[0001] Die Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] Gemäß der US 4760311 A ist ein steilflankiger Spannungsimpuls mit Elektronenstrahlen
beeinflüssbar. Die DE 3528338 Cl 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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 Größe 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 Antennenengeometrie.
[0010] Weil die Entladevorgänge selbststeuernd sind, also die Ladungsspeicher über ihre
individuellen Funkenstrecken unkorreliert, ohne irgendeine funktonale 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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 Pohlschiene 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 Pohlschiene 15 eine Induktivität 19,
die vorzugsweise wie skizziert als kurzes Stück einer Koaxialleitung ausgeführt ist.
An die Pohlschiene 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 Pohlschiene 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 Pohlschiene 15.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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
Pohlschiene 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.
[0017] 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.
1. 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) und Anschluss von Ladewiderständen (17)
an die Verbindungspunkte (16) zwischen den ihnen jeweils zugeordneten Ladungsspeichern
(12) und deren Entlade- Funkenstrecken (13).
2. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Serien-Induktivität (19) im gemeinsamen Entladekreis aller Ladungsspeicher (12)
zwischen deren von der Funkenstrecke (13) abgelegenen Ende des Ladungsspeichers (12)
und dem vom Ladungsspeicher (12) abgelegenen Ende der Funkenstrecke (13) eingeschaltet
ist.
3. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1 oder 2, 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.
4. Mikrowellengenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladewiderstände (17) alle gemeinsam einpolig an einen Hochspannungsgenerator
(26) anschaltbar sind.
5. Mikrowellengenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienen (14, 15, 18) scheibenförmig ausgebildet sind und kolinear zu deren Ladewiderständen
(17) die ihrerseits kolinear aufgebauten Serienschaltungen aus Ladungsspeichern (12)
und Funkenstrecken (13) um die Induktivität (19) herum gruppiert sind.
6. 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.
7. 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.