高功率超宽频天线设计将电子战的固体介质的应用程序

文摘

本文提出了一种高功率超宽频天线为目的的远程中和简易爆炸装置。发达天线带宽230 MHz和2 GHz之间,以及最大实现增益为18.7 dB。天线结构包含一个固体电介质(HDPE 1000),这样就可以将驱动的,没有风险的可能的击穿电压,由马克思发生器提供了双相脉冲的峰值振幅+ /−250千伏、170 ps的上升时间,持续时间1 ns。获得的辐射电场仿真,分别为1 MV / m峰和126千伏/米峰的距离1米和10米。

1。介绍

在过去的几十年中,高功率电磁脉冲(HPEM)研究了对于各种各样的应用程序,从测试生物细胞(1)等军事目的的非致命性中和等移动目标的汽车或船只(2,3]。本文的目标是远程中和简易爆炸装置(IEDs)(见图1)通过加热电桥测量导线的雷管自燃温度的主要爆炸(4(例如,为铅酸350°C)。一旦启动,主炸药将引发二次爆炸,进而会引发爆炸装置的主要费用。直流电由6 V电池足以加热电桥测量导线几百摄氏度,这使得它类似于一个简单的灯泡的灯丝。切换机制可能不同根据预定目标;有被困的触发器(物理接触牵引或压力),延迟触发(电子/机械时钟或化学反应),或控制触发器(导线连接和无线电波)。

除了使用直流电,雷管可以激活通过电容器放电或电磁场暴露于一个事件(5,6]。电缆可以像天线允许辐射能量夫妇。模拟进行(7],几百名随机安排的电缆连接到IED雷管,强调最佳耦合频率500 MHz和2 GHz之间。在[8),美国陆军M6雷管进行了实验测试,表明所需的活化能是介于1和10倍木星质量。这些M6雷管也暴露于一个电磁场来确定耦合能量吸收的IED之间的比例,通过电缆和天线的影响交付。这些实验表明,耦合之间的比率是1/500和1/1000,这意味着1 J /影响将传输能源的几个乔丹雷管。这个积分通量水平可以直接转化为辐射电场峰值的600千伏/米或600 V / m,为各自的时间1 ns和1毫秒。

为了满足这种需求,建议的解决方案是一个非分散的超宽频天线(UWB)必须适应包括耦合频率和必须由一个+ /−250千伏双相脉冲由13-stage马克思发生器。发电机的输出脉冲宽度是1 ns,其上升时间是170 ps,其频谱覆盖2 GHz频段。的主要目标是实现积分通量水平1 J /或辐射电场峰值600千伏/米,最大可能的距离天线。本文开发了如下。部分2描述了高功率超宽频天线的设计,部分3介绍了获得仿真结果,部分4总结了纸。

2。高功率超宽频天线

天线设计的灵感来源于一个Koshelev天线(9)哪些特性从一个电偶极子和磁偶极子辐射组合,通过积极的循环和一个被动的循环。主动磁回路导致天线辐射;录音分离主动和被动磁回路已经能够获得最好的适应的最低频率(见图2 (c))。天线的输入匹配马克思发生器输出连接器的尺寸;然后连接到TEM喇叭和一个过渡到保持反射系数进行了优化不到10−dB (0.2 - 2) GHz频段。这种转变有一个角几何允许其尽可能方便地集成到一个介质块制造部分(见图2和3)。

HDPE 1000使用的介质,其物理性质是相对介电常数2.25,损耗角正切的1。 ,和高绝缘强度的90千伏/米,所需的电压水平。天线的实现融合一个固体电介质防止击穿问题,到目前为止,很少考虑由于装配复杂性。解决这个问题的其他出版物最常使用加压气体六氟化硫等( )(10,11];然而,这种气体在欧洲是被禁止的。

HDPE集成电源,是否开始之间的过渡,或者两个板块的TEM喇叭是至关重要的,以避免任何风险的击穿电压,因为在这些地方,电场水平将是最高的(见图4 (b))。33.75毫米的距离分开中心核心和外电源连接器的质量;这个间距被填充HDPE可以承受的最大电压3 MV(33.75毫米×90千伏/米),授予一个高安全系数:年代= 12 (3 MV / 250千伏)。HDPE位于顶部的过渡避免风险的击穿电压之间的垂直板天线,它充当一个机械质量。的圆柱部分介质增加之间的电气间隙和爬电距离的过渡,这不再是保护,竖直板(见图3(b))。底部的过渡和水平板间距为46毫米的距离,这在很大程度上是足够的因为这导致更高的安全系数比之前(年代= 16.5)。它的两个元素之间的HDPE的特殊性突出水平板的两侧也增加电气间隙和爬电距离(见图3(a))。然后从HDPE的最后过渡到天线的孔径来防止可能的电气风险,同时尊重一个阻抗进化从50来 。介质已经扩大到可能提供额外的安全,延长电气路径之间的上、下盘子的TEM喇叭(见图4(一))。

天线的高度、长度和宽度/ 2约60厘米的最低频率200 MHz(见图2(一个))。天线有一半介质圆柱在其正面(见图2 (c)),相当于一个圆柱形凸透镜,它提高了实现增益和方向性,以及固有的光束控制问题在这个天线几何(过渡从来都不是完全集中)。估计总质量220公斤:75公斤为304 L不锈钢和145公斤HDPE 1000。

3所示。仿真结果

全波模拟高功率超宽频天线进行了CST工作室套件是一个工业标准模拟器提供了准确的结果。层次遍历的电场结构指出,以确保其最大值不超过HDPE绝缘强度。天线是由信号由马克思发生器(见图5(一个))。最大电场,正如所料,在电源和天线(见图的过渡5 (b));测量的水平远低于介质击穿值:27 kV / m90千伏/米。天线应,从理论上讲,能够承受+ /−250千伏双相脉冲。根据反射系数 ,天线是用于0.23 - 2 GHz频段(见图6(一))和最优耦合频率500 MHz和2 GHz之间因此覆盖。这很好的适应与以下有关:(我)正确的大小的过渡确保50的保护电源之间的阻抗和TEM喇叭的开始(2)TEM喇叭演化阻抗从50来 ,允许进步后辐射传播的介质材料(3)主动磁回路的选择周边通过胶带的位置

实现增益的最大值为18.7 dB 2 GHz的频率(见图6 (b))。不同的天线辐射模式(E飞机和H在图平面)7对于不同的频率(500 MHz, 1 GHz 1.5 GHz, 2 GHz)。天线方向性增加适应高端的乐队。辐射电场被估计在不同距离天线:1米,2.5米,5米和10米(见图8(一个))。脉冲持续时间接近1 ns,峰值振幅值随1 MV / 126千伏/米,从最短的(参见图最长的距离8 (b))。使用模拟的影响估计脸面积1 ;这些都是放在前面的天线和集中,在1米的距离,2.5米,5米。功率流的使用监控允许计算功率由电磁波通过表面。这个量模量可以获得表面功率密度在W /表达 。监视器配置为计算表面功率密度在几个等距样本:从0到30 ns,这里的步骤0.05 ns,为了掩盖一个距离5米的天线(模拟10米的距离需要很长的计算时间)。与模拟的脸,然后可能的阴谋,在后处理中,他们每个人接收的最大表面功率密度作为时间的函数(见图9(一个)- - - - - -9 (c))。从这些情节,可以推导出影响通过执行一个集成(见图9 (d))。辐射电场峰值水平的600千伏/ m 1纳秒时间,从规范,只是观察到从天线的距离1.8米;对于影响,1 J /水平只有实现天线的距离1.2米。出于安全原因,必须达到这些水平在一个更大的距离;至少需要10米的距离如果测试雷管进行。几个观点可以探索以提高性能如下:(我)设计一个更大的天线或将其与一个抛物面反射器增加实现增益,从而获得更高的电场水平(2)使用雷达天线的输入来源,提供峰值功率较低,但在更长的时间,因此提高影响水平

4所示。结论

高功率超宽频天线的设计,以及相关的仿真结果,提出了目标是分析远程中和简易爆炸装置的能力。辐射电场得到天线的距离为1.8米(607千伏/米高峰)可以满足规范和保障,在理论上,雷管的射击。该天线可以定位在艺术的状态在性能方面(R.E = 1260千伏)如果我们比较它与其他大功率超宽频天线在同一频带(见下表1)。这将是在进一步确认一旦天线制造和测试工作。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢国防创新署(援助)的资助。

引用

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