EP1467510B1 - Mikrowellengenerator - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a microwave generator according to the preamble of claim 1.
- Such a generator is based on the fact that a high-voltage storage device, such as a capacitor battery previously charged in parallel according to the principle of the Marx impulse voltage circuit, is then discharged in series via switching spark gaps and discharged via a short-circuited spark gap.
- the resulting steep edge of strongly oscillating discharge currents contains a mixture of very high frequencies, which is emitted via the wiring or a separately connected antenna as microwave energy.
- This broadband microwave spectrum has such a high energy density that in the vicinity of such a microwave generator at least impaired radio communications and input circuits of electronic circuits due to resonance effects can be disturbed or even destroyed.
- a Marx high-voltage generator with a trigger spark gap at the first switching spark gap is known from FR 2 823 033 A in the form of a plastic-molded cylinder.
- circular ring-shaped, mutually parallel connected capacitors are grouped into a ring and several such rings axially stacked, between which the switching spark gaps are oriented axially parallel, in order to achieve a high energy balance with a compact design.
- a steep-edged voltage pulse can be influenced by electron beams.
- DE 3528338 C1 describes a rapid explosive-powered magnetic field compression for current amplification for a non-lethal weapon-effective magnetic field.
- a comparable technique is used in US 5,835,545 A for a compact intense radiation source.
- the present invention is based on the technical problem of emitting high-energy microwave energy as broadband as possible; and that of a microwave generator (also referred to as HPMW generator), which is self-sufficient in terms of its energy supply and dimensions unproblematic, it is particularly universal in terms of the spectrum of its radiation and in terms of energy density and thus its effective range.
- a microwave generator also referred to as HPMW generator
- the charging currents as well as the short-circuit currents then preferably run through an inductance common to all charge storage devices.
- This inductance which can be easily formed as a coaxial cable, causes a decoupling of the parallel charge memory to the effect that not be equally triggered at the first switching a discharge spark gap of all other discharge circuits, but only minimally offset in time to uncorrelated due to their individual response Use of each other then superimposed discharge currents and thereby by one of the Inductance specific focus around provide the very broadband spectrum of microwave energy.
- Each of the coupled via the common inductance L-C Entladenike resonates with a single pole to the inductance connected to the common antenna, which is initially charged with the charge storage and then with its discharge corresponding oscillating currents, ie the microwave spectrum radiates.
- About the length or impedance matching an antenna tuning to the highest possible efficiency for the just radiated center of gravity of the microwave spectrum is adjustable.
- the size of the inductance in the common discharge circuit can be used to shift the center of gravity of the microwave spectrum, namely with increasing inductance to larger wavelengths.
- the radiation is broadband if, instead of a simple conductor as antenna, a less slender structure, such as a short tube is used; expediently via a conically widening coupling piece for impedance matching of the short circuit to the squat antenna geometry.
- the discharging processes are self-regulating, that is, the charge storage devices are uncorrelated over their individual spark gaps, without any functional coupling being discharged, they can be cascaded virtually arbitrarily to increase the energy density and thus the effective range of the microwave generator.
- the parallel connection of sixteen charge stores with uncontrolled discharge spark gaps of a switching speed of the order of 80 KHz at the common antenna yields a high-energy broadband noise signal on the order of one MHz.
- the sketched in the drawing microwave generator 11 has a number of charge storage 12, which are electrically connected in each case with a discharge radio link 13 in series between a common ground rail 14 and a common pole rail 15.
- a charging resistor 17 is connected, on the other hand, is guided to a common charging rail 18.
- All series circuits of charge storage 129 and spark gap 13 is parallel between ground rail 14 and pole rail 15 an inductance 19, which is preferably designed as a short piece of a coaxial line as outlined.
- an antenna 21 for emitting microwave energy is connected to the pole rail 15.
- the adapter 23 may then be as sketched around a conical or frustoconical structure, such as a funnel-shaped hollow truncated cone between the pipe section as an antenna 21 and a connecting cable 24 to the pole rail 15th
- the ground rail 14 is placed on a common device ground 20.
- the charging rail 18 leads via an operating switch 25, which is preferably designed as a fast-switching spark gap, to a high voltage generator 26 as in the manner of a small-sized Marx surge circuit initially explained type, in turn, from a stationary or portable energy source 27 is fed, such as an interconnection of commercially available vehicle batteries.
- the first incipient discharge does not equal to trigger the other discharge spark gaps 13th ; but the speak only when the charge storage 12 associated with them in series are sufficiently charged.
- the memory 12 together with their discharge spark gaps 13 with (as sketched in the drawing) co-linear arrangement of their associated charging resistors 17 as (contrary to the sketched linear development) circle group between disk-shaped (approximately annular) rails 14-15-18 build, with arrangement of the inductance 19 between ground and pole rail 14-15 coaxially in the center of the circle group of the charge storage 12.
- the center of the Cover plate of the mechanical structure serving disc of the charging rail 18 is traversed at a passage 28 from the connecting cable 24 between the pole rail 15 in the antenna 21.
- the individual charging resistors are then guided by a ring of holes 29 in the disk of the pole rail 15 to the connection points 16 between memory 12 and spark gap 13.
- Such a microwave generator 11 thus has a parallel connection of series circuits comprising uncontrolled discharge spark gaps 13 and charge storages 12, which are charged via charge resistors 17 and an inductance 19 common to all parallel circuits from a high voltage generator 26 until the respective spark gaps 13 are extremely fast via arcs short-circuit and discharge the memory 12 via the inductor 19 again.
- the thus stochastically steep flanking, superimposed in the inductance 19 superimposed oscillating short-circuit currents are radiated via a single pole connected to this antenna 21 as a high-energy, in accordance with the arc switching speed broadband microwave spectrum determined by the inductance 19 spectral center of gravity.
- Such an electrically cascadable active system which can be used as a nonlethal disturber against communication connections and against the function of electronic circuits can be realized in the dimension of a manually operated suitcase or as a payload for a submunition projectile, a rocket or a drone and can thus be used over a wide range of effects.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Die Funktion eines solchen Generators beruht darauf, dass ein Hochspannungsspeicher, etwa eine gemäß dem Prinzip der Marx'schen Stoßspannungsschaltung zuvor parallel aufgeladene Kondensatorbatterie dann über Schalt-Funkenstrecken in Serie gelegt, über eine Kurzschluss-Funkenstrecke entladen wird. Die dadurch auftretende steile Flanke stark oszillierender Entladeströme enthält eine Mischung sehr hoher Frequenzen, die über die Leitungsführung oder über eine gesondert angeschlossene Antenne als Mikrowellenenergie abgestrahlt wird. Dieses breitbandige Mikrowellenspektrum weist eine so hohe Energiedichte auf, dass in der Umgebung eines solchen Mikrowellengenerators der Funkverkehr zumindest beeinträchtigt und Eingangskreise elektronischer Schaltungen aufgrund von Resonanzeffekten gestört oder sogar zerstört werden können.
- Ein Marx'scher Hochspannungsgenerator mit einer Trigger-Funkenstrecke bei der ersten Umschalt-Funkenstrecke ist aus der FR 2 823 033 A in der Bauform eines mit Kunststoff vergossenen Zylinders bekannt. Darin sind kreisringausschnittförmig berandete, einander parallel geschaltete Kondensatoren zu einem Ring gruppiert und mehrere derartige Ringe axial gestapelt, zwischen denen die Umschalt-Funkenstrecken achsparallel orientiert sind, um eine hohe Energiebilanz mit einem kompakten Aufbau zu erzielen.
- Etwa aus der US 4,845,378 A ist es bekannt, dort zum Generieren eines elektromagnetischen Pulses für die Simulation eines real ausgelösten nuklearen Impulses, Kondensatorbatterien über Funkenstreckenschalter der erwähnten Art umzuschalten.
- Gemäß der US 4760311 A ist ein steilflankiger Spannungsimpuls mit Elektronenstrahlen beeinflüssbar. Die DE 3528338 C1 beschreibt eine schnelle explosivstoffbetriebene Magnetfeldkompression zur Stromverstärkung für ein nicht letal waffenwirksames Magnetfeld. Eine vergleichbare Technik wird in der US 5,835,545 A für eine kompakte intensive Strahlungsquelle eingesetzt.
- Wegen der Beeinflussungsmöglichkeit von Funkverbindungen wird der Effekt einer intensiven Mikrowellenabstrahlung als nicht letales Wirkmittel gegen gegnerische Kommunikationssysteme propagiert, vgl. DER SPIEGEL, Heft 7/1997 S. 53 ff, dort Ende des dritten Absatzes der linken Spalte von Seite 54.
- Vorliegender Erfindung liegt die technische Problemstellung zu Grunde, hochenergetische Mikrowellenenergie möglichst breitbandig abzustrahlen; und das von einem Mikrowellengenerator (auch als HPMW-Generator bezeichnet), der hinsichtlich seiner Energieversorgung autark und hinsichtlich seiner Abmessungen unproblematisch verbringbar, dabei hinsichtlich des Spektrums seiner Abstrahlung sowie hinsichtlich der Energiedichte und damit seiner Wirkreichweite besonders universell einsetzbar ist.
- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebene Kombination der wesentlichen Merkmale gelöst, wonach die Energie aus einer Hochspannungsquelle zunächst in eine größere Anzahl von zueinander parallel geschalteten Ladungsspeichern umgeladen wird, die dann über selbsttriggemde Entlade-Funkenstrecken quasi gleichzeitig kurzgeschlossen werden. Das liefert in einen allen Ladungsspeichern gemeinsamen Entladekreis jeweils einen zeitlich begrenzten, steilflankig einsetzenden und stark oszillierenden Stromimpuls jeweils kurzer Dauer und hoher Amplitude aus sehr hochfrequenten Schwingungskomponenten, und ein entsprechend breites Frequenzspektrum bei deren zeitlich stochastischer Überlagerung, was zu einer hochenergetischen Mikrowellenabstrahlung über eine an den gemeinsamen Entladekreis angeschlossenen Antenne führt.
- Die Ladeströme wie danach auch die Kurzschlußströme verlaufen vorzugsweise über eine allen Ladungsspeichern gemeinsame Induktivität. Diese Induktivität, die einfach als Koaxialkabel ausgebildet sein kann, bewirkt eine Entkopplung der einander parallelgeschalteten Ladungsspeicher dahingehend, dass beim ersten Durchschalten einer Entlade-Funkenstrecke davon nicht gleich auch schon alle anderen Entladekreise getriggert werden, sondern erst aufgrund ihres individuellen Ansprechverhaltens minimal zeitlich versetzt zu unkorreliertem Einsatz der einander dann überlagerten Entladeströme führen und dadurch um einen von der Induktivität bestimmten Schwerpunkt herum das sehr breitbandige Spektrum an Mikrowellenenergie liefern.
- Jeder der über die gemeinsame Induktivität miteinander verkoppelten L-C-Entladekreise resoniert mit einer einpolig an die Induktivität angeschlossenen gemeinsamen Antenne, die zunächst mit den Ladungsspeichern aufgeladen wird und dann mit deren Entladen entsprechend oszillierende Ströme führt, also das Mikrowellenspektrum abstrahlt. Über deren Länge bzw. Impedanzanpassung ist eine Antennenabstimmung auf möglichst hohen Wirkungsgrad für den gerade abgestrahlten Schwerpunkt des Mikrowellenspektrums einstellbar. Über die Grö-ße der Induktivität im gemeinsamen Entladekreis lässt sich der Schwerpunkt des Mikrowellenspektrums verschieben, nämlich mit ansteigender Induktivität zu größeren Wellenlängen. Die Abstrahlung wird breitbandiger, wenn anstelle eines einfachen Leiters als Antenne ein weniger schlankes Gebilde, etwa ein kurzes Rohr eingesetzt wird; zweckmäßigerweise über ein konisch sich aufweitendes Koppelstück zur Impedanzanpassung von dem Kurzschlußstromkreis an die gedrungene Antennengeometrie.
- Weil die Entladevorgänge selbststeuernd sind, also die Ladungsspeicher über ihre individuellen Funkenstrecken unkorreliert, ohne irgendeine funktionale Kopplung entladen werden, lassen sie sich zur Vergrößerung der Energiedichte und damit der Wirkreichweite des Mikrowellengenerators praktisch beliebig kaskadieren. Insbesondere ergibt beispielsweise die Parallelschaltung von sechzehn Ladungsspeichern mit unkontrollierten Entlade-Funkenstrecken einer Schaltgeschwindigkeit in der Größenordnung von 80 KHz an der gemeinsamen Antenne ein hochenergetisches Breitband-Rauschsignal in der Größenordnung von einem MHz.
- Der geringfügige zeitliche Versatz des Ansprechens der einzelnen ungetriggert hochschnell durchschaltenden Entlade-Funkenstrecken und damit die stochastisch geringfügig gegeneinander zeitverschobene Überlagerung der Kurzschlussströme über die gemeinsame Entladeinduktivität des erfindungsgemäßen Mikrowellengenerators führt also zu einem breitbandigen Rauschsignal mit entsprechend breitbandigen Resonanzerscheinungen in Eingangsstufen elektronischer Schaltungen, die damit übersteuert und dadurch außer Funktion gesetzt oder sogar elektrisch überlastet und dadurch mechanisch zerstört werden können.
- Zusätzliche Alternativen Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche als Blockschaltbild abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in linearer Abwicklung einer Gruppe von mit individuellen Entlade-Funkenstrecken ausgestatteten, für den Ladevorgang einander parallel geschalteten Ladespeichern, die einpolig an eine Antenne zur Abstrahlung von Mikrowellenenergie angeschlossen sind.
- Der in der Zeichnung skizzierte Mikrowellengenerator 11 weist eine Anzahl von Ladungsspeichern 12 auf, die jeweils mit einer Entlade-Funktenstrecke 13 in Serie elektrisch zwischen eine gemeinsamen Masseschiene 14 und eine gemeinsame Polschiene 15 eingeschaltet sind. Am jeweiligen Verbindungspunkt 16 zwischen Ladungsspeicher 12 und Funkenstrecke 13 ist ein Ladewiderstand 17 angeschlossen, der andererseits an eine gemeinsame Ladeschiene 18 geführt ist. Allen Reihenschaltungen von Ladungsspeicher 129 und Funkenstrecke 13 parallel liegt zwischen Masseschiene 14 und Polschiene 15 eine Induktivität 19, die vorzugsweise wie skizziert als kurzes Stück einer Koaxialleitung ausgeführt ist. An die Polschiene 15 ist eine Antenne 21 zur Abstrahlung von Mikrowellenenergie angeschlossen. Die kann als einfaches schlankes Leiterstück (als Draht oder Stange) ausgebildet sein. Zweckmäßiger ist eine wie skizziert räumlich gedrungene Antenne 21 in Form etwa eines kurzen Bolzens oder Rohrstückes 22, die über ein Anpassstück 23 zur Impedanztransformation an die Polschiene 15 angeschlossen ist. Beim Anpassstück 23 kann es sich dann wie skizziert um ein kegelförmiges oder kegelstumpfförmiges Gebilde handeln, etwa um einen trichterförmigen Hohlkegelstumpf zwischen dem Rohrstück als Antenne 21 und einem Verbindungskabel 24 zur Polschiene 15.
- Die Masseschiene 14 ist auf eine gemeinsame Gerätemasse 20 gelegt. Die Ladeschiene 18 führt über einen Betriebsschalter 25, der vorzugsweise auch als schnell schaltende Funkenstrecke ausgelegt ist, zu einem Hochspannungsgenerator 26 etwa nach Art einer kleinbauenden Marx'schen Stoßspannungsschaltung eingangs erläuterter Art, der seinerseits aus einer stationären oder transportablen Energiequelle 27 gespeist wird, etwa einer Zusammenschaltung handelsüblicher Kraftfahrzeugbatterien.
- Wenn der Betriebsschalter 25 geschlossen (überbrückt) ist, wird die Ladeschiene 18 einpolig auf das Hochspannungspotential des Hochspannungsgenerators 26 gelegt, der mit seinem anderen Pol auf die Gerätemasse 20 geschaltet ist. Dadurch fließt für jeden Ladungsspeicher 12 ein Ladestrom über die Serienschaltung seines Ladewiderstandes 17 und die ihrerseits an die Gerätemasse 20 angeschlossene Induktivität 19. Bei hinreichender Aufladung eines Ladungsspeichers 12 spricht seine allein spannungsgesteuerte, also nicht fremdinitiierte, sehr schnell durchschaltende Funkenstrecke 13 an, und der Ladungsspeicher 12 entlädt sich mit einem dementsprechend steilflankig einsetzenden, stark oszillierenden Kurzschlussstrom zwischen Masseschiene 14 und Polschiene 15 über die Induktivität 19. Aufgrund der Entkopplung über die den Ladestromkreisen gemeinsame Induktivität 19 führt der erste einsetzende Entladestrom noch nicht gleich zum Triggern auch der weiteren Entlade-Funkenstrecken 13; sondern die sprechen erst an, wenn die ihnen in Serienschaltung zugeordneten Ladungsspeicher 12 hinreichend aufgeladen sind. Das führt zu einem zufallsbedingten, minimalen gegenseitigen Versatz des Einsetzens der einzelnen Entladeströme, und damit zu einer breitbandigen Stromoszillation über die nun im Entladekreis liegende gemeinsame Induktivität 19. Entsprechend oszilliert der Strom in der an die Polschiene 15 und somit an die Induktivität 19 angeschlossenen Antenne 21, was zur Abstrahlung dieses breitbandigen, hochenergetischen Mikrowellenspektrums führt.
- Für einen gleichermaßen kompakten Aufbau und um einen schnellen, gleichförmigen Ladevorgang aller dann quasi-gleichzeitig sich entladenden Ladungsspeicher 12 zu fördern ist es zweckmäßig, die Speicher 12 samt ihren Entlade-Funkenstrecken 13 mit (wie in der Zeichnung skizziert) kolinearer Anordnung der ihnen zugeordneten Ladewiderstände 17 als (entgegen der skizzierten linearen Abwicklung) Kreisgruppe zwischen scheibenförmigen (etwa ringförmigen) Schienen 14-15-18 aufzubauen, mit Anordnung der Induktivität 19 zwischen Masse- und Polschiene 14-15 koaxial im Zentrum der Kreisgruppe der Ladungsspeicher 12. Das Zentrum der als Deckplatte des mechanischen Aufbaus dienenden Scheibe der Ladeschiene 18 wird bei einer Durchführung 28 vom Verbindungskabel 24 zwischen der Polschiene 15 in der Antenne 21 durchquert. Die einzelnen Ladewiderstände sind dann durch einen Kranz von Löchern 29 in der Scheibe der Polschiene 15 an die Verbindungspunkte 16 zwischen Speicher 12 und Funkenstrecke 13 geführt.
- Ein derartiger, erfindungsgemäßer Mikrowellengenerator 11 weist also eine Parallelschaltung von Reihenschaltungen aus ungesteuerten Entlade-Funkenstrecken 13 und Ladungsspeichern 12 auf, die über Ladewiderstände 17 und eine allen Parallelschaltungen gemeinsame Induktivität 19 aus einem Hochspannungsgenerator 26 aufgeladen werden, bis die jeweiligen Funkenstrecken 13 über Lichtbögen extrem rasch kurzschließen und die Speicher 12 über die Induktivität 19 wieder entladen. Die damit stochastisch steilflankig einsetzenden, einander in der Induktivität 19 überlagerten oszillierenden Kurzschlußströme werden über eine einpolig an diese angeschlossene Antenne 21 als hochenergetisches, nach Maßgabe der Lichtbogen-Schaltgeschwindigkeit breitbandiges Mikrowellenspektrum mit durch die Induktivität 19 bestimmtem spektralem Schwerpunkt abgestrahlt. Ein solches als nichtletaler Störer gegen Kommunikationsverbindungen und gegen die Funktion elektronischer Schaltkreise einsetzbares, elektrisch kaskadierbares Wirksystem lässt sich in der Dimension eines manuell verbringbaren Koffers oder auch als Nutzlast für ein Submunitionsgeschoss, eine Rakete oder eine Drohne realisieren und damit über einen weiten Wirkbereich einsetzen.
Claims (6)
- Mikrowellengenerator (11) mit Ladungsspeicher (12) und ihm in Serie geschalteter ungetriggerter Entlade-Funkenstrecke (13),
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mehrzahl derartiger Serienschaltungen aus Ladungsspeicher (12) und Funkenstrecke (13) einander parallelgeschaltet sind, mit Anschluss einer Antenne (21) an die einpolige Zusammenschaltung der Ladungsspeicher (12) mit Anschluss von Ladewiderständen (17) an die Verbindungspunkte (16), an denen die Ladungsspeicher (12) mit ihren Entlade-Funkenstrecken (13) in Serie geschaltet sind, und mit einer Serien-Induktivität (19), die in einen für alle Ladungsspeicher (12) gemeinsamen Entladekreis eingeschaltet ist, welcher zwischen der von den Funkenstrecken (13) abgelegenen einpoligen Zusammenschaltung der Ladungsspeicher (12) und der von den Ladungsspeichern (12) abgelegenen einpoligen Zusammenschaltung der Funkenstrecken (13) verläuft. - Mikrowellengenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ladungsspeicher (12) einpolig an eine gemeinsame Polschiene (15), die Funkenstrecken (13) einpolig an eine gemeinsame Masseschiene (14) und die Ladewiderstände (17) einpolig an eine gemeinsame Ladeschiene (18) angeschlossen sind. - Mikrowellengenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ladewiderstände (17) alle gemeinsam einpolig an einen Hochspannungsgenerator (26) anschaltbar sind. - Mikrowellengenerator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schienen (14, 15, 18) scheibenförmig ausgebildet sind, und dass, kolinear zu den Ladewiderständen (17) der Serienschaltungen, die Serienschaltungen aus Ladungsspeichern (12) und Funkenstrecken (13) kolinear aufgebaut und um die Induktivität (19) herum gruppiert sind. - Mikrowellengenerator nach dem vorangehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antenne (21) über eine Durchführung (28) in der scheibenförmigen Ladeschiene (18) hindurch bei der Induktivität (19) an die Polschiene (15) angeschlossen ist. - Mikrowellengenerator nach dem vorvorangehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die kolinear mit den Ladungsspeichern (12) und ihren Funkenstrecken (13) angeordneten, einerseits an die scheibenförmige Ladeschiene (18) angeschlossenen Ladewiderstände (17) andererseits durch Löcher (29) in der scheibenförmigen Polschiene (15) hindurch an die Verbindungspunkte (16) der ihnen zugeordneten Ladungsspeicher (12) zu den Funkenstrecken (13) angeschlossen sind.
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