Патент на изобретение №2350011

(54) ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в качестве источника электромагнитного импульса, излучаемого в требуемом направлении. Изобретение может быть применено, например, при разработке малогабаритных источников зондирующих радиочастотных импульсов. Емкости и разрядные промежутки монтируются в две последовательные электрические цепи по схеме Маркса. Электрические цепи монтируются вдоль компланарных расходящихся линий и после срабатывания разрядных промежутков образуют направляющую структуру. Две электрические цепи соединяются между собой стартовым разрядным промежутком и замыкающей емкостью. После зарядки всех емкостей до одинакового высокого напряжения срабатывает стартовый разрядный промежуток и происходит последовательное по времени срабатывание остальных разрядных промежутков. При этом в сторону замыкающей емкости распространится электромагнитная волна, часть энергии которой может быть излучена в окружающее пространство. Технический результат – создание устройства, совмещающего в себе функции генератора высоковольтного импульса и излучающей антенны. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в качестве источника электромагнитного импульса, излучаемого в требуемом направлении. Изобретение может быть применено, например, при разработке малогабаритных источников зондирующих радиочастотных электромагнитных импульсов.

Известным устройством формирования импульсов напряжения является генератор, выполненный по схеме Маркса. Например, такой генератор описан в патенте RU 2300167, 2007 г. Генератор по этому патенту содержит емкости, последовательно соединенные через разрядные промежутки. Зарядка емкостей до требуемого высокого напряжения осуществляется за счет механической нагрузки подсоединенных параллельно к каждой емкости сегнетоэлектрических элементов. После зарядки емкостей до требуемого высокого напряжения происходит пробой разрядных промежутков и формируется высоковольтный импульс в нагрузке, имеющей гальваническую связь с цепью емкостей. К недостатку такого построения генератора высоковольтных импульсов следует отнести отсутствие эффективной направляющей структуры для передачи электрической энергии в требуемом направлении, что приводит к энергетическим потерям.

Для передачи энергии электромагнитного импульса в заданном направлении высоковольтный импульс, сформированный, например, в генераторе Маркса, может быть передан в направляющую структуру. Описание такого технического устройства приводится в работе «Импульсная электроника» / Г.А.Месяц. – М.: Наука, 2004. – с.686-703/. Эффективность передачи энергии электромагнитного импульса от генератора высокого напряжения в заданном направлении зависит от согласования параметров направляющей структуры с параметрами генератора и окружающим пространством. Направляющая структура может состоять, например, из коаксиальной или полосковой линии и хорн-антенны.

К недостаткам этого устройства можно отнести необходимость использования дополнительных пассивных элементов конструкции. Если на устройство накладываются жесткие ограничения по габаритам и массе, то этот недостаток может оказаться существенным.

Этот недостаток частично устраняется в устройстве по патенту US 5621255, 1997 г. В этом устройстве направляющая структура является составной частью генератора высоковольтных импульсов. Она служит не только для передачи электромагнитного импульса на выход генератора, но и для передачи электромагнитного импульса последовательно от одного разрядного промежутка к другому для обеспечения их поочередного срабатывания. В генераторе Маркса по этому патенту содержатся емкости, последовательно соединенные через разрядные промежутки, и полосковая двухпроводная линия. При этом один проводник этой линии выполняется в виде непрерывной полосы, а второй проводник разделен на отрезки, количество которых соответствует количеству емкостей, содержащихся в генераторе. Один из концов каждого отрезка подсоединен к емкости, а другой соответственно к разрядному промежутку. Кроме того, указанная полосковая двухпроводная линия имеет гальваническую связь с нагрузкой, на которой формируется высоковольтный импульс. К недостатку этого устройства, принятого за прототип, следует отнести невозможность непосредственного формирования электромагнитного импульса в заданном направлении в окружающем пространстве.

С помощью заявляемого генератора электромагнитного импульса решается задача формирования импульсного электромагнитного поля в окружающем генератор пространстве.

Техническим результатом предложения является создание устройства, совмещающего в себе функции генератора высоковольтного импульса и излучающей антенны.

В заявляемом генераторе импульсного напряжения, содержащем емкости, последовательно соединенные между собой через разрядные промежутки по схеме Маркса, для формирования электромагнитного импульса в заданном направлении в окружающем пространстве емкости и разрядные промежутки смонтированы в две электрические цепи, которые содержат одинаковое число емкостей и разрядных промежутков. Каждая из электрических цепей начинается с емкости и заканчивается разрядным промежутком.

Электрические цепи соединены между собой со стороны емкостей через стартовый разрядный промежуток, срабатывание которого происходит раньше срабатывания других разрядных промежутков. Со стороны разрядных промежутков электрические цепи соединены между собой через замыкающую емкость. Кроме того, электрические цепи монтируются в пространстве вдоль отрезков гладких компланарных (расположенных в одной плоскости) линий.

Электрические цепи из емкостей и разрядных промежутков, расположенные вдоль компланарных линий, образуют после срабатывания разрядных промежутков направляющую структуру, вдоль которой от стартового разрядного промежутка к замыкающей емкости может распространяться электромагнитная волна. Более точно, указанную направляющую структуру формируют проводящие элементы конструкции емкостей и разрядных промежутков. Часть энергии указанной электромагнитной волны может быть излучена в окружающее пространство в направлении движения этой волны по направляющей структуре.

Для повышения эффективности излучения электрические цепи могут монтироваться в пространстве вдоль отрезков гладких компланарных линий, расходящихся в направлении от стартового разрядного промежутка к замыкающей емкости. В этом случае направляющая структура, образованная электрическими цепями из емкостей и разрядных промежутков, будет функционировать подобно известной хорн-антенне.

Замыкающая емкость может представлять собой длинную двухпроводниковую линию. Эта длинная двухпроводниковая линия, может быть выполнена в виде хорн-антенны или в виде последовательно соединенных полосковой линии и хорн-антенны.

Для повышения эффективности распространения электромагнитной волны вдоль направляющей структуры, образованной электрическими цепями из емкостей и разрядных промежутков, направления напряженности электрических полей в емкостях могут быть расположены перпендикулярно к отрезкам компланарных линий, вдоль которых соответствующая электрическая цепь смонтирована и параллельны плоскости, в которой лежат указанные компланарные линии.

Для того чтобы стартовый разрядный промежуток срабатывал раньше остальных разрядных промежутков, он может быть выполнен управляемым или может иметь меньшую электрическую прочность по сравнению с остальными разрядными промежутками.

Для управления временной последовательностью срабатывания разрядными промежутками, они все или их часть могут быть образованы полупроводниковыми ключами.

Для рациональной зарядки схемы Маркса все емкости, образующие две электрические цепи, а также замыкающая емкость, целесообразно выполнить с одинаковыми электрическими емкостями. При этом из компоновочных соображений для обеспечения расходимости линий, вдоль которых формируются электрические цепи, конструкция замыкающей емкости может иметь увеличенный по сравнению с конструкциями других емкостей размер в направлении напряженности электрического поля в ней.

Основной физической идеей заявляемого генератора электромагнитного импульса является формирование из элементов конструкции емкостей и разрядных промежутков направляющей структуры – двухпроводной длинной линии, вдоль которой в направлении замыкающей емкости может распространяться электромагнитная волна, которая частично может быть излучена в окружающее пространство.

Для того чтобы после замыкания разрядных промежутков две электрические цепи заявляемого генератора образовали эффективную направляющую структуру, они должны иметь рационально распределенные вдоль их длины взаимную индуктивность и емкость.

Для обеспечения приемлемой взаимной емкости формируемой двухпроводниковой длинной линии элементы конструкции двух электрических цепей должны иметь развитые обращенные друг к другу поверхности. В качестве таких поверхностей могут использоваться имеющиеся обкладки емкостей. При этом емкости должны быть смонтированы в пространстве таким образом, чтобы направления напряженности электрических полей были перпендикулярны к отрезкам компланарных линий, вдоль которых соответствующая электрическая цепь смонтирована, и параллельны плоскости, в которой лежат указанные компланарные линии.

Две электрические цепи будут иметь взаимную емкость и при другой произвольной ориентации их емкостей. При этом конструкция заявляемого генератора останется работоспособной, но снизится его эффективность.

Для обеспечения приемлемой взаимной индуктивности двух электрических цепей их целесообразно смонтировать вдоль двух компланарных линий. Таким образом, после замыкания разрядных промежутков функционирование двух электрических цепей заявляемого генератора будет с определенными допущениями подобно функционированию двухполосной линии.

Для более эффективного формирования импульса в окружающем пространстве проводники длинной линии должны расходиться в направлении движения электромагнитной волны, как, например, в конструкции хорн-антенны.

В общем случае, импульс от заявляемого генератора может быть передан непосредственно в хорн-антенну или сначала в полосковую или коаксиальную линию.

В генераторе импульсов собранных по схеме Маркса целесообразно, что бы все емкости имели одинаковую величину и заряжались до одинакового начального напряжения. В противном случае, часть заряда, накопленного на обкладках емкостей, не будет участвовать в общем электродинамическом процессе.

Для обеспечения расходимости линий, вдоль которых монтируются две электрические цепи заявляемого генератора, конструкция замыкающей емкости должна иметь больший размер по сравнению остальными емкостями. Однако величина замыкающей емкости должна быть такой же, как и у остальных емкостей.

На Фиг.1 приведено схематическое изображение заявляемого генератора электромагнитного импульса.

На Фиг.2 приведена известная типовая электрическая схема зарядки емкостей, соединенных в схему Маркса.

На Фиг.3 представлено распределение тока вдоль электрической цепи емкостей в различные моменты времени.

Схема электрического поля, формируемого между обкладками емкостей, смонтированных в электрических цепях 3 и 4 приведена на Фиг.4.

На Фиг.5 представлено распределение изменения напряжения между емкостями, смонтированными в электрических цепях 3 и 4.

На Фиг.6 показана экспериментальная зависимость напряжения снимаемого с приемной штыревой антенны, отнесенного к линейному размеру этой антенны, от времени.

В заявляемом генераторе емкости 1 последовательно соединены между собой через разрядные промежутки 2 по схеме Маркса (Фиг.1). Емкости 1 и разрядные промежутки 2 смонтированы в две электрические цепи 3 и 4, содержащие одинаковое число емкостей и разрядных промежутков.

Емкости целесообразно выполнять из керамических конденсаторов с малой индуктивностью.

Разрядные промежутки в заявляемом устройстве могут быть выполнены по общеизвестным конструктивным схемам. Электроды разрядных промежутков устанавливаются на заданном расстоянии друг от друга в специальной газовой среде. При многократном формировании электромагнитного импульса заявляемым генератором целесообразно обеспечить продувку разрядных промежутков для смены газа после его электрического пробоя.

Электрические цепи 3 и 4 соединены между собой со стороны емкостей через стартовый разрядный промежуток 5 и через замыкающую емкость 6.

Электрические цепи 3 и 4 монтируются в пространстве вдоль отрезков гладких компланарных линий АВ и CD.

Монтаж электрических цепей может быть произведен, например, в кассетах, изготовленных из диэлектрического материала с высокой электрической прочностью. На рисунках кассеты не показаны. Указанные кассеты обеспечивают требуемое расположение электрических цепей в пространстве и увеличивают электрическую прочность генератора электромагнитного импульса. Кроме того, для повышения электрической прочности конструкции она может помещаться в специально подготовленное масло или в атмосферу газа с высокой электрической прочностью.

В частном случае, емкости 1 могут быть смонтированы таким образом, что направления 7 напряженности электрических полей в них перпендикулярны к отрезкам компланарных линий АВ и CD и лежат в плоскости, образуемой линиями АВ и CD.

Из компоновочных соображений для обеспечения расходимости линий АВ и CD конструкция замыкающей емкости 6 может иметь увеличенный по сравнению с конструкциями других емкостей размер в направлении 8 напряженности электрического поля в ней.

Устройство работает следующим образом. Предварительно емкости 1 и замыкающая емкость 6 заряжаются до заданного рабочего высокого напряжения. Зарядка емкостей производится от внешнего источника по одной из типовых схем, используемых для зарядки генераторов Маркса (Импульсная электроника / Г.А. Месяц. – М.: Наука, 2004). Например, зарядка емкостей может проводиться по схеме, приведенной на Фиг.2, от источника 9 высокого напряжения. Половина обкладок емкостей через резисторы 10 соединяется с источником 9 высокого напряжения. Другая половина обкладок емкостей через резисторы 10 соединяется с заземлением 11.

После зарядки всех емкостей до примерно одинакового рабочего напряжения происходит замыкание стартового разрядного промежутка 5. Для этого, при использовании в стартовом разрядном промежутке 5 управляемого разрядника, на него подается управляющий импульс. При использовании в стартовом разрядном промежутке 5 неуправляемого разрядника его электрическая прочность подбирается заведомо меньшей, чем электрическая прочность остальных разрядных промежутков 2.

После замыкания стартового разрядного промежутка 5 начинается последовательное в направлении от стартового разрядного промежутка 5 к замыкающей емкости 6 замыкание разрядных промежутков 2 одновременно в электрических цепях 3 и 4. При этом вдоль этих цепей, как по двухпроводной длинной линии, распространяется электромагнитная волна, которая может быть излучена в окружающее пространство. Одновременно в рассматриваемом генераторе электромагнитного импульса будут развиваться относительно низкочастотные колебания, связанные с перетеканием заряда между обкладками соседних емкостей.

Было проведено испытание частного исполнения заявляемого генератора электромагнитного импульса. Генератор электромагнитного импульса содержал 32 емкости, разделенные разрядными промежутками, по 16 емкостей в каждой из двух электрических цепей 3 и 4. Емкости выполнялись из керамических конденсаторов по 800 пФ каждый. Предварительно емкости 1 и замыкающая емкость 6 заряжались до напряжения порядка 20-25 кВ от источника высокого напряжения через резисторы по 50 кОм.

Управляемый стартовый разрядный промежуток срабатывал после подачи на него управляющего электрического импульса.

На Фиг.3 представлено распределение тока вдоль электрической цепи емкостей в различные моменты времени. По оси абсцисс отложены номера емкостей. Нумерация емкостей велась от стартового разрядного промежутка в направлении замыкающей емкости.

Между обкладками емкостей, смонтированных в электрических цепях 3 и 4, возникает электрическое поле (Фиг.4).

На Фиг.5 представлено распределение изменения напряжения между емкостями, смонтированными в электрических цепях 3 и 4. По оси абсцисс отложены номера емкостей. Нумерация емкостей велась от стартового разрядного промежутка в направлении замыкающей емкости.

Электрический ток, протекающий вдоль электрических цепей 3 и 4 (Фиг.3), формирует вектор напряженности магнитного поля, направленный перпендикулярно к плоскости рисунка, изображенного на Фиг.1. В свою очередь, вектор напряженности электрического поля между электрическими цепями 3 и 4 (Фиг.4 и 5) направлен вертикально в плоскости этого рисунка. Соответственно вектор Пойтинга, указывающий направление переноса электромагнитной энергии, направлен горизонтально в плоскости этого рисунка. Как видно из графиков, изображенных на Фиг.3 и 5, вдоль цепочки емкостей движется электромагнитная волна.

На Фиг.6 приведена экспериментальная зависимость напряжения снимаемого с приемной штыревой антенны, отнесенного к линейному размеру этой антенны, от времени. При проведении эксперимента, при котором была получена зависимость, изображенная на Фиг.6, штыревая антенна располагалась на расстоянии 8 м от исследуемого генератора электромагнитного импульса. Изображенный на Фиг.6 сигнал примерно соответствует максимальной напряженности электрического поля 7 кВ/м в контролируемой точке.

Формула изобретения

1. Генератор электромагнитного импульса, содержащий емкости, последовательно соединенные между собой через разрядные промежутки по схеме Маркса, отличающийся тем, что генератор смонтирован из двух электрических цепей, содержащих одинаковое число емкостей и разрядных промежутков, причем электрические цепи со стороны крайних емкостей соединены между собой через стартовый разрядный промежуток, а со стороны крайних разрядных промежутков соединены между собой через замыкающую емкость, при этом электрические цепи смонтированы в пространстве вдоль отрезков расходящихся компланарных линий.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что стартовый разрядный промежуток является управляемым или имеет меньшую электрическую прочность по сравнению с остальными разрядными промежутками.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что все или часть разрядных промежутков образованы полупроводниковыми ключами.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в емкостях, образующих электрические цепи, направления напряженности электрических полей перпендикулярны к отрезкам компланарных линий, вдоль которых соответствующая электрическая цепь смонтирована, и параллельны плоскости, в которой лежат указанные компланарные линии.

5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что все емкости, образующие две электрические цепи, а также замыкающая емкость имеют одинаковую электрическую емкость, при этом конструкция замыкающей емкости имеет увеличенный по сравнению с конструкциями других емкостей размер в направлении напряженности электрического поля в ней.

РИСУНКИ