高压脉冲能量作为二次电源，能够提供高压脉冲。
进一步地，所述储能子系统包括储能子系统控制终端，所述高压脉冲能量转换子系统包括充电电源、储能电容、放电开关组件；通过充电电源恒定的对储能电容放电，放电时触发放电开关组件，向负载放电，得到需要的脉冲波形；充电电源通过IGBT全桥逆变，将直流电转变为高频交流电，通过LC谐振腔进行谐振，变压器升压和隔离传输后，再采用高频高压二极管整流滤波。
进一步地，所述微波功率放大子系统包括微波驱动放大器和扩展互作用速调管，微波驱动放大器产生输入信号到氮化镓固态功率放大器，由氮化镓固态功率放大器当大后输入到扩展互作用速调管。
进一步地，所述定向辐射天馈子系统包括赋形反射面天线，能够对电磁波进行波束赋形，使天线的辐射区域与拒止目标区域相对应。
进一步地，所述储能子系统工作时的电压与电流的状态参数上传至储能子系统控制终端。
进一步地，所述储能电容包括油浸式电容器，放电开关组件包括多个绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述多个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联。
进一步地，所述扩展互作用速调管包括电子枪1，以及在电子枪1内部的阴极2、聚焦极3，电子枪1与输入结构4连接，输入结构4与漂移管6和谐振腔7连接，漂移管6与谐振腔7连接，输出结构8和收集极9连接；电子注5由电子枪1发出后，经输入结构4、漂移管6、谐振腔7到达输出结构8和收集极9连接。
进一步地，所述赋形反射面天线包括多馈源、双偏置反射面天线。
在本发明的其他实施例中，微波主动拒止系统，可由锂电储能子系统、高压脉冲能量转换子系统、扩展互作用速调管微波功率放大子系统、赋形反射面定向辐射天馈子系统以及液冷子系统组成。该系统具有结构紧凑、机动灵活、即开即打等优异特征，可固定部署于重要守护场所，也可安装在各类机动平台(如汽车、飞机以及轮船)，对近百米范围内的目标人群实施非致命驱散。
根据微波主动拒止系统的应用背景需求，对本系统提出灵活机动、即开即打、有效作用范围近百米以及对目标作用人群的非致命伤害。本发明实施例系统采用的微波作用频率为94GHz，微波发射峰值功率为10kw，微波信号经过定向辐射天线照射到目标人群后，可以在人体皮肤表面0.3mm范围内产生灼热痛感。
微波拒止系统遵守能量守恒定律，整套系统的能量由锂电池提供，锂电提供的直流电压经过变压、整流以及逆变转换，经过高压脉冲能量转换子系统，形成多组万伏级的脉冲高压。EIK微波功率放大器属于电真空器件，采用高压脉冲激发高能电子束，经过真空管内部的电磁能量交互系统，将部分电子动能转换为电磁波能量。真空管输出的微波能经过定向发射天线传输至近百米内的作用目标人群。微波拒止系统的工作过程电能转换成微波能，由于这种能量的转换效率不高于20％，因此会有大部分的电能转换为热能，这会造成系统的温度上升，需要采用液体冷却来降低系统温度。
如图1～3所示，在微波拒止系统工作过程中，锂电池作为初始一次电源，可以提供整套系统所需的全部能量。高压脉冲能量转换作为二次电源，可以提供真空电子管所需的高压脉冲。EIK作为本系统的核心部件，可快速产生大功率微波信号。赋形反射面天线可以将微波能量定向辐射至作用区域，实现全方位、近百米区域的主动拒止。
锂离子电池储能子系统，作为本发明实施例系统唯一的能源供应，储能子系统的输出电压为DC500V，输出功率不小于100KW，电池容量不低于100Ah。在无外部能源补给条件下，可保障系统30min的用电需求。在充电输入功率不小于25kw时，单次充电时间不超过2h。当系统在接入市电条件下工作时，可以持续工作。电池在正常工作状态时，输出电压与电流的实时状态会实时上传至电池控制终端，在紧急状态下，电池控制终端可以对电池组进行过充、过放以及过温等预警保护。
高压脉冲能量转换子系统，由于本发明实施例系统选用的EIK真空管正常工作时需要采用80KV的阴极脉冲电压和40KV的收集极脉冲电压。高压电源采用电容充放电形式实现脉冲输出，电源包含充电电源、储能电容、放电开关组件。通过充电电源恒定的对电容放电，放电时触发开关组件，向负载放电，得到需要的脉冲波形。充电电源通过IGBT全桥逆变，将500V的直流电转变为高频交流电，通过LC谐振腔进行谐振，变压器升压和隔离传输后，再采用高频高压二极管整流滤波。根据电容电流和电压的关系计算出，阴极脉冲高压最小需要40uF的电容，收集极脉冲高压最小需要20uF的电容，为考虑高压绝缘选取油浸式电容器。开关组件选用多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联来实现，IGBT具有耐高压、可承受大功率、响应迅速、陡上升沿等优点，广泛应用于高压脉冲功率技术中，IGBT开关组件如图2所示。
微波功率放大子系统，作为本发明实施例系统的核心部分，扩展互作用速调管的性能决定了本套系统的各项指标参数。例如，EIK电真空管的工作效率决定了配套电源以及液冷系统的体积大小。作为电真空器件的一类——扩展互作用速调管(EIK)，具有高效率、高增益和自激易于抑制等优点。EIK主要由电子光学系统、高频系统、输入输出系统等组成，通过对电子注进行调制实现信号放大，扩展互作用速调管结构如图2所示。
EIK电真空管的输入信号由微波固态电路产生，本发明实施例系统所使用的微波频率源输出频段为W波段。为保证后续EIK电真空管的稳定工作，防止产生管内干扰与自激，要求频率源输出的激励信号相位噪声低于-100dBc/Hz@1kHz，杂散抑制大于60dBc。频率源输出的微波激励信号经过氮化镓固态功率放大器，可输出几瓦量级的微波信号，用于驱动EIK电真空器件工作。
EIK的基本结构主要包括电子枪、高频谐振系统、磁聚焦系统、输入输出结构以及收集极。电子枪的工作机理是利用阴阳极的电压差发射电子注，通过对聚焦极的设计来约束电子注的形状。高频谐振系统有多个谐振腔组成，其主要作用是促使电子注在谐振腔内与慢波线互作用，把电子注的电子能量转换为电磁波能量。磁聚焦系统的作用是确保由电子腔发射出来的电子受到洛伦兹力作用，使电子受到的库仑力、洛伦兹力以及圆周运动的向心力达到平衡，确保电子注在一定的半径通过高频谐振系统。收集极用来回收与高频谐振系统互作用后的电子注。
定向辐射天馈子系统，天馈子系统作为微波主动拒止系统的组成部分，其作用是将电磁能量聚焦，并指向作用目标，完成对目标群体的精准辐射。在主动拒止武器系统工作过程中，作用目标与区域随时会发生变化，这就要求天线的辐射区域也要随之改变。赋形反射面天线系统可以对电磁波进行波束赋形，使天线的辐射区域与拒止目标区域相对应。
根据拒止系统指标分解，本套天线系统的工作在W波段，系统可承受功率数十千瓦，远场辐射增益高于40dB，工作效率可达80％，天线作用区域可调。为达上述指标，本套天线系统采用多馈源、双偏置反射面方案。在天线工作过程中，通过调整多馈源阵列中各个单元的幅度与相位参数，可以改变天线的辐射特性，实现天线方向图赋形。而采用双反射面的结构方案，可以增加波束传播自由度，对大功率微波拒止信号的功率分布、副瓣电平以及工作效率等进行良好的控制。
为了达到对目标人群的远距离定向作用效果，本套微波源系统通过采用扩展互作用速调管(EIK)，解决了传统回旋电子管需要高磁场强度(为达到高场强，通常需要采用低温超导技术)，造成微波输出需要长时间准备时间以及体积庞大等问题。通过采用锂离子电池提供能量和IGBT二次电源控制模块，极大的缩小了EIK供电子系统的脉冲功率电源质量以及体积大小。采用赋型反射面天线设计，增强了天线的工作效率以及辐射精度。最终设计出的微波主动拒止系统具有灵活机动、即开即打以及多平台应用的特点。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。
Claims (8)
1.一种微波主动拒止系统，其特征在于，包括：
储能子系统、高压脉冲能量转换子系统、微波功率放大子系统、定向辐射天馈子系统；储能子系统与高压脉冲能量转换子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与微波功率放大子系统连接，高压脉冲能量转换子系统与定向辐射天馈子系统连接；储能子系统作为一次电源，能够为微波主动拒止系统提供所需的全部能量；高压脉冲能量转换子系统的高压脉冲能量作为二次电源，能够提供高压脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种微波主动拒止系统，其特征在于，所述储能子系统包括储能子系统控制终端，所述高压脉冲能量转换子系统包括充电电源、储能电容、放电开关组件；通过充电电源恒定的对储能电容放电，放电时触发放电开关组件，向负载放电，得到需要的脉冲波形；充电电源通过IGBT全桥逆变，将直流电转变为高频交流电，通过LC谐振腔进行谐振，变压器升压和隔离传输后，再采用高频高压二极管整流滤波。
3.根据权利要求1所述的一种微波主动拒止系统，其特征在于，所述微波功率放大子系统包括微波驱动放大器和扩展互作用速调管，微波驱动放大器产生输入信号到氮化镓固态功率放大器，由氮化镓固态功率放大器当大后输入到扩展互作用速调管。
4.根据权利要求1所述的一种微波主动拒止系统，其特征在于，所述定向辐射天馈子系统包括赋形反射面天线，能够对电磁波进行波束赋形，使天线的辐射区域与拒止目标区域相对应。
5.根据权利要求1所述的一种微波主动拒止系统，其特征在于，所述储能子系统工作时的电压与电流的状态参数上传至储能子系统控制终端。
6.根据权利要求2所述的一种微波主动拒止系统，其特征在于，所述储能电容包括油浸式电容器，放电开关组件包括多个绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述多个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联。
7.根据权利要求3所述的一种微波主动拒止系统，其特征在于，所述扩展互作用速调管包括电子枪(1)，以及在电子枪(1)内部的阴极(2)、聚焦极(3)，电子枪(1)与输入结构(4)连接，输入结构(4)与漂移管(6)和谐振腔(7)连接，漂移管(6)与谐振腔(7)连接，输出结构(8)和收集极(9)连接；电子注(5)由电子枪(1)发出后，经输入结构(4)、漂移管(6)、谐振腔(7)到达输出结构(8)和收集极(9)连接。
8.根据权利要求4所述的一种微波主动拒止系统，其特征在于，所述赋形反射面天线包括多馈源、双偏置反射面天线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210420 |