DE102006014230A1

DE102006014230A1 - Array of high power microwave generators for radiating high field strength pulses

Info

Publication number: DE102006014230A1
Application number: DE200610014230
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Stark; Jürgen Dr. Urban
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11
Also published as: WO2007112850A1

Abstract

Die Integrationsdichte von DS-HPM-Generatoren (11) lässt sich spürbar erhöhen, also deren Leistungsfähigkeit bei gleichem Apparatevolumen (Anzahl der Generatoren pro Volumeneinheit) steigern bzw. das Apparatevolumen unter Beibehaltung der Abstrahlleistung verringern, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen zwischen den einander benachbarten Generatoren (11) durch Einbringen von Einlagen (14) mit gegenüber Luft (15) erhöhten Dielektrizitätskonstanten reduziert wird.The integration density of DS-HPM generators (11) can be noticeably increased, i.e. their performance can be increased with the same apparatus volume (number of generators per unit volume) or the apparatus volume can be reduced while maintaining the radiation power if the propagation speed of the electromagnetic waves between the neighboring ones Generators (11) is reduced by introducing inlays (14) with higher dielectric constants than air (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Array aus Mikrowellen-Generatoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to an array of microwave generators according to the preamble of claim 1.

Ein derartiges Array aus Hochleistungs-Mikrowellengeneratoren, die auch als DS-HPMs (damped sinusoidal high power microwavegenerators) bezeichnet werden, ist aus der DE 1 03 13 286 B3 bekannt. Er weist einen koaxialen Lambda-Viertel-Resonator auf, dessen Schwingverhalten einerseits von der Kapazität eines Zylinder-Kondensators und andererseits von den Induktivitäten eines Funkenstrecken-Entladeschalters zwischen den Kondensatorelektroden und der stromführenden Leiter bestimmt wird. Zum Aufladen der Kapazität bedient man sich vorzugsweise des so genannten Marx'schen Stoßspannungsgenerators (auch einfach als Marx-Generator bezeichnet). Die koaxial an die Innenelektrode des Kondensators anschließende, zwecks Impedanzanpassung gestreckt hohlkegelstumpfförmig sich öffnende Antenne zum Abstrahlen des nach Durchzünden der Funkenstrecke vom stark oszillierenden impulsförmigen Entladestrom hervorgerufenen elektromagnetischen Feldes weist eine Dipol-Abstrahlcharakteristik auf. Die mittels des Entladestromes originär erzeugte Länge des Hochspannungsimpulses beträgt typisch einige Nanosekunden bei einer Impulsleistung bis zu einigen Gigawatt; diese Energie wird dann infolge der Impedanzanpassung gedämpft sinusförmig abgestrahlt. Bei entsprechend abgestimmten Abständen zwischen den Generatoren einer Gruppe (Array) und zeitabgestimmtem Einsetzen deren Kondensator-Entladeströmen findet im Fernfeld infolge zeitlicher Synchronisation der abgestrahlten Wellenfronten deren additive Überlagerung statt.Such an array of high power microwave generators, also referred to as DS-HPMs (damped sinusoidal high power microwave generators), is known from US Pat DE 1 03 13 286 B3 known. It has a coaxial quarter-wave resonator whose oscillation behavior is determined on the one hand by the capacitance of a cylinder capacitor and on the other hand by the inductances of a spark gap discharge switch between the capacitor electrodes and the current-carrying conductor. To charge the capacity, it is preferable to use the so-called Marx pulse generator (also referred to simply as the Marx generator). The coaxial with the inner electrode of the capacitor subsequent, stretched for the purpose of impedance adjustment hollow truncated cone opening antenna for emitting the after ignition of the spark gap caused by the highly oscillating pulse discharge current electromagnetic field has a dipole radiation characteristic. The originally generated by means of the discharge current length of the high voltage pulse is typically a few nanoseconds at a pulse power up to a few gigawatts; this energy is then emitted sinusoidally attenuated due to the impedance matching. At appropriately tuned intervals between the generators of a group (array) and timed insertion of their capacitor discharge currents takes place in the far field due to temporal synchronization of the emitted wavefronts their additive superposition.

Derartige Mikrowellengeneratoren als solche und insbesondere auch ihr Gruppenbetrieb haben sich in der Praxis bereits außerordentlich bewährt, sie liefern die wohl derzeit höchsten mit mobiler Ausstattung abstrahlbaren Impulsfeldstärken (nämlich Feldstärken von weit über 100 kV/m, normiert auf einen Meter Abstand).such Microwave generators as such and in particular their group operation have already proven themselves in practice, they deliver the currently highest with mobile equipment radiating pulse field strengths (namely field strengths of more than 100 kV / m, normalized to one meter distance).

Allerdings hat sich gezeigt, dass das Gerätevolumen und somit auch das Gewicht einer solchen Gruppenanordnung sich unter Beibehaltung jener Leistungsklassen nicht derart verkleinern lassen, dass manuell oder mittels etwa fernsteuerbarer Manipulatoren einsetzbare Geräteeinheiten mit dieser hohen Fernfeld-Wirkleistung aufgebaut werden könnten. Denn bei zu dichter gegenseitiger Annäherung der Resonatoren, allgemein der Generatoren, kann es nicht nur zu Hochspannungsüberschlägen zwischen ihnen kommen, sondern vor allem zu einer Leistungseinbuße im resultierenden abgestrahlten Feld infolge nicht optimaler gegenseitiger Antennenabstände. Die anzustrebenden gegenseitigen Abstände sind durch die abgestrahlte DS-Mittenfrequenz mit etwa einem Viertel deren Wellenlänge gegeben. In Zusammenhang mit dieser Erkenntnis wurde im Vorfeld zu vorliegender Erfindung empirisch festgestellt, dass eine gerätetechnische Verdreifachung an Mikrowellengeneratoren der eingangs geschilderten Bau- und Funktionsart zwar im Fernfeld zu gut einer Verdopplung der abgestrahlten Feldstärken und damit zur vierfachen Leistung führt, aber die apparative Integrationsdichte „Feldstärke pro Gerätevolumen" (kV/m⁴) eine annähernd konstante Größe beibehält. Anzustreben ist jedoch bei gleichem Gerätevolumen eine Wirkverstärkung; bzw. bei gleicher Wirkleistung eine Verkleinerung des Gerätevolumens (und des damit einhergehenden Gerätegewichtes) im Interesse kleinbauender Arrays – für einen Einsatz etwa in einem Handgepäckstück, mittels Manipulatoren oder luftverbracht über größere Distanzen mittels Trägerprojektilen.However, it has been shown that the device volume and thus also the weight of such a group arrangement can not be reduced while maintaining those performance classes so that manually or by means of about remotely controllable manipulators usable device units could be built with this high far-field active power. For too close mutual approach of the resonators, generally the generators, it may not only come to high voltage flashover between them, but especially to a loss of power in the resulting radiated field due to non-optimal mutual antenna distances. The desired mutual distances are given by the radiated DS center frequency with about a quarter of their wavelength. In connection with this finding, it was found empirically in advance of the present invention that a device tripling of microwave generators of the initially described type of construction and function in the far field to well doubling the radiated field strengths and thus quadruple power, but the apparatus integration density "field strength "per Product volume (kV / m ⁴⁾ maintains a nearly constant size, however, be aimed at the same equipment volume an effective reinforcement; or with the same active power downsizing of the device volume (and the associated devices weight) in the interest of physically smaller arrays - for use as in. a hand luggage, by manipulators or airborne over long distances by means of carrier projectiles.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, ein gattungsgemäßes Mikrowellengenerator-Array anzugeben, dessen Gruppenbetrieb eine gesteigerte Leistungsdichte im Fernfeld trotz kleiner bauender Gesamtabmessung des Arrays erzielen lässt.In Recognition of these facts is the invention of the technical Problem to provide a generic microwave generator array, its group operation increased power density in the far field despite small overall dimensions of the array can be achieved.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Das erfindungsgemäße Reduzieren der Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen den einander benachbarten Generatoren wird zweckmäßigerweise durch hochspannungsfeste Einlagen erzielt, deren Dielektrizitätskonstanten größer als die der üblicherweise anzutreffenden Gase wie Luft (DK ca. 1) sind. Das führt bei einer apparativen (mechanischen) Abstandsverringerung, also einer höheren Packungsdichte, der Generatoren doch wieder zum bisherigen elektrischen Schwingungsverhalten. So wird mit der gleichen Anzahl von Generatoren trotz gedrängteren Aufbaus die gleiche Fernfeldwirkung erzielt. In der Umkehrung kann nun unter Anwendung der Einlagen zwischen benachbarten Generatoren im bisherigen Gerätevolumen eine größere Anzahl von Generatoren betrieben und dadurch die Wirkung der synchronen Überlagerung der ins Fernfeld abgestrahlten Wellenfronten noch signifikant gesteigert werden.These Task is inventively by the solved in the main claim specified essential features. The Reduce according to the invention the propagation velocity between the adjacent ones Generators is conveniently achieved by high-voltage resistant deposits, their dielectric constant greater than the usual are gases such as air (DK approx. 1). That leads an apparatus (mechanical) distance reduction, so one higher packing density, the generators but again to the previous electrical vibration behavior. So will with the same number of generators despite more crowded Build up the same far-field effect. In the reversal can now using the deposits between adjacent generators in previous device volume a larger number of Operated generators and thereby the effect of synchronous superposition the far-field emitted wavefronts are still significantly increased.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus der schematischen Prinzipdarstellung gemäß nachstehender, auch weitere Vorteile der Erfindung behandelnder Beschreibung der Zeichnung, in der zeigt:additional Alternatives and developments of the invention provide solution from the further claims and from the schematic diagram according to the following, also others Advantages of the invention treating description of the drawing, in the shows:

1 symbolisch den Stand der Technik mit Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle durch ein Gas wie insbesondere Luft zwischen zwei einander benachbarten Generatoren oben beschriebener Bauart (DS-HPMs), 1 symbolically the state of the art with propagation of an electromagnetic wave by a gas such as in particular air between two einan the adjacent generators of the type described above (DS-HPMs),

2 trotz nun einander dichter benachbarter Generatoren gleiches elektrisches Verhalten infolge reduzierter Ausbreitungsgeschwindigkeit durch eine zwischen ihnen angeordnete Einlage mit einer Dielektrizitätskonstanten, die größer als diejenige der Luft ist, und 2 despite now denser adjacent generators same electrical behavior due to reduced propagation velocity through an arranged between them insert with a dielectric constant that is greater than that of the air, and

3 den Ansatz einer bevorzugten praktischen Realisierung mit gestaffelt erhöhter Dielektrizitätskonstante der Einlage, hier in Form eines nichtmetallischen dickwandigen Behälters mit einer Flüssigkeitsfüllung. 3 the approach of a preferred practical realization staggered with increased dielectric constant of the insert, here in the form of a non-metallic thick-walled container with a liquid filling.

Die einander in Luft 15 benachbarten Mikrowellen-Generatoren 11 (hier 11.1 und 11.2) eines Generator-Array 12 bedingen wie oben erläutert einen gewissen gegenseitigen Mindest-Abstand 13 untereinander. Der ist in 1 unter symbolischer Darstellung der zwischen den Generatoren 11.1–11.2 sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle als Aufeinanderfolge zweier Sinusschwingungen veranschaulicht.The each other in air 15 neighboring microwave generators 11 (here 11.1 and 11.2 ) of a generator array 12 condition as explained above a certain mutual minimum distance 13 among themselves. He is in 1 under symbolic representation of between the generators 11.1 - 11.2 propagating electromagnetic wave illustrated as a succession of two sinusoids.

Dieser originär minimal zulässige Abstand 13 reduziert sich gemäß 2 auf einen geringeren Abstand 13', wenn die Phasengeschwindigkeit der Wellenausbreitung zwischen den einander benachbarten Generatoren 11.1–11.2 erfindungsgemäß reduziert wird. Dazu können die Generatoren 11.1–11.2 beiderseits einer Einlage 14 aus einem Material angeordnet werden, dessen Dielektrizitätskonstante (DK), wie etwa im Falle der meisten Kunststoffe, größer als diejenige der Luft 15 ist, beispielsweise im Falle von Acrylglas (DK ca. 3).This original minimum allowable distance 13 reduces according to 2 at a smaller distance 13 ' when the phase velocity of the wave propagation between the adjacent generators 11.1 - 11.2 is reduced according to the invention. These can be the generators 11.1 - 11.2 on both sides of a deposit 14 be arranged of a material whose dielectric constant (DK), such as in the case of most plastics, greater than that of the air 15 is, for example in the case of acrylic glass (DK about 3).

Da die Phasengeschwindigkeit (die Ausbreitungsgeschwindigkeit freier elektromagnetischer Wellen) der Quadratwurzel aus der relativen Dielektrizitätskonstante des nichtmetallischen Durchgangs-Mediums umgekehrt proportional ist, verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle durch die Einlage 14 hindurch. Weil sich also aufgrund der Einlage 14 mit ihrer vergrößerten Dielektrizitätskonstante die Phasengeschwindigkeit verkleinert, wird auf der bisherigen Strecke 13, gegenüber durch Luft 15, eine größere Anzahl von Schwingungen ausgeführt, wie in 2 durch die gegenüber 1 höherfrequente Sinusschwingung veranschaulicht.; bzw. die bisherige (1) Anzahl von Schwingungen wird gemäß 2 schon auf der kürzeren Strecke 13' durch die Einlage 14 hindurch ausgeführt. Der jeweilige Wellenzug behält aber die originären physikalischen Eigenschaften im Sinne gleichen hochfrequenztechnischen Verhaltens trotz unterschiedlicher Generator-Abstände 13 bzw. 13'.Since the phase velocity (free electromagnetic wave propagation velocity) is inversely proportional to the square root of the relative dielectric constant of the non-metallic passage medium, the propagation velocity of the electromagnetic wave through the liner decreases 14 therethrough. Because so because of the deposit 14 With its increased dielectric constant, the phase velocity is reduced, is on the previous track 13 , opposite by air 15 to run a greater number of oscillations, as in 2 through the opposite 1 high-frequency sine wave illustrated .; or the previous ( 1 ) Number of vibrations is calculated according to 2 already on the shorter route 13 ' through the insert 14 passed through. However, the respective wave train retains the original physical properties in the sense of the same high-frequency behavior despite different generator distances 13 respectively. 13 ' ,

Durch die Einlage 14 sind also die apparativen Abmessungen des Array 12 unter beibehaltenem elektrischem Verhalten in wünschenswerter Weise reduziert – bzw. in den gegebenen Abmessungen sind infolge dichterer Packung mehr Generatoren unterzubringen. Eine Einlage 14 mit beispielsweise einer DK 9 (gegenüber Luft mit DK 1) würde demnach die apparativen Abmessungen des Array 12 unter Beibehalten seiner Leistung auf ein Drittel verkleinern lassen; bzw. unter Beibehalten der Abmessungen, mit mehr Generatoren 11 entsprechend enger bestückt, eine auf das Dreifache gesteigerte Leistung erbringen.Through the insert 14 are the dimensions of the array 12 are reduced in a desirable manner under retained electrical behavior - or in the given dimensions are more generators to accommodate due to denser packing. A deposit 14 with, for example, a DK 9 (compared to air with DK 1) would therefore the apparatus dimensions of the array 12 reduce its performance to one-third while maintaining its performance; or while maintaining the dimensions, with more generators 11 equipped accordingly tighter, provide a threefold increased performance.

Die Einlage 14 muss nicht den gesamten Zwischenraum (Abstand 13) zwischen den einander benachbarten Generatoren 11 ausfüllen. Ein Wechsel aus Luft 15 und Einlage 14 würde nur zu einer gegenüber den Verhältnissen nach 2 geringeren resultierenden Abstandsverringerung führen. Ein krasser Dielektrizitätssprung an der Einlage 14 im Feld zwischen den Generatoren 11 kann allerdings zu Grenzschicht-Reflexionen führen, die das abzustrahlende elektromagnetische Feld und dadurch die wünschenswerte additive Fernfeldüberlagerung des Array 12 beeinträchtigen. Das ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch vermeidbar, dass eine Einlage 14 mit, etwa infolge Material- Dotierung oder wenigstens -Schichtung, von den auf die Generatoren 11 zu weisenden Enden zum dazwischen gelegenen Mittenbereich hin örtlich möglichst kontinuierlich (gradiell oder wenigstens stufig) ansteigender Dielektrizitätskonstante benutzt wird.The deposit 14 does not have the entire space (distance 13 ) between the adjacent generators 11 fill out. A change from air 15 and deposit 14 would only after one to the circumstances after 2 result in a smaller resulting reduction in distance. A dramatic increase in dielectricity at the insert 14 in the field between the generators 11 However, this can lead to boundary layer reflections, which are the electromagnetic field to be radiated and thus the desirable additive far-field superposition of the array 12 affect. This is according to a development of the invention thereby avoidable that an insert 14 with, for example, as a result of material doping or at least -layer, of the on the generators 11 to be pointed ends to the intermediate mid-point locally as continuously as possible (gradual or at least stages) increasing dielectric constant is used.

Für die Belange der Praxis hat sich eine nur zweifache Stufung eines Dreischichtenaufbaues schon als völlig ausreichend gegen störende Reflexerscheinungen beim Übergang der elektromagnetischen Wellen zwischen Luft 15 und Einlage 14 erwiesen. Solch ein zweistufiges Aufbau-Prinzip ist etwa gemäß 3 mit einer dreischichtigen Sandwich-Einlage 14 in Form nichtmetallischer dicker Wände 14' eines Behälters etwa aus Hartgummi oder Holz (DK ca. 3) bzw. Kunststoff ähnlicher Eigenschaften realisiert, der mit einem Material 14'' erheblich höherer Dielektrizitätskonstanter wie etwa Wasser (DK ca. 80) oder Keramik (DK > 100) gefüllt ist. Dieses Füll-Material 14'' bestimmt die demnach nun sehr geringe Phasengeschwindigkeit, also den nun nur noch sehr klein erforderlichen Generator-Abstand 13'', während das Material der Wände 14' elektrisch dem Impedanzübergang und zugleich apparativ als umschließender Behälter 14' dient.For the interests of the practice, only a two-fold grading of a three-layer structure has been completely sufficient against disturbing reflex phenomena in the transition of the electromagnetic waves between air 15 and deposit 14 proved. Such a two-stage construction principle is approximately according to 3 with a three-layer sandwich insert 14 in the form of non-metallic thick walls 14 ' a container made of hard rubber or wood (DK about 3) or plastic similar properties realized with a material 14 '' considerably higher dielectric constant such as water (DK about 80) or ceramic (DK> 100) is filled. This filling material 14 '' determines the therefore very low phase velocity, so now only very small required generator spacing 13 '' while the material of the walls 14 ' electrically the impedance transition and at the same time as an enclosing container 14 ' serves.

Die Integrationsdichte von DS-HPM-Generatoren 11 lässt sich somit spürbar erhöhen, also deren Leistungsfähigkeit bei gleichem Apparatevolumen (Anzahl der Generatoren pro Volumeneinheit) steigern bzw. das Apparatevolumen unter Beibehaltung der Abstrahlleistung verringern, wenn erfindungsgemäß die wirksame Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen zwischen den einander benachbarten Generatoren 11, deren zeitsynchron abgestrahlten Wellenfronten sich im Fernfeld wirkverstärkend überlagern sollen, insbesondere durch Einbringen von Einlagen 14 mit gegenüber Luft 15 erhöhten Dielektrizitätskonstanten reduziert wird.The integration density of DS-HPM generators 11 can therefore be increased noticeably, ie increase their performance with the same apparatus volume (number of generators per unit volume) or reduce the apparatus volume while maintaining the radiation power when erfindungsge According to the effective propagation velocity of the electromagnetic waves between the adjacent generators 11 , whose time-synchronously emitted wavefronts are intended to superimpose effective amplification in the far field, in particular by introducing inserts 14 with opposite air 15 increased dielectric constant is reduced.

1111: Generatoren (hier 11.1, 11.2)Generators (here 11.1 . 11.2 )
1212: Array (aus mehreren 11)Array (from several 11 )
1313: Abstand (zwischen 11.1–11.2)Distance between 11.1 - 11.2 )
13', 13''13 ', 13' ': zunehmend verringerte Abständeincreasingly reduced distances
1414: Einlage (zwischen 11.1–11.2)Deposit (between 11.1 - 11.2 )
14'14 ': Wandwall
14''14 '': Füll-MaterialFilling material
1515: Luft (zwischen 11.1–11.2)Air (between 11.1 - 11.2 )

Claims

Array ( 12 ) spaced from each other arranged high-power microwave generators ( 11 ) for emitting pulses of high field strength, characterized in that between the generators ( 11 ) one against propagation through air ( 15 ) Reduced propagation speed of the electromagnetic waves is provided.

Array according to the preceding claim, characterized in that between the generators ( 11 ) Insoles ( 14 ) of materials with dielectric constants greater than that of air ( 15 ) are provided.

Array according to one of the preceding claims, characterized in that the generators ( 11 ) under, with respect to distance operation ( 13 ) by air ( 19 ), reduced mutual distance ( 13 ' . 13 '' ) are arranged.

Array according to one of the preceding claims, characterized in that between the generators ( 11 ) Insoles ( 14 ) with one opposite air ( 19 ) higher, from the generators ( 11 ) are arranged towards their centers steadily or discontinuously increasing dielectric constant.

Array according to the preceding claim, characterized in that for the insert ( 14 ) A three-layer sandwich construction is provided.

Array according to the preceding claim, characterized in that for the insert ( 14 = 14 ' + 14 '' ) non-metallic walls ( 14 ' ) of a container in which a material ( 14 '' ) with a dielectric constant higher than that of the walls ( 14 ' ) of the container.

Array according to the preceding claim, characterized in that the insert ( 14 ) is a container made of hard rubber, wood or plastic, in which there is water or ceramic material.