Generatoare de Impulsuri – Aplicații în Contramăsuri Anti-Drone

Extras din „Electronică Avansată pentru Apărare și Securitate”, Ediția a III-a

1 Introducere

Un generator de impulsuri pentru doborârea dronelor este un dispozitiv electronic conceput pentru a perturba semnalele radio (RF) sau GPS ale unei drone, fie prin saturarea receptorului său cu zgomot, fie prin blocarea frecvențelor critice de control (de ex., 2,4 GHz, 5,8 GHz) sau de navigație (GPS L1: 1,575 GHz). Acest capitol explorează construcția unui sistem de bază, cu accent pe principiile de funcționare și etapele practice.

2 Principiul de Funcționare

Un generator eficient trebuie să emită impulsuri RF modulate pe benzi de frecvență specifice, cu o putere suficientă pentru a acoperi raza de acțiune a dronei. Etapele cheie sunt:

a. Generarea frecvenței purtătoare: Un oscilator RF sintetizat digital (DDS) sau un oscilator cu cristal de cuarț generează o frecvență centrală (de ex., 2,4 GHz).

b. Modulația impulsurilor: Semnalul RF este „tăiat” în impulsuri scurte (1–10 µs) folosind un circuit de comutare (ex.: PIN diode).

c. Amplificarea puterii: Un amplificator RF (clasa C) mărește puterea semnalului până la 10–50 W.

d. Radierea semnalului: O antenă direcțională (Yagi-Uda, horn) focalizează energia spre țintă.

3 Componente Cheie
3.1 Oscilatorul RF

· Sinteză digitală directă (DDS): AD9850 sau AD9834 pot genera frecvențe precise între 1 MHz–100 MHz, urmate de un multiplicator de frecvență (ex.: circuit cu varactor diodă) pentru a ajunge la GHz.

· Oscilator cu cristal: Un cristal AT-cut la 100 MHz, cu triplare de frecvență (3×) pentru 300 MHz și amplificare cu tranzistoare RF (ex.: BFG35).
3.2 Modulatorul de Impulsuri

· Generator de impulsuri: Un microcontroler (Arduino) sau circuit 555 generează impulsuri dreptunghiulare (TTL) cu factor de umplere ajustabil.

· Comutator RF: Diode PIN (ex.: MA4P2740) controlează trecerea semnalului RF în sincron cu impulsurile TTL.
3.3 Amplificatorul de Putere

· Tranzistoare RF: MRF300 sau MRF101AN pentru gamele 1–500 MHz.

· Adaptare de impedanță: Rețele LC (L-match) asigură transfer maxim de putere între etaje.
3.4 Antena

· Antenă Yagi-Uda: Proiectată pentru 2,4 GHz, cu elemente parazite pentru direcționalitate.

· Calcul lungime de undă:

λ=cf=3×1082,4×109=0,125 m (12,5 cm)λ=fc=2,4×1093×108=0,125m(12,5 cm)

Lungimea dipolului: λ2=6,25 cm2λ=6,25cm.

4 Schema Electrică

a. Etapa oscilator:

o DDS AD9850 → multiplicator cu varactor (3×) → filtru trece-bandă (2,4 GHz).

b. Modulator:

o Semnal DDS + impulsuri Arduino (10 kHz) → diodă PIN.

c. Amplificator:

o Etaj driver (BFG35) → etaj final (MRF300) cu radiator termic.

5 Asamblare și Testare

a. Montaj PCB: Folosește substrat RF (Rogers RO4003) pentru minimizarea pierderilor.

b. Testare cu analizor de spectru: Verifică puritatea semnalului și absența armonicilor nedorite.

c. Calibrare direcționalitate: Orientează antena spre un dron de test în condiții controlate.

6 Avertizări Critice

· Legalitate: Utilizarea generatoarelor RF este strict reglementată (FCC, ANCOM). Perturbarea semnalelor este ilegală fără autorizație.

· Eficiență: Sistemele comerciale folosesc tehnici avansate (DRFM, beamforming). Acest proiect este strict educațional.

7 Concluzii

Construcția unui generator anti-drone necesită integrarea componentelor RF de înaltă precizie și atenție la reglementări. Experimentarea responsabilă este esențială pentru evitarea consecințelor legale sau a interferențelor periculoase.

*Notă: Acest material este destinat scopurilor educaționale. Autorul nu își asumă răspunderea pentru utilizarea neautorizată a informa

Manual Tehnic: Construcția unui Generator de Impulsuri de Înaltă Putere pentru Aplicații Experimentale

Prefață: Principii, Capacități și Responsabilități în Generarea Impulsurilor de Înaltă Putere

Introducere în Vulnerabilitățile Dronelor la Impulsuri Electromagnetice (EMP) și Microunde de Înaltă Putere (HPM)
Energia electromagnetică de mare intensitate poate perturba sau distruge componentele electronice sensibile din interiorul Vehiculelor Aeriene fără Pilot (UAV), cunoscute sub numele de drone. Această vulnerabilitate stă la baza conceptului de neutralizare a dronelor prin mijloace electromagnetice.
Principalele subsisteme ale dronelor susceptibile la interferențe includ:

Sisteme GPS și de Navigație: Radiațiile HPM pot cauza pierderea semnalelor de la sateliți, ducând la erori de poziționare sau la pierderea completă a capacității de navigație.1 Acest fenomen este adesea rezultatul cuplării unor impulsuri de înaltă tensiune pe cablurile de alimentare și de semnal conectate la modulul GPS.1
Unități de Control și Controlere de Zbor: Interferențele pot perturba comunicația dintre Unitatea de Măsurare Inerțială (IMU) și unitatea de control, cauzând estimări incorecte ale atitudinii și un comportament de zbor erratic.2 De asemenea, HPM poate provoca oprirea UAV-ului prin distorsionarea semnalelor PWM (Pulse Width Modulation) către Controlerele Electronice de Viteză (ESC).1
Legături de Date (Comandă și Control - C2, Telemetrie): HPM poate întrerupe legătura de comunicație dintre dronă și stația de la sol.1 Acest lucru se poate întâmpla chiar și la intensități relativ scăzute ale câmpului electromagnetic, dacă frecvența interferenței este apropiată de frecvența de operare a legăturii de date sau de armonicele acesteia.3
Motoare și ESC-uri: Deteriorarea directă (arderea) motoarelor și a ESC-urilor poate apărea din cauza cuplării prin HPM a unor impulsuri de înaltă tensiune pe cablurile de conectare.1

Mecanismele de cuplaj prin care energia electromagnetică pătrunde în sistemele dronei sunt diverse:

Cuplaj prin "Ușa din Față" (Front-Door Coupling): Interferența pătrunde prin antene sau căi RF intenționate. Această metodă este deosebit de eficientă dacă frecvența HPM corespunde frecvențelor operaționale ale dronei.1
Cuplaj prin "Ușa din Spate" (Back-Door Coupling): Interferența pătrunde prin căi neintenționate, cum ar fi cabluri neecranate, deschideri în carcasă sau linii de alimentare. Cablurile sunt identificate ca o cale principală de cuplare a energiei HPM.1

Efectele iradierii HPM/EMP asupra dronelor pot fi clasificate în:

Neutralizare Temporară (Soft Kill): Perturbare temporară, blocarea sistemului, pierderea controlului, întreruperea legăturii de date. Recuperarea poate fi posibilă după încetarea interferenței sau printr-o resetare a sistemului.4 Pragurile pentru neutralizarea temporară pot fi de până la 50 V/m 4, sau chiar <1 V/m pentru interferențe în bandă.3
Neutralizare Permanentă (Hard Kill): Deteriorare permanentă, arderea componentelor (de exemplu, LNA-uri, ESC-uri, motoare, microprocesoare), deteriorare structurală la intensități foarte mari.1 Pragurile pentru ardere pot depăși 50 kV/m 4, deși componentele sensibile precum tranzistoarele MESFET cu GaAs se pot deteriora la nivele de energie mult mai scăzute (10−7 J).5

Pe măsură ce sistemele UAV devin din ce în ce mai complexe, acestea devin și mai susceptibile la mediul electromagnetic.6 Studiul acestor vulnerabilități este esențial nu doar pentru dezvoltarea de contramăsuri, ci și pentru proiectarea unor drone mai rezistente la interferențe electromagnetice. Informațiile despre frecvențele specifice, căile de cuplaj și defecțiunile componentelor sub acțiunea HPM sunt valoroase în ambele direcții: atât pentru optimizarea generatoarelor de impulsuri, cât și pentru implementarea unor măsuri de protecție eficiente (ecranare, filtrare, selecția componentelor) în drone.

Concepte Fundamentale ale Generării Impulsurilor de Înaltă Energie
Generarea impulsurilor de înaltă energie se bazează pe principiul stocării energiei, de obicei în condensatoare, și descărcarea rapidă a acesteia pentru a crea un impuls de mare putere. Parametrii cheie care definesc un astfel de impuls includ: tensiunea de vârf, curentul de vârf, lățimea impulsului, timpul de creștere, energia impulsului și rata de repetiție.
Este important de diferențiat între impulsul electromagnetic (EMP), care are un conținut spectral larg, și microundele de înaltă putere (HPM), care sunt de obicei în bandă mai îngustă și la frecvențe mai înalte.7 HPM sunt considerate mai eficiente împotriva componentelor electronice și mai dificil de ecranat.7
Avertisment Critic de Siguranță și Considerații Etice
PERICOL EXTREM: Construcția și operarea unui dispozitiv capabil să genereze impulsuri electromagnetice de înaltă putere sunt extrem de periculoase din cauza tensiunilor înalte, curenților de vârf ridicați și radiațiilor RF potențial dăunătoare. Acesta nu este un proiect pentru începători.
Cunoștințe Specializate Necesare: Realizarea cu succes și în siguranță a unui astfel de generator necesită cunoștințe avansate de electronică, inginerie de înaltă tensiune și principii RF.
Legalitate: Construcția și utilizarea dispozitivelor concepute pentru a interfera cu sau a deteriora aeronave (inclusiv drone) sunt ilegale în majoritatea jurisdicțiilor și atrag după sine penalități severe. Acest manual este destinat EXCLUSIV scopurilor educaționale și înțelegerii teoretice a principiilor implicate. Orice tentativă de construcție sau operare se face pe riscul exclusiv al utilizatorului și trebuie să respecte toate legile aplicabile.
Utilizare Etică: Se impune o discuție asupra potențialului abuz al unei astfel de tehnologii și asupra responsabilității inginerilor și oamenilor de știință.
Daune Colaterale: Sistemele HPM pot afecta sistemele electronice neintenționate, iar prevenirea daunelor asupra activelor prietene reprezintă o provocare majoră.7
Având în vedere natura periculoasă și potențial ilegală a dispozitivului descris, acest manual trebuie considerat ca având un scop pur educațional. Aceasta este o clauză standard pentru informații tehnice sensibile. Deși se solicită detalii despre "modul de construire", ceea ce implică un ghid practic, perspectiva expertului trebuie să prioritizeze siguranța și legalitatea. Prin urmare, manualul va accentua puternic aspectul teoretic/educațional și va include avertismente severe privind siguranța și legalitatea, gestionând astfel obligațiile etice ale expertului, răspunzând în același timp solicitării utilizatorului pentru detalii constructive.

Capitolul 1: Arhitectura Sistemului unui Generator de Impulsuri HPM

Diagrama Bloc Funcțională și Prezentarea Generală a Subsistemelor
Un generator tipic de impulsuri HPM este compus din mai multe subsisteme interconectate, fiecare având un rol specific în generarea și livrarea impulsului de înaltă putere. O diagramă bloc funcțională generală include:

Sursă de Alimentare Primară: Poate fi rețeaua de curent alternativ (AC) sau baterii de înaltă capacitate, în funcție de cerințele de portabilitate și putere.
Sursă de Alimentare de Înaltă Tensiune (HVPSU): Convertește puterea primară în curent continuu (DC) de înaltă tensiune, necesar pentru încărcarea elementelor de stocare a energiei.
Unitate de Stocare a Energiei: De obicei, un banc de condensatoare de înaltă tensiune, configurate într-un mod specific, de exemplu, într-un generator Marx.
Comutator de Mare Putere: Descarcă rapid unitatea de stocare a energiei. Exemple comune includ eclatoare (spark gaps) sau comutatoare solid-state avansate.
Rețea de Formare a Impulsului (PFN) / Circuite de Modelare a Impulsului (Opțional, dar Recomandat): Modelează impulsul brut de la comutator într-o formă de undă mai definită (de exemplu, rectangulară, trapezoidală) pentru un transfer optim de energie și un efect maximizat.
Sursă de Microunde (dacă este aplicabil pentru HPM în bandă mai îngustă): Dispozitive precum magnetroane sau klystroane sunt utilizate pentru generarea de HPM în bandă îngustă. Acestea sunt, în general, componente avansate, probabil dincolo de scopul unui proiect "construibil" descris în acest manual. O abordare mai fezabilă pentru un dispozitiv construibil este generarea unui EMP rapid, de înaltă tensiune, care conține intrinsec frecvențe de microunde.
Sistem de Antenă: Radiază impulsul de mare putere către țintă.
Sistem de Control și Declanșare: Gestionează secvența de încărcare, declanșare și interblocările de siguranță.
Sistem de Ecranare și Împământare: Esențial pentru siguranță și integritatea sistemului.

Un sistem HPM de bază pentru contramăsuri anti-dronă poate consta dintr-o sursă de alimentare, un magnetron (ca un tip de sursă de microunde), un tuner și o antenă corn conică.9 Deși acest manual se poate concentra pe EMP generat de eclatoare, componentele generale ale diagramei bloc (sursă de alimentare, generator de impulsuri, antenă) sunt similare. Tendința actuală este către sisteme mai compacte și potențial modulare, așa cum o demonstrează Dispozitivul Portabil de Neutralizare cu Microunde de Înaltă Putere (PHPMD), care include module ușoare, antene direcționale și electronice COTS (Commercial Off-The-Shelf).10

Opțiuni Cheie de Proiectare: Operare în Impulsuri vs. Undă Continuă (CW)
Alegerea modului de operare, în impulsuri sau în undă continuă, depinde de efectul dorit și de complexitatea acceptabilă a sistemului.

Operare în Impulsuri: Livrează energia în rafale scurte, de mare putere de vârf. Este, în general, mai eficientă pentru "neutralizarea permanentă" (hard kill) sau "perturbarea" (upset) sistemelor electronice, datorită valorilor ridicate ale dV/dt și intensităților de vârf ale câmpului.5 Acesta este focusul principal al acestui manual.

Avantaje: Putere de vârf mai mare, potențial pentru o gamă mai largă de efecte (perturbare, deteriorare, ardere).
Considerații: Necesită stocare robustă a energiei și comutare foarte rapidă.

Operare în Undă Continuă (CW): Livrează un flux constant de energie de microunde. Poate fi eficientă pentru "neutralizarea temporară" (soft kill) prin bruierea legăturilor de date sau a GPS-ului, mai ales dacă frecvența este bine adaptată la receptoarele țintei.1 Interferența CW operează de obicei la frecvențe mai joase.3

Avantaje: Poate fi mai simplu de generat RF de putere redusă susținută.
Dezavantaje: Poate necesita o reglare mai precisă a frecvenței pentru a fi eficientă; consum mediu de putere mai mare pentru operare susținută.

Acest manual se va concentra pe sistemele în impulsuri datorită potențialului lor mai mare de a produce efecte disruptive, conform solicitării utilizatorului ("doborârea dronelor").Există două abordări principale în ceea ce privește generarea impulsurilor: un impuls de foarte mare viteză și înaltă tensiune (asemănător EMP), care are un conținut spectral larg, sau generarea de HPM la frecvențe specifice (de exemplu, folosind un magnetron sau alt dispozitiv cu vid, sau metode solid-state mai avansate). Pentru un dispozitiv "construibil", așa cum se solicită, un generator de impulsuri bazat pe eclatoare (cum ar fi un generator Marx) va produce intrinsec un EMP cu bandă largă. Deși mai puțin "reglat", spectrul său larg ar putea afecta simultan mai multe sisteme ale dronei. Dronele sunt vulnerabile la frecvențe HPM specifice (de exemplu, frecvențele legăturilor de date, benzile GPS), dar și la HPM în afara benzii care cauzează cuplaj prin "ușa din spate".1 Un EMP cu bandă largă are șansa de a atinge simultan multiple vulnerabilități sau de a se cupla eficient la diverse lungimi de cabluri și deschideri, chiar dacă nu este perfect optimizat pentru o singură frecvență. Sistemele HPM mai avansate (și mai dificil de construit) ar putea viza vulnerabilități specifice cunoscute cu radiații în bandă îngustă.2 Prin urmare, acest manual se va axa pe abordarea EMP cu bandă largă datorită fezabilității relative a construcției, recunoscând în același timp existența și avantajele potențiale ale HPM în bandă îngustă. Aceasta înseamnă că "sursa de microunde" din diagrama bloc este, în esență, impulsul rapid și de înaltă tensiune în sine, iar antena este un radiator cu bandă largă.

Capitolul 2: Sursa de Alimentare de Înaltă Tensiune (HVPSU) și Unitatea de Încărcare

Proiectarea Sursei DC de Înaltă Tensiune pentru Încărcarea Condensatoarelor
Sursa de alimentare de înaltă tensiune (HVPSU) este o componentă fundamentală, responsabilă cu furnizarea energiei necesare unității de stocare. Cerințele cheie pentru HVPSU includ: tensiunea de ieșire (în domeniul kV, determinată de proiectul unității de stocare a energiei), capacitatea de curent (în domeniul mA până la A, care determină viteza de încărcare), stabilitatea și, cel mai important, siguranța.
Există diverse topologii pentru HVPSU:

Transformator + Redresor + Filtru: Abordarea clasică. Constă dintr-un transformator ridicător de tensiune, diode redresoare de înaltă tensiune și condensatoare de netezire.
Circuite Multiplicatoare de Tensiune (de exemplu, Cockcroft-Walton 12, Pompă de Sarcină Dickson 12): Potrivite pentru a obține tensiuni foarte înalte dintr-o sursă AC de tensiune mai joasă sau DC pulsatoriu.
Surse de Alimentare în Comutație (SMPS): Mai complexe, dar pot oferi o eficiență mai bună, reglare superioară și compactitate. Convertoarele Flyback și convertoarele rezonante sunt exemple. Un convertor DC-DC flyback în mod de conducție discontinuă (DCM) este menționat pentru comanda grilelor comutatoarelor SiC în aplicații de putere pulsatorie, ilustrând utilizarea SMPS în contexte de putere pulsatorie.13
Încărcătoare de Condensatoare Pulsatorii: Surse specializate pentru încărcarea rapidă a condensatoarelor în sisteme pulsatorii.14

O abordare modernă pentru încărcarea compactă și eficientă implică utilizarea comutatoarelor GaN și a transformatoarelor planare, capabile să încarce un condensator de 0.47μF la 1625V cu o rată de repetiție a impulsurilor (PRF) de 30kHz.14 Pentru sistemele HPM bazate pe magnetron, se menționează o sursă de alimentare DC (0-2.5kV) constând dintr-un condensator, o diodă și transformatoare.9 Diverse topologii de surse de alimentare pulsatorii de înaltă tensiune, inclusiv generatoare Marx (care sunt generatoare de impulsuri, dar implică și o fază de încărcare), compresoare de impulsuri magnetice (MPC), rețele de formare a impulsurilor (PFN), linii Blumlein și opțiuni solid-state sunt revizuite în.12 Deși acestea sunt în principal pentru generarea de impulsuri, principiile de încărcare a condensatoarelor sunt relevante. 15 menționează specific proiectarea unei surse de impulsuri bipolare izolate inductiv pentru încărcarea condensatoarelor într-o configurație dual-Marx.

Selecția Componentelor: Transformatoare, Redresoare, Circuite de Control
Selecția atentă a componentelor este crucială pentru performanța și fiabilitatea HVPSU.

Transformatoare: Trebuie să aibă un secundar de înaltă tensiune, o putere nominală adecvată și o izolație corespunzătoare. Bobinarea personalizată poate fi necesară. Transformatoarele planare sunt utilizate pentru SMPS de înaltă frecvență.14 Materialele pentru miezurile magnetice ale transformatoarelor de putere pulsatorie de înaltă frecvență sunt analizate în.17
Diode Redresoare: Necesită o tensiune inversă de vârf (PIV) ridicată, un curent nominal suficient și, pentru SMPS, un timp de recuperare rapid. Pentru tensiuni foarte înalte, se poate recurge la înserierea diodelor.
Condensatoare de Filtrare: Trebuie să aibă o tensiune nominală ridicată și o rezistență serie echivalentă (ESR) scăzută pentru o netezire eficientă.
Circuite de Control: Asigură reglarea tensiunii, limitarea curentului (esențială pentru încărcarea sigură a condensatoarelor), protecția la supratensiune și interblocările. Controlul bazat pe microcontroler permite funcții avansate.14

Topologii ale Circuitului de Încărcare și Caracteristici de Siguranță
Diferite topologii de circuite de încărcare pot fi utilizate, fiecare cu avantajele și dezavantajele sale:

Încărcare Rezistivă: Simplă, limitează curentul, dar este ineficientă energetic (pierderi mari). Constanta de timp a încărcării este RC.
Încărcare la Curent Constant: Mai eficientă, poate reduce timpul de încărcare. Este menționată ca o modalitate de a reduce pierderile de energie în generatoarele Marx.19
Încărcare Inductivă: Poate fi utilizată pentru generatoarele Marx pentru a reduce pierderile și timpul de încărcare.20
Încărcare Rezonantă: Eficientă, poate realiza o încărcare mai rapidă.

Caracteristicile de siguranță sunt non-negociabile în proiectarea HVPSU:

Rezistențe de Descărcare (Bleeder Resistors): Pentru a descărca în siguranță condensatoarele atunci când sursa este oprită.
Limitarea Curentului: Previne supracurentul în timpul încărcării sau în condiții de defect.
Protecție la Supratensiune: Previne încărcarea condensatoarelor peste tensiunea lor nominală.
Interblocări: Comutatoare de siguranță pe carcase, etc.
Comutator de Descărcare Rapidă/Crowbar: Pentru a descărca rapid bancul de condensatoare în caz de urgență.

Un proiect de HVPSU poate viza încărcarea rapidă și pas cu pas a condensatoarelor, cu un curent de aproximativ 5A, o tensiune maximă de lucru de 12kV și o eroare a tensiunii de încărcare sub 0.5%.14 Este important de reținut că un timp de încărcare mai scurt este favorabil pentru a evita pre-amorsarea în bancurile de condensatoare.21Performanța generatorului HPM, în special rata sa de repetiție și capacitatea de operare susținută, este direct limitată de capacitatea HVPSU de a reîncărca rapid și fiabil unitatea de stocare a energiei. După fiecare impuls, condensatoarele trebuie reîncărcate, iar timpul de încărcare este determinat de curentul de ieșire al HVPSU și de capacitatea bancului (precum și de topologia de încărcare). Un timp de încărcare lent înseamnă o rată de repetiție a impulsurilor (PRF) scăzută. Mai mult, componentele HVPSU (transformator, redresoare, elemente de control) vor fi supuse la stres în timpul încărcării și pot avea limitări termice care afectează funcționarea continuă sau la PRF ridicat. Prin urmare, proiectarea unei HVPSU robuste, eficiente și cu încărcare rapidă este la fel de critică precum proiectarea etajului de generare a impulsurilor în sine, așa cum indică surse precum 14 (încărcător compact, PRF ridicat) și 20 (încărcare inductivă pentru Marx, PRF limitat de sursă).

Capitolul 3: Stocarea Energiei: Proiectarea Bancului de Condensatoare de Înaltă Tensiune

Principii ale Stocării Energiei Pulsatorii
Stocarea energiei pentru aplicații pulsatorii se bazează, în mod fundamental, pe acumularea unei cantități semnificative de energie electrică într-un interval de timp relativ lung și eliberarea acesteia într-un interval foarte scurt, generând astfel o putere de vârf extrem de mare. Condensatoarele sunt dispozitivele predilecte pentru acest rol. Energia stocată într-un condensator este dată de formula E=21CV2, unde E este energia în Jouli, C este capacitatea în Farazi, iar V este tensiunea de încărcare în Volți.
Pentru a obține impulsuri de mare putere, capacitatea de descărcare rapidă este esențială. Performanța în regim de impuls este puternic influențată de parametrii paraziți ai condensatorului, cum ar fi Rezistența Serie Echivalentă (ESR) și Inductanța Serie Echivalentă (ESL). Valori scăzute ale ESR și ESL sunt critice pentru obținerea unor impulsuri rapide, cu curenți de vârf ridicați.
Selecția Condensatoarelor de Impuls de Înaltă Tensiune
Alegerea condensatoarelor potrivite este o etapă determinantă în proiectarea unui generator de impulsuri eficient și fiabil. Următorii parametri sunt esențiali:

Tensiunea Nominală: Trebuie să depășească tensiunea maximă de încărcare cu o marjă de siguranță (de exemplu, de 1.5 până la 2 ori tensiunea maximă de operare 22). Trebuie luată în considerare și inversarea tensiunii.21
Valoarea Capacității: Determină energia stocată și influențează lățimea impulsului. O capacitate mai mare stochează mai multă energie, dar poate crește lățimea impulsului și timpul de creștere.21
ESR (Rezistența Serie Echivalentă): O valoare ESR scăzută minimizează pierderile de energie sub formă de căldură în timpul descărcării și permite curenți de vârf mai mari.23
ESL (Inductanța Serie Echivalentă): O valoare ESL scăzută este crucială pentru timpi de creștere rapizi. Inductanța sistemului limitează curentul de vârf și timpul de creștere.
Materialul Dielectric: Afectează tensiunea nominală, densitatea de energie, stabilitatea la temperatură, durata de viață și caracteristicile de descărcare în impuls. Tipurile comune pentru putere pulsatorie includ:

Condensatoare cu Film (Polipropilenă, Poliester): Bune pentru curenți de vârf ridicați, au proprietăți de auto-vindecare. Există condensatoare cu film specializate pentru aplicații de energie pulsatorie.22
Condensatoare Ceramice (Clasa I pentru stabilitate, Clasa II pentru capacitate mai mare): Pot oferi densitate mare de energie și descărcare rapidă. Condensatoarele cu mică sunt, de asemenea, utilizate pentru generatoarele PFN-Marx datorită insensibilității la temperatură și duratei lungi de viață.24 Dielectricii pe bază de ceramică sunt remarcați pentru densitatea mare de putere, capacitățile rapide de încărcare-descărcare și stabilitatea la temperatură.25
Condensatoare Electrolitice: În general, nu sunt potrivite pentru descărcări foarte rapide, cu curenți de vârf ridicați, din cauza ESR/ESL ridicate, dar pot fi utilizate în filtrarea HVPSU.

Curentul de Vârf Nominal (Ipeak): Curentul maxim pe care condensatorul îl poate livra în timpul descărcării.
Rata Nominală dV/dt: Rata maximă de variație a tensiunii pe care condensatorul o poate suporta.
Durata de Viață (Shot Life): Numărul de cicluri de încărcare/descărcare pe care condensatorul le poate suporta. Depinde de tensiunea de operare, inversarea tensiunii, temperatură, frecvența de ringing.21
Toleranța la Inversarea Tensiunii: Capacitatea de a suporta o tensiune de polaritate opusă după descărcare, comună în circuitele RLC oscilante.21
Mediul de Operare: Temperatură, umiditate, necesități de izolare.21

Ghiduri excelente pentru selectarea condensatoarelor pentru generatoare Marx și aplicații de energie pulsatorie de înaltă energie sunt furnizate în 21, acoperind tensiunea nominală, capacitatea, tipul, mediul și adaptarea impedanței. 21 detaliază considerații precum strategia de încărcare, timpul de menținere a sarcinii, timpul de descărcare, perioada de ringing, inversarea tensiunii, durata de viață și rata de repetiție a impulsurilor. 23 subliniază proprietățile condensatoarelor pentru PFN-uri: tensiune nominală ridicată, ESR scăzut, descărcare rapidă, densitate mare de energie. 26 notează necesitatea materialelor cu rigiditate dielectrică mare și pierderi scăzute pentru condensatoarele de stocare a energiei.

Configurarea Bancului de Condensatoare și Asamblarea Mecanică
Pentru a atinge capacitatea totală și tensiunea nominală dorite, condensatoarele sunt adesea combinate în serie și/sau paralel.

Conexiuni: Este crucială minimizarea inductanței parazite în conexiuni. Se recomandă utilizarea unor conductori lați și scurți, sau bare colectoare (bus bars).
Montaj Mecanic: Componentele trebuie montate sigur pentru a rezista la solicitările electrice și mecanice.
Izolație și Spațiere: Trebuie asigurată o izolație adecvată și distanțe corespunzătoare între componente pentru a preveni descărcările.

Tabelul 3.1: Comparația Dielectricilor pentru Condensatoare de Impuls de Înaltă Tensiune

Tip Dielectric

Domeniu Tipic Tensiune (V/celulă)

Domeniu Capacitate (per unitate)

Densitate Energie (J/cc sau J/kg)

ESR (tipic)

ESL (tipic)

Capacitate Curent Vârf

Rată dV/dt

Rată Max Repetiție

Durată Viață Tipică (impulsuri)

Proprietăți Auto-vindecare

Factor Cost

Aplicații Pulsatorii Comune

Film Polipropilenă (PP)

1 kV - 100 kV

nF - zeci µF

Medie

Foarte Scăzut

Foarte Ridicată

Ridicată

105−109

Mediu

Marx, PFN, Lasere, Acceleratoare

Film Poliester (PET)

0.5 kV - 50 kV

nF - sute µF

Medie-Scăzută

Scăzut

Ridicată

Medie

104−107

Limitata

Scăzut

Aplicații generale de putere pulsatorie, cost redus

Hârtie/Film Impregnat cu Ulei

5 kV - 200 kV

zeci nF - sute µF

Medie-Ridicata

Scăzut

Mediu

Ridicată

Medie

Scăzută-Medie

104−106

Limitata

Ridicat

Sisteme de mare energie, PFN-uri de putere mare

Mică

1 kV - 50 kV

pF - zeci nF

Scăzută

Foarte Scăzut

Medie

Foarte Ridicată

>109

Ridicat

PFN-Marx de înaltă frecvență/PRF, circuite RF de putere

Ceramic Clasa I (e.g., NPO/C0G)

0.1 kV - 10 kV

pF - nF

Foarte Scăzută

Foarte Scăzut

Medie-Scăzută

Ridicată

Foarte Ridicată

>109

Mediu

PFN-uri de precizie, circuite rezonante

Ceramic Clasa II (e.g., X7R, Y5V)

0.1 kV - 5 kV

nF - zeci µF

Medie-Ridicata

Mediu-Scăzut

Medie

105−107

Scăzut-Mediu

Stocare energie compactă, aplicații cu cerințe mai puțin stricte

*Notă: Valorile sunt orientative și pot varia semnificativ în funcție de producător și design specific.*

Alegerea condensatoarelor nu este o decizie izolată; ea influențează direct proiectul HVPSU (tensiunea și curentul de încărcare), selecția comutatorului (curentul de vârf, tensiunea de blocare), rețeaua de formare a impulsului (dacă este utilizată) și configurația fizică (dimensiune, răcire). Condensatoarele cu densitate energetică mai mare (de exemplu, unele ceramice [25] sau tipuri avansate de film) pot duce la o unitate de stocare a energiei mai compactă, aliniindu-se cu obiectivele de miniaturizare.[22, 23, 24] Condensatoarele cu ESR/ESL scăzute sunt esențiale pentru timpi de creștere rapizi și puteri de vârf ridicate, dezirabile pentru generarea eficientă de EMP/HPM. Toleranța la inversarea tensiunii [21] și durata de viață a condensatorului vor dicta cât de mult poate fi solicitat sistemul și durata sa de funcționare operațională, în special în scenarii de descărcare oscilantă sau operare la PRF ridicat. Caracteristicile termice ale condensatoarelor alese vor influența cerințele de răcire.[21, 26] Prin urmare, selecția condensatoarelor este o decizie de proiectare timpurie și critică, cu efecte în cascadă asupra întregului generator HPM.

Capitolul 4: Comutare de Mare Viteză și Mare Putere: Declanșatorul Impulsului

Comutatorul de mare putere este inima oricărui generator de impulsuri, responsabil pentru eliberarea rapidă și eficientă a energiei stocate. Alegerea și proiectarea acestuia sunt critice pentru performanța generală a sistemului.

Secțiunea 4.1: Eclatoare (Spark Gaps)
Eclatoarele reprezintă o tehnologie consacrată și robustă pentru comutarea puterilor de vârf foarte mari.

Principiu de Operare: Un spațiu (gap) între doi electrozi, într-un mediu gazos (aer, SF6, N2) sau lichid (ulei), străpunge (se amorsează) atunci când tensiunea aplicată depășește tensiunea de străpungere a mediului, creând o cale de impedanță redusă pentru curent.
Considerații de Proiectare:

Materialul și Geometria Electrozilor: Afectează rata de eroziune, durata de viață și caracteristicile de comutare. Materiale comune includ alama, grafitul, wolframul, compozitele cupru-wolfram (de exemplu, K-33).27 Electrozii emisferici sau planari sunt frecvenți.27
Mediul și Presiunea din Gap: Aerul, azotul (N2), hexafluorura de sulf (SF6) 27 sau uleiul sunt medii utilizate. Presiunea influențează tensiunea de străpungere și timpul de recuperare.
Mecanisme de Declanșare:

Auto-Amorsare (doi electrozi): Cel mai simplu, dar cu o precizie temporală mai redusă. 29 listează eclatoare cu doi electrozi.
Eclatoare Declanșate (trei electrozi, TSG - Triggered Spark Gaps): Un electrod suplimentar de declanșare inițiază amorsarea la un moment precis și adesea la o tensiune mai mică decât cea de auto-amorsare. Permite o descărcare controlată.30 Tensiunea de operare este tipic între 40-80% din tensiunea de auto-amorsare.30
Iradiere UV: Lumina UV de la un eclator poate pre-ioniza eclatoarele adiacente, reducând fluctuațiile (jitter) în generatoarele Marx.19
Declanșare Laser: Oferă o declanșare foarte precisă, dar adaugă complexitate.19

Tipuri de Eclatoare:

Eclatoare Simple în Aer: Ușor de construit, dar performanța variază cu condițiile atmosferice.
Eclatoare cu Gaz Presurizat: Mai stabile, tensiune de blocare mai mare pentru un gap dat. SF6 este comun pentru rigiditatea sa dielectrică ridicată.
Comutatoare în Vid: Pot gestiona putere mare, dar necesită sisteme de vid.
Eclatoare cu Arc Rotativ: Arcul electric este rotit pentru a reduce eroziunea electrozilor și a prelungi durata de viață.31
Eclatoare Coaxiale: Proiectate pentru inductanță redusă.28

Avantaje: Pot gestiona puteri de vârf, tensiuni și curenți foarte mari; relativ simple de construit; robuste.
Dezavantaje: Durată de viață limitată din cauza eroziunii electrozilor 27; zgomot audibil; generează EMI; fluctuații (jitter) în declanșare (pot fi reduse cu un design adecvat); timpul de recuperare limitează PRF.28

Studiile privind degradarea materialelor în eclatoare, cum ar fi cele pentru electrozi din grafit sau compozit K-33 în medii de N2 sau SF6, sunt cruciale pentru înțelegerea duratei de viață și a performanței.27 Alinierea eclatoarelor, declanșarea UV și inductanța conductorilor sunt factori importanți în proiectarea generatoarelor Marx compacte.20

Secțiunea 4.2: Introducere în Comutarea Solid-State pentru Proiecte Avansate
Dispozitivele solid-state, precum tiristoarele, IGBT-urile, MOSFET-urile SiC și HEMT-urile GaN, reprezintă o alternativă modernă la eclatoare, oferind anumite avantaje.

Avantaje față de Eclatoare: PRF mai mare, durată de viață mai lungă, fără eroziune, control precis, operare silențioasă, potențial mai compacte.13
Dezavantaje: În general, capacitate de gestionare a puterii/tensiunii de vârf mai redusă per dispozitiv (necesită aranjamente serie/paralel pentru puteri foarte mari), circuite de comandă mai complexe, cost mai ridicat, susceptibilitate la supratensiune/supracurent. Tensiunile nominale și constrângerile privind timpul de creștere pot fi o problemă.12
SiC și GaN (Semiconductori cu Bandă Largă Interzisă): Oferă tensiune de străpungere mai mare, viteze de comutare mai rapide și performanțe termice mai bune comparativ cu dispozitivele din siliciu, făcându-le promițătoare pentru aplicații de putere pulsatorie.13
Driverele cu Transformator Liniar (LTDs) sunt o tehnologie emergentă care utilizează comutatoare solid-state ce pot funcționa similar eclatoarelor, dar cu capacitatea de a fi oprite și cu fluctuații (jitter) de sub-nanosecundă.32
Diodele SOS (Semiconductor Opening Switch) pot produce impulsuri de sub 10ns, ~100kV la PRF ridicat.33

Înlocuirea comutatoarelor convenționale cu gaz/magnetice cu tehnologia de comutare solid-state poate îmbunătăți eficiența, fiabilitatea, rata de repetiție și durata de viață, deși tensiunea/timpul de creștere pot constitui limitări.12

Analiză Comparativă și Criterii de Selecție
Factorii de luat în considerare la alegerea unui comutator includ: tensiunea de vârf, curentul de vârf, timpul de creștere, PRF, durata de viață, costul, complexitatea și dimensiunea/greutatea. Pentru un generator HPM "construibil", conform solicitării utilizatorului, eclatoarele declanșate sunt probabil cel mai fezabil comutator primar. Tehnologia solid-state este prezentată ca o alternativă avansată sau pentru subcircuite specifice (de exemplu, generarea semnalului de declanșare).
Tabelul 4.1: Prezentare Generală a Tehnologiilor de Comutare de Mare Putere

Tip Comutator	Domeniu Tipic Tensiune (kV)	Curent Vârf (kA)	Max dI/dt (A/µs)	Timp Creștere (ns)	Max PRF (Hz)	Durată Viață Tipică (impulsuri/ore)	Controlabilitate (Precizie declanșare, Oprire)	Complexitate Comandă	Cost Relativ	Avantaje Cheie	Dezavantaje Cheie
Eclator în Aer	1 - 1000+	1 - 1000+	Ridicat	1 - 100	Scăzut	103−105 impulsuri	Declanșare imprecisă, Fără oprire	Simplă	Scăzut	Simplu, robust, putere foarte mare	Eroziune, zgomot, EMI, jitter, PRF limitat, dependent de mediu
Eclator Presurizat (SF6/N2)	10 - 1000+	1 - 1000+	Foarte Ridicat	1 - 50	Mediu	104−106 impulsuri	Declanșare imprecisă (dacă nu e TSG), Fără oprire	Medie	Mediu	Tensiune de blocare mare, mai stabil decât în aer	Eroziune, necesită gaz, EMI, jitter (dacă nu e TSG)
Eclator Declanșat (TSG)	10 - 200	1 - 100	Foarte Ridicat	<10 - 50	Mediu-Ridicat	105−107+ impulsuri	Declanșare precisă, Fără oprire	Medie	Mediu-Ridicat	Declanșare precisă, durată viață bună, fiabil 30	Eroziune (redusă), EMI, necesită circuit de declanșare
Comutator în Vid	20 - 300	10 - 500	Ridicat	10 - 100	Mediu	106−108 impulsuri	Declanșare precisă (dacă e trigatron), Fără oprire	Medie-Ridicata	Ridicat	Recuperare rapidă, PRF bun	Necesită vid, poate fi complex
Tiratron	5 - 150	0.1 - 50	Ridicat	5 - 50	Ridicat	109−1011 impulsuri / mii ore	Declanșare precisă, Fără oprire	Medie-Ridicata	Ridicat	PRF ridicat, durată viață lungă, precis 34	Necesită încălzire catod, sensibil la inversare curent 16, scump
IGBT (pt. putere pulsatorie)	1 - 10 (module > 10)	0.1 - 5	Mediu	50 - 500	Foarte Ridicat	>109 impulsuri / zeci mii ore	Declanșare precisă, Oprire posibilă	Medie	Mediu	PRF ridicat, controlabil, durabil 13	Tensiune/curent limitat per dispozitiv, dV/dt și dI/dt mai mici decât la eclatoare, necesită drivere atente
SiC MOSFET (modul)	1 - 20 (module > 20)	0.05 - 1	Ridicat	10 - 100	Foarte Ridicat	>109 impulsuri / zeci mii ore	Declanșare precisă, Oprire posibilă	Medie-Ridicata	Ridicat	Comutare foarte rapidă, pierderi mici, T înaltă 13	Costisitor, necesită drivere specializate, sensibil la supratensiuni tranzitorii
GaN HEMT (modul)	0.1 - 1 (module > 1)	0.01 - 0.5	Foarte Ridicat	1 - 20	Extrem de Ridicat	>109 impulsuri / zeci mii ore	Declanșare precisă, Oprire posibilă	Ridicată	Foarte Ridicat	Cea mai rapidă comutare, eficiență înaltă 13	Tensiune/curent mai limitate, foarte costisitor, tehnologie nouă
Diodă SOS	10 - 100+	0.1 - 2	Extrem de Ridicat	<1 - 10	Ridicat	Medie	Necesită pre-pompare curent, Oprire abruptă	Ridicată	Ridicat	Timpi de creștere extrem de rapizi 33	Complexitate circuit, necesită sincronizare precisă

Caracteristicile comutatorului principal (viteză, inductanță, capacitatea de a gestiona curentul) definesc fundamental caracteristicile primare ale impulsului de ieșire (timpul de creștere, puterea de vârf). Un comutator lent va duce la un timp de creștere lent al impulsului, reducându-i eficacitatea (dV/dt mai mic, putere de vârf mai mică pentru o energie dată). Un comutator cu inductanță internă mare va limita rata de creștere a curentului (dI/dt) și, prin urmare, curentul de vârf și timpul de creștere al impulsului. Comutatorul trebuie să suporte întreaga tensiune a bancului încărcat și curentul de vârf enorm în timpul descărcării. Prin urmare, selecția și proiectarea comutatorului (de exemplu, proiectarea unui eclator cu inductanță redusă [28], materiale adecvate pentru electrozi pentru gestionarea curentului și eroziune [27], sau opțiuni solid-state avansate [13, 32]) sunt esențiale. Restul sistemului este construit *în jurul* capacităților comutatorului.

Capitolul 5: Tehnici de Generare și Formare a Impulsurilor

După stocarea energiei și selectarea unui comutator capabil, următoarea etapă este generarea efectivă a impulsului de înaltă putere și, opțional, modelarea formei sale de undă pentru a maximiza eficacitatea.

Secțiunea 5.1: Generatorul Marx
Generatorul Marx este o metodă clasică și eficientă pentru a obține tensiuni foarte înalte și impulsuri de mare energie.

Principiu: Constă în încărcarea în paralel a unui număr de condensatoare și descărcarea lor în serie prin intermediul unor eclatoare (sau alte tipuri de comutatoare), realizând astfel o multiplicare a tensiunii.19
Proiectare:

Numărul de Stadii (N): Determină tensiunea de ieșire (aproximativ N×Vincarcare).
Condensatoarele de Stadiu: Alese pe baza energiei totale, a capacității de ieșire dorite (CMarx=Cstadiu/N).
Rezistențe de Încărcare (Rc) sau Inductoare (Lc): Izolează stadiile în timpul descărcării și controlează încărcarea. Încărcarea inductivă este preferată pentru PRF mai mare și eficiență sporită.20
Eclatoare: Unul pe stadiu (cu excepția posibilă a primului, care poate fi declanșat).
Configurație (Layout): Critică pentru minimizarea inductanței parazite. Se utilizează configurații compacte, uneori în zigzag, pentru a anula câmpurile magnetice induse.20

Construcție: Implică asamblarea mecanică atentă, asigurarea izolației, declanșarea primului eclator și efectul de declanșare în cascadă a celorlalte.
Avantaje: O modalitate relativ simplă de a atinge tensiuni foarte înalte; scalabil.
Dezavantaje: Forma impulsului de ieșire este tipic o undă sinusoidală amortizată exponențial (sau un impuls critic amortizat dacă este adaptat), ceea ce nu este ideal pentru toate aplicațiile; inductanța ridicată poate limita timpul de creștere; jitter.

Principiile de bază, componentele și considerațiile de proiectare, cum ar fi modelarea undei, reducerea jitter-ului și încărcarea la curent constant, sunt explicate în.1920 discută rezultatele experimentale privind proiectarea unui generator Marx repetitiv compact, concentrându-se pe reducerea inductanței, alinierea eclatoarelor și metodele de încărcare.

Secțiunea 5.2: Rețele de Formare a Impulsurilor (PFN - Pulse Forming Networks)
PFN-urile sunt utilizate pentru a modela impulsul electric într-o formă de undă specifică, de obicei rectangulară sau trapezoidală.

Principiu: Aproximează o linie de transmisie utilizând secțiuni L-C concentrate (celule) pentru a produce un impuls cu un vârf relativ plat.23
Proiectare:

Impedanța Caracteristică (Z0=L/C per secțiune): Adaptată la sarcină pentru transfer maxim de energie și reflexii minime. Tensiunea de ieșire este Vincarcare/2 într-o sarcină adaptată.35
Lățimea Impulsului (PW≈2×N×Lcelula×Ccelula): Determinată de numărul de secțiuni (N) și de valorile L-C per secțiune.
Timpul de Creștere: Determinat de prima celulă și de inductanța totală a rețelei.
Topologii Comune:

Tip E (Guillemin): Capacitate egală pe celulă, inductanță mutuală între bobine. Bună pentru impulsuri rectangulare.23
PFN Rayleigh: Menționată în 37 pentru un generator PFN-Marx.
Alte tipuri (A, B, C) sunt menționate în.35

Avantaje: Produce impulsuri bine definite, cu vârf plat, care pot fi mai eficiente pentru alimentarea anumitor sarcini (cum ar fi tuburile de microunde) sau pentru asigurarea aplicării consistente a câmpului pe durata impulsului.
Dezavantaje: Mai complexe decât o simplă descărcare capacitivă; necesită o reglare atentă; pot fi voluminoase dacă sunt necesare multe secțiuni pentru impulsuri lungi.

35 oferă informații detaliate despre specificarea PFN-urilor, tipuri (în special Tip E) și modul în care acestea modelează impulsurile. 36 explică utilizarea PFN-urilor pentru producerea de impulsuri scurte uniforme pentru magnetroane, lasere etc., și rolul transformatoarelor de impuls pentru adaptarea impedanței.

Secțiunea 5.3: Integrarea PFN-urilor cu Generatoarele Marx (PFN-Marx)
Această abordare combină avantajele ambelor tehnologii.

Principiu: Fiecare stadiu al unui generator Marx, în loc să fie un singur condensator, este o rețea PFN. Aceasta combină multiplicarea tensiunii specifică Marxului cu modelarea impulsului specifică PFN-ului.24
Avantaje: Tensiune înaltă și impulsuri bine modelate.
Proiectare: Mai complexă, deoarece fiecare stadiu necesită multiple componente L-C. Compactitatea este o provocare cheie.24
Performanță: Pot livra putere de ordinul GW cu lățimi de impuls controlate (de exemplu, 120ns, 400kV pe 40Ω 24; 100kV, 173ns pe 48Ω 38).

37 descrie dezvoltarea unui PFN-Marx pentru aplicații HPM (țintă: 475kV, 10kA, 190ns). 38 prezintă un PFN-Marx bipolar compact utilizând transformatoare de impuls, atingând un impuls de 100kV, 173ns, cu un timp de creștere <15ns. 24 detaliază un PFN-Marx compact de 4GW bazat pe condensatoare cu mică pentru HPM, livrând impulsuri de 400kV, 120ns la 50Hz.

Secțiunea 5.4: Prezentare Generală a Generatoarelor de Impulsuri Blumlein
Liniile Blumlein sunt o altă metodă de a genera impulsuri rectangulare de mare putere.

Principiu: Un tip de PFL (Pulse Forming Line) care utilizează de obicei două linii de transmisie (sau o linie pliată) încărcate în paralel și descărcate în serie printr-un comutator pentru a livra un impuls într-o sarcină adaptată, egal cu tensiunea de încărcare (sau dublul tensiunii unei linii dacă este comutată central). Pot produce timpi de creștere foarte rapizi și impulsuri rectangulare.
Componente: Linii de transmisie (coaxiale sau strip-line), comutator, sarcină.
Izolație: Critică, adesea utilizează dielectrici lichizi (de exemplu, glicerină, ulei de transformator) sau gaz presurizat.39
Performanță: Pot atinge puteri mari (de exemplu, 5GW, impuls >80ns, 20Hz dintr-o linie Blumlein inovatoare cu PSIS 39).
Avantaje: Pot produce impulsuri rectangulare bine definite cu timpi de creștere rapizi; potențial tensiune de ieșire ridicată.
Dezavantaje: Pot fi voluminoase din cauza lungimii fizice a liniilor de transmisie necesare pentru impulsuri mai lungi; adaptarea impedanței este critică.

39 descriu o PFL Blumlein inovatoare cu Structură de Izolație Periodică Fasonată (PSIS) și izolație cu glicerină, atingând o ieșire de 5GW.Forma impulsului electromagnetic (timpul de creștere, lățimea impulsului, planeitatea) poate influența semnificativ eficiența cuplajului și efectul dăunător asupra electronicii țintă. Un impuls simplu, cu descreștere exponențială, de la o descărcare capacitivă de bază sau de la un generator Marx, ar putea fi mai puțin eficient decât un impuls rectangular bine definit de la un PFN sau o linie Blumlein. Dronele au diverse sisteme electronice care funcționează la frecvențe diferite și cu praguri de susceptibilitate diferite.1 Un impuls cu un timp de creștere foarte rapid va avea un conținut mai larg de frecvențe înalte, potențial crescând cuplajul la structuri mai mici sau prin deschideri mai mici. Un impuls cu vârf plat (de la un PFN/Blumlein) asigură aplicarea câmpului electric de vârf asupra țintei pe întreaga durată a impulsului, maximizând transferul de energie și stresul asupra componentelor, comparativ cu un impuls în descreștere unde vârful este momentan. Lățimea impulsului ar trebui, în mod ideal, să fie suficient de lungă pentru a depune suficientă energie în componentele țintă pentru a cauza perturbare sau deteriorare, dar nu atât de lungă încât puterea medie să devină un factor limitator pentru generator sau ca ținta să se poată recupera/atenua în timpul impulsului. Prin urmare, încorporarea modelării impulsului (de exemplu, prin PFN-uri 23) în proiectul generatorului HPM, chiar dacă adaugă complexitate, ar putea duce la un dispozitiv mai eficient și mai eficace. Generatoarele PFN-Marx 24 reprezintă o abordare practică pentru a obține atât tensiune înaltă, cât și impulsuri modelate.

Capitolul 6: Radiația Impulsului: Sistemul de Antenă de Microunde de Înaltă Putere

Sistemul de antenă este interfața finală între generatorul de impulsuri și țintă, având rolul crucial de a radia eficient energia electromagnetică de mare putere în direcția dorită.

Principii ale Proiectării Antenelor HPM pentru Energie Dirijată
Obiectivul principal este de a transfera eficient impulsul de mare putere de la generator în spațiul liber și de a-l direcționa către țintă cu pierderi minime și caracteristici de fascicul dorite. Considerațiile cheie includ:

Gestionarea Puterii: Antena trebuie să reziste la tensiuni și curenți de vârf foarte mari fără a se produce arcuri electrice sau străpungeri.40 Aceasta implică o selecție atentă a materialelor, suprafețe netede și, potențial, presurizare sau umplere cu ulei pentru structurile de alimentare.
Lărgimea de Bandă: Pentru impulsuri de tip EMP, este necesară o lărgime de bandă mare pentru a radia eficient diversele componente de frecvență. Pentru HPM în bandă mai îngustă, antena este acordată la frecvența sursei. Antenele corn TEM sunt cunoscute pentru capacitățile lor ultra-largă bandă (UWB).40
Directivitate/Câștig: Un câștig mai mare concentrează energia într-un fascicul mai îngust, crescând puterea radiată efectivă (ERP) către țintă și raza de acțiune.40
Adaptarea Impedanței: Este crucială adaptarea impedanței antenei la impedanța de ieșire a generatorului de impulsuri (adesea 50Ω) pe domeniul de frecvență dorit, pentru a maximiza transferul de putere și a minimiza reflexiile care ar putea deteriora generatorul.40
Diagrama de Radiație: Forma fasciculului (lob principal, lobi laterali). Este de dorit un lob principal puternic direcționat către țintă și lobi laterali reduși pentru a minimiza efectele colaterale și energia irosită.
Dimensiune și Portabilitate: Constrângeri practice pentru aplicația intenționată.10

Tipuri de Antene și Selecția Acestora
Alegerea tipului de antenă depinde de caracteristicile impulsului generat (bandă largă EMP vs. HPM în bandă îngustă), de cerințele de directivitate și de constrângerile practice.

Antene Corn (de exemplu, Corn TEM, Corn Piramidal):

Corn TEM: Bun pentru impulsuri UWB, poate gestiona putere mare, direcțional. Profilul conic exponențial este utilizat pentru adaptarea impedanței.40
Corn Piramidal: Comun pentru frecvențe de microunde, câștig bun, relativ simplu de construit. O antenă corn conică este menționată pentru un sistem cu magnetron.5

Antene Reflector (de exemplu, Antenă Parabolică): Câștig mare, lățime de fascicul îngustă, dar pot fi voluminoase.
Rețele Fazate (Phased Arrays): Fascicul orientabil electronic, pot angaja multiple ținte. Mai complexe și costisitoare. Sistemul de antene SAFE este o rețea fazată.10
Antene Yagi-Uda: Direcționale, dar de obicei pentru lărgimi de bandă mai înguste și puteri mai mici decât cele specifice HPM.
Antene Spirală: Bandă largă, dar pot avea limitări în gestionarea puterii de vârf pentru HPM, dacă nu sunt special proiectate.40

Pentru un sistem construibil axat pe EMP cu bandă largă, un corn TEM sau un corn piramidal simplu este o alegere probabilă. 40 propun o antenă corn TEM UWB compactă pentru HPM, capabilă să gestioneze 54MW fără străpungere, operând între 2.7-12.5 GHz cu un câștig de 8.57 dBi, subliniind adaptarea impedanței prin conicitate exponențială. 10 descriu antene foarte direcționale pentru HPM portabil și sistemul de antene fazate SAFE (Source Agnostic Frequency Excluding) cu crestătură de frecvență ajustabilă.

Parametri de Proiectare: Frecvență, Adaptarea Impedanței, Câștig, Gestionarea Puterii

Frecvență: Pentru EMP, bandă largă. Pentru HPM, o frecvență specifică (de exemplu, banda S, C, X). Vulnerabilitățile dronelor există în diverse benzi (de exemplu, GPS în banda L, legături de date la 2.4/5.8 GHz), dar sunt susceptibile și la HPM în afara benzii.1
Adaptarea Impedanței: Utilizarea tranzițiilor conice (de exemplu, conicitate exponențială pentru cornetele TEM 40), rețele de adaptare. Parametrul S11 (pierderea de retur) ar trebui să fie scăzut (de exemplu, < -10dB 40) pe întreaga bandă de operare.
Câștig și Lățimea Fasciculului: Există un compromis. Un câștig mai mare înseamnă un fascicul mai îngust. Lățimea fasciculului trebuie să fie suficientă pentru a ilumina eficient ținta.
Gestionarea Puterii: Determinată de geometria antenei, materiale și evitarea punctelor ascuțite unde câmpurile electrice se pot concentra și cauza străpungeri.

Ghid de Construcție pentru o Antenă Direcțională de Bază (de exemplu, Corn Piramidal sau structură simplă de tip TEM)
Construcția unei antene HPM necesită atenție la detalii pentru a asigura performanța și siguranța.

Selecția Materialelor: Tablă de aluminiu sau cupru sunt opțiuni comune.
Calcule Dimensionale: Bazate pe gama de frecvență dorită și câștig.
Tehnici de Fabricație: Tăiere, îndoire, îmbinare.
Proiectarea Punctului de Alimentare: De exemplu, alimentare coaxială, tranziție ghid de undă.
Importanța Suprafețelor Netede și a Marginilor Rotunjite: Pentru a preveni efectul corona și arcurile electrice.

Tabelul 6.1: Adecvarea Tipurilor de Antene pentru Aplicații HPM/EMP

Tip Antenă	Domeniu Frecvență Tipic	Lărgime Bandă Realizabilă (% sau GHz)	Câștig Tipic (dBi)	Gestionare Putere Vârf (Calitativ)	Directivitate	Dimensiune/Complexitate	Ușurință Construcție DIY	Adecvare EMP Bandă Largă	Adecvare HPM Bandă Îngustă
Corn Piramidal	1 GHz - 40 GHz+	10-50%	10 - 25	Ridicată	Medie-Ridicata	Medie	Medie	Bună	Foarte Bună
Corn Conic	1 GHz - 40 GHz+	10-50%	10 - 25	Ridicată	Medie-Ridicata	Medie	Medie	Bună	Foarte Bună
Corn TEM	0.1 GHz - 20 GHz+	> 10:1 (UWB)	5 - 15	Foarte Ridicată	Medie	Medie-Mare	Medie-Dificilă	Excelentă	Acceptabilă
Reflector Parabolic	0.5 GHz - 100 GHz	5-20% (limitat de feed)	20 - 50+	Foarte Ridicată	Foarte Ridicata	Mare	Dificilă	Slabă	Excelentă
Antenă Vivaldi	0.5 GHz - 20 GHz+	> 5:1 (UWB)	5 - 12	Medie-Ridicata	Medie	Mică-Medie	Medie	Foarte Bună	Acceptabilă
Antenă Spirală	0.1 GHz - 18 GHz+	> 10:1 (UWB)	2 - 8	Medie	Scăzută-Medie	Mică	Medie	Excelentă	Slabă
Rețea Dipoli Simplă	Depinde de design	5-20%	5 - 15	Medie	Medie	Variabilă	Medie	Acceptabilă	Bună

Antena reprezintă nu doar un element pasiv de radiație, ci o componentă activă și critică ce modelează ieșirea finală și influențează direct atât eficacitatea, cât și siguranța. Chiar și cu un generator de impulsuri perfect, dacă antena nu poate gestiona puterea, nu se adaptează la impedanță sau nu direcționează energia eficient, sistemul eșuează. O adaptare necorespunzătoare a impedanței [40] duce la reflexia puterii înapoi către generator, potențial deteriorându-l și reducând puterea radiată. O capacitate insuficientă de gestionare a puterii [40] duce la apariția arcurilor electrice și la defectarea antenei. O directivitate slabă înseamnă energie irosită și dispersată, reducând raza efectivă de acțiune și crescând riscul de a afecta sistemele non-țintă sau operatorul. Proiectarea antenelor foarte direcționale este cheia pentru efecte precise și auto-protecție.[10] Mai mult, antena este punctul în care energia RF periculoasă este radiată intenționat, făcând proiectarea sa critică pentru siguranța operatorului (directivitate, lobi posteriori).

Capitolul 7: Asamblarea Sistemului, Integrarea și Carcasarea

După proiectarea și construcția subsistemelor individuale, integrarea acestora într-un ansamblu funcțional și sigur reprezintă o etapă complexă, plină de provocări.

Configurația Mecanică și Strategia de Montare a Componentelor
Dispunerea fizică a componentelor este crucială pentru performanță și siguranță.

Minimizarea Inductanței și Capacității Parazite: Prin plasarea strategică a componentelor și prin utilizarea unor trasee de curent scurte și directe, în special pentru curenții mari.
Montarea Sigură: Componentele grele, cum ar fi condensatoarele și transformatorul, trebuie montate ferm pentru a rezista la vibrații și solicitări mecanice.
Considerații Termice și de Vibrații: Trebuie luate în calcul dilatarea termică și potențialele vibrații în timpul funcționării.
Modularitate: Un design modular poate facilita asamblarea, testarea și întreținerea.

Cablare de Înaltă Tensiune, Interconexiuni și Tehnici de Izolare
Gestionarea tensiunilor înalte necesită o atenție deosebită.

Cablare: Utilizarea cablurilor dimensionate pentru înaltă tensiune, cu izolație adecvată (de exemplu, silicon, XLPE, Teflon). Lungimea cablurilor trebuie minimizată, iar îndoirile bruște evitate.
Interconexiuni: Conexiunile cu inductanță redusă (de exemplu, benzi late de cupru sau panglici în locul firelor rotunde pentru traseele de curent mare) sunt esențiale. Conexiunile trebuie să fie sigure și fiabile (prin șuruburi, sertizare, lipire atentă).
Tehnici de Izolare:

Distanțe de Izolare Adecvate: Spații suficiente în aer între componentele de înaltă tensiune și față de masă.
Materiale Izolatoare: Utilizarea materialelor izolatoare (de exemplu, Perspex, Teflon, G10/FR4) pentru bariere și suporturi.
Impregnare sau Încapsulare: Pentru designuri foarte compacte sau tensiuni extreme, secțiunile de înaltă tensiune pot fi impregnate sau încapsulate în ulei, rășină epoxidică sau SF6 (tehnică avansată). 7 subliniază că izolația este critică pentru puterea pulsatorie, alegerea acesteia determinând dimensiunea și limitele de operare.
Gestionarea Stresului Câmpului Electric: Rotunjirea muchiilor ascuțite, utilizarea inelelor de corona/gradare pentru tensiuni foarte înalte.
Efectele Impulsurilor cu Timp de Creștere Rapid asupra Izolației: Activitatea de descărcare parțială (PD) începe la tensiuni mai joase și degradează izolația mai rapid.39 Aceasta necesită o izolație mai robustă decât pentru DC sau AC la 50/60Hz. Structurile de izolație compozite (solid, lichid, gaz, vid) sunt proiectate pe baza fiabilității și a formulelor empirice de izolație.43 O linie Blumlein PFL utilizează o combinație de PSIS (Periodic Slotted Insulation Structure) și glicerină pentru izolație, optimizând rezistența câmpului electric.39

Filozofia Împământării pentru Siguranță și Atenuarea EMI
O împământare corectă este fundamentală atât pentru siguranța operatorului, cât și pentru funcționarea corectă a sistemului.

Împământare de Siguranță: Scopul principal este protejarea personalului împotriva șocurilor electrice. Toate părțile conductoare expuse ale carcasei trebuie conectate la o împământare solidă.
Împământare de Semnal/RF: Asigură o cale de retur pentru curenți și un potențial de referință.
Împământare într-un Singur Punct vs. Multi-Punct:

Împământarea într-un singur punct este adesea preferată pentru circuitele de joasă frecvență pentru a evita buclele de masă.44
Împământarea multi-punct (conectarea la un plan de masă în mai multe locații) este mai bună pentru circuitele de înaltă frecvență pentru a oferi căi de impedanță redusă.45
Pentru sistemele pulsatorii cu conținut spectral larg, o abordare hibridă sau un plan de masă bine proiectat este crucial.

Conductori de Împământare: Se recomandă utilizarea unor benzi late de cupru sau tuburi pentru impedanță redusă la frecvențe înalte.46 Traseele de împământare trebuie menținute scurte și directe.44
Împământarea HVPSU: Sursa de alimentare ar trebui să fie punctul de legătură pentru împământările sistemului. Șasiul său trebuie conectat sigur la împământarea sistemului.47

Practicile de împământare pentru EMP includ utilizarea benzilor/tuburilor late de cupru, trasee scurte/directe, conexiuni adecvate (brazate/Cadwelded subteran), un punct de împământare ultim și utilizarea bentonitei în soluri slabe.46

Ecranare EMI pentru Integritatea Sistemului și Protecția Operatorului
Ecranarea electromagnetică (EMI) este vitală pentru a preveni interferențele.

Scop:

Prevenirea interferenței EMI generate de dispozitivul HPM (de exemplu, de la eclatoare, tranzienți de comutare rapizi) cu propria sa electronică de control.
Prevenirea afectării dispozitivului de către EMI extern.
Limitarea radiației HPM/EMP în direcția intenționată și protejarea operatorului și a echipamentelor electronice din apropiere.

Tehnici:

Carcase (Cuști Faraday): Carcase metalice (aluminiu, oțel, cupru) pentru a bloca EMI radiat.44
Cabluri Ecranate: Pentru liniile de alimentare și de semnal, pentru a preveni radiația sau captarea EMI.44
Garnituri și Etanșări: Garnituri conductive pentru îmbinări și joncțiuni în carcase, pentru a menține integritatea ecranării.49
Filtre: Filtre de linie de alimentare, filtre de linie de semnal pentru a bloca EMI condus.3 Mărgele de ferită și șocuri.3
Ecranare la Nivel de Componentă: Cutii de ecranare pentru circuitele sensibile.

Soluțiile de ecranare EMP/HPM includ carcase, cabinete, camere, filtre și uși ecranate.48

Management Termic pentru Operare Susținută
Generarea de impulsuri de mare putere implică disiparea căldurii.

Surse de Căldură: Rezistențe de încărcare, comutator (electrozi de eclator, dispozitive solid-state), condensatoare (pierderi ESR), transformator, alimentare antenă (la putere medie foarte mare).
Consecințele Supraîncălzirii: Defectarea componentelor, reducerea duratei de viață, funcționare instabilă.
Tehnici:

Radiatoare de Căldură (Heat Sinks): Pentru semiconductori de putere, potențial pentru electrozii eclatoarelor în sisteme cu PRF ridicat.51 Cuprul oferă o conductivitate termică superioară.52
Răcire cu Aer Forțat (Ventilatoare): Ventilatoare PWM pentru flux de aer controlat.51
Răcire cu Lichid: Pentru densități de putere foarte mari sau PRF (mai avansat).51 Fluide dielectrice pentru componente HV.53
Materiale de Interfață Termică (TIMs): Îmbunătățesc transferul de căldură între componente și radiatoare (vaseline, pad-uri, pe bază de metal, carbon, polimer).51
Proiectarea PCB pentru Disiparea Căldurii: Vias termice, planuri/trasee de cupru pentru a distribui căldura.52

Sistemele pulsatorii prezintă provocări termice unice datorită puterii de vârf ridicate, dar potențial puterii medii scăzute. Cu toate acestea, la rate de repetiție ridicate, puterea medie și, prin urmare, căldura, pot deveni semnificative.51 O revizuire cuprinzătoare a TIM-urilor (vaselină termică, pe bază de metal, carbon, polimer) și rolul lor în electronica de mare putere, inclusiv cele cu sarcini termice tranzitorii pulsatorii, este furnizată în.51

Tehnici de Miniaturizare (Prezentare Generală Succintă)
Miniaturizarea sistemelor de putere pulsatorie este un domeniu activ de cercetare și dezvoltare.

Stocare Compactă a Energiei: Condensatoare cu densitate energetică mare.23
Componente Solid-State Avansate: SiC, GaN.13
Integrarea Componentelor, Ambalare 3D.53
Management Termic Eficient în Spații Compacte.51
Utilizarea Dielectricilor cu Permitivate Ridicată în PFL/Blumlein.39
Proiecte Compacte de Generatoare Marx.19
Proiecte Compacte de PFN.23
Galvanoplastia pentru îmbunătățirea proprietăților, minimizând în același timp dimensiunea/greutatea.57

Eforturi continue sunt depuse pentru miniaturizarea generatoarelor Marx.22 Proiectele compacte de HVPSU și PFN-Marx sunt discutate în.14Asamblarea cu succes a acestor subsisteme de mare putere și înaltă tensiune într-o unitate funcțională și rezonabil de sigură reprezintă o provocare inginerească majoră. Interacțiunile dintre subsisteme (de exemplu, EMI de la comutator care afectează logica de control, zgomotul HVPSU cuplat în circuitul de declanșare, sarcina termică de la o componentă care afectează alta) trebuie gestionate. Configurația fizică este critică pentru a minimiza inductanțele parazite care degradează performanța impulsului și pentru a asigura o izolație HV adecvată.20 Împământarea și ecranarea devin preocupări la nivel de sistem, nu doar la nivel de componentă.44 Managementul termic trebuie să ia în considerare căldura generată de toate componentele disipative și proximitatea lor.51 Prin urmare, o construcție de succes necesită nu doar proiecte bune ale subsistemelor individuale, ci o abordare holistică a integrării sistemului, acordând o atenție deosebită configurației, interconexiunilor, izolației, împământării și ecranării.

Capitolul 8: Testare Inițială, Diagnosticare și Calibrare (Procedați cu Extremă Prudență)

Această etapă este critică și trebuie abordată cu cea mai mare precauție, respectând toate protocoalele de siguranță. Orice eroare poate duce la deteriorarea echipamentului sau, mai grav, la accidente.

Cerințe de Siguranță Preliminare pentru Pornirea Sistemului

OBLIGATORIU: Revizuirea amănunțită a tuturor protocoalelor de siguranță din Capitolul 9.
Utilizarea echipamentului de protecție: sonde de înaltă tensiune, ochelari de protecție, unelte izolate, mănuși de înaltă tensiune (dacă este cazul pentru procedură).
Asigurarea unui spațiu de lucru curat și neaglomerat.
Prezența unui observator de siguranță familiarizat cu siguranța la înaltă tensiune și procedurile de urgență.
Disponibilitatea unui întrerupător de urgență / oprire a alimentării.
Testele inițiale trebuie efectuate într-un mediu ecranat sau într-o zonă de testare desemnată, cu acces controlat.

Verificări și Teste de Sistem la Putere Redusă
Înainte de a aplica tensiuni înalte, se efectuează o serie de verificări preliminare:

Verificări de Continuitate: Pe toate cablajele (cu alimentarea oprită).
Verificări ale Rezistenței de Izolație: Test cu Megger, dacă echipamentul este disponibil.
Testarea Circuitelor de Control și Declanșare: La tensiune joasă.
Pornirea Graduală a HVPSU: Monitorizând tensiunea și curentul, fără a conecta inițial la bancul principal de stocare a energiei.
Testarea Funcționării Circuitului de Încărcare: Cu o sarcină fictivă (dummy load) sau un condensator de test mic.

Introducere în Măsurarea Parametrilor Impulsului (Măsurătorile de Mare Putere și Înaltă Frecvență sunt Complexe)
Caracterizarea precisă a impulsurilor generate este esențială, dar dificilă.

Măsurarea Tensiunii:

Divizoare de Înaltă Tensiune: Rezistive sau capacitive. Trebuie să aibă o lărgime de bandă adecvată și o tensiune nominală corespunzătoare. Sondele HV comerciale pentru osciloscoape sunt o opțiune. 58 menționează divizoarele HV.

Măsurarea Curentului:

Transformatoare de Curent (CT) sau Bobine Rogowski: Măsurare fără contact, bună pentru curenți mari și impulsuri rapide.58
Rezistențe de Vizualizare a Curentului (CVR) / Șunturi: Șunturi rezistive cu inductanță redusă. Căderea de tensiune pe șunt este proporțională cu curentul. Trebuie să suporte puterea de vârf.

Măsurarea Puterii/Intensității Câmpului Impulsului de Microunde (Mai Avansat):

Necesită antene calibrate, atenuatoare și putermetre de microunde sau detectoare cu diode rapide conectate la un osciloscop cu lărgime de bandă mare.4
Metode calorimetrice pentru energia impulsului.58
Măsurarea este dificilă din cauza EMI intens generat de generatorul însuși.59 Ecranarea echipamentului de diagnostic este crucială.

Forma Impulsului (Timp de Creștere, Lățime Impuls, Timp de Cădere): Necesită un osciloscop cu lărgime de bandă mare și sonde adecvate.

Utilizarea sondelor de microunde d-dot și b-dot și a înregistratoarelor de intensitate a câmpului este menționată pentru măsurători HPM.4 Măsurătorile de putere HPM folosind o antenă cu bandă largă, un cablu RF și un detector cu diodă, cu detectorul într-o cameră ecranată pentru a atenua zgomotul, au estimat o putere de vârf de ~1kW la 7m.59

Ghid de Depanare de Bază
O abordare sistematică este necesară pentru identificarea și remedierea problemelor.

Lipsă Ieșire / Ieșire Scăzută: Verificați alimentarea, conexiunile, componentele HVPSU, funcționarea comutatorului.
Declanșare Inconsistentă: Verificați circuitul de declanșare, tensiunea de încărcare, starea eclatorului.
Arcuire sau Străpungere în Locații Neintenționate: Verificați izolația, distanțele de izolare, muchiile ascuțite.
Supraîncălzirea Componentelor: Verificați răcirea, valorile nominale ale componentelor, eventualele scurtcircuite sau sarcini necorespunzătoare.

Actul de a măsura un impuls electromagnetic de mare putere și rapid poate fi intruziv și este adesea complicat de mediul însuși pe care îl creează impulsul. Sistemul de măsurare în sine poate fi afectat de impuls sau poate afecta impulsul. Generatoarele HPM/EMP produc câmpuri electromagnetice intense. Senzorii de diagnostic (antene, sonde, cabluri) plasați în apropierea generatorului pot capta acest EMI intens, corupând măsurătoarea.59 Senzorii și cablurile în sine pot acționa ca antene, potențial alterând distribuția câmpului sau cuplând energie nedorită înapoi în generator. Tensiunile și curenții înalți pot deteriora cu ușurință echipamentele de diagnostic neprotejate sau neadecvate. Prin urmare, diagnosticarea precisă a HPM/EMP necesită senzori specializați, adesea ecranati sau izolați prin fibră optică, o configurare atentă și sisteme robuste de achiziție a datelor, reprezentând unul dintre cele mai dificile aspecte ale dezvoltării HPM. Necesitatea de a plasa detectoarele la distanță mare, în camere ecranate 59, ilustrează această dificultate.

Capitolul 9: Protocoale Critice de Siguranță și Operare Responsabilă

Acest capitol este cel mai important din întregul manual. Nerespectarea acestor protocoale poate duce la accidente grave, vătămări corporale sau chiar deces. Siguranța nu este doar o secțiune, ci o mentalitate care trebuie integrată în fiecare etapă a proiectării, construcției și testării.

Siguranța Electrică Completă pentru Sisteme de Înaltă Tensiune

Înțelegerea Riscurilor: Șoc electric, arsuri, electrocutare prin contact direct, arc electric sau curenți induși. Tensiunile peste 50V pot fi periculoase.
Procedura Lock-Out/Tag-Out (LOTO): Proceduri pentru de-energizarea și securizarea echipamentului înainte de a lucra la el.
Regula Unei Singure Mâini: Atunci când se lucrează la circuite sub tensiune (sau potențial sub tensiune), țineți o mână la spate sau în buzunar pentru a preveni trecerea curentului prin piept. (În general, evitați lucrul la circuite HV sub tensiune).
Tije de Împământare/Descărcare: UTILIZAȚI ÎNTOTDEAUNA pentru a descărca condensatoarele înainte de a atinge orice parte a circuitului HV. Verificați descărcarea completă.
Echipament de Protecție Personală (PPE): Ochelari de protecție cu apărători laterale, mănuși izolatoare HV (evaluate pentru tensiunea de lucru), încălțăminte neconductoare.
Unelte Izolate: Utilizați unelte evaluate pentru lucrul la înaltă tensiune.
Bariere și Carcase: Mențineți secțiunile HV închise și clar marcate cu semne de avertizare.
Proceduri de Urgență: Cunoașteți cum să opriți rapid alimentarea. Instruire în CPR/Prim Ajutor.

Înțelegerea și Atenuarea Pericolelor Expunerii la RF

Radiația RF/microunde de mare intensitate poate cauza încălzirea țesuturilor corpului (efecte termice) și potențial alte efecte non-termice.
Există standarde pentru limitele de expunere sigure (de exemplu, IEEE C95.1, ghidurile ICNIRP). Deși un dispozitiv DIY nu va fi testat formal conform acestora, înțelegerea principiilor este vitală.
Distanța este Cheia: Densitatea de putere RF scade cu pătratul distanței față de antenă (1/R2 pentru o sursă punctuală 5).
Ecranare: Operatorul trebuie să se afle în spatele unei ecranări sau la o distanță semnificativă în timpul funcționării.
Antenă Direcțională: Ajută la concentrarea energiei departe de operator, dar lobii posteriori și laterali trebuie luați în considerare.
Senzorii portabili de detecție HPM pot indica expunerea.10

Stabilirea Procedurilor de Operare Sigure și a Zonelor de Excludere

Proceduri scrise pentru configurare, testare și operare.
Zonă de excludere clar definită în jurul antenei în timpul funcționării, bazată pe nivelurile potențiale de expunere la RF și efectele EMP neintenționate.
Utilizarea semnelor de avertizare și a barierelor.
Nu operați niciodată dispozitivul îndreptat către persoane, animale sau echipamente electronice neintenționate.

Utilizarea Legală și Etică a Dispozitivelor cu Energie Dirijată

Reiterarea ilegalității utilizării unor astfel de dispozitive pentru a interfera cu aeronave sau alte sisteme critice.
Discuție despre experimentarea responsabilă (dacă se efectuează teste, acestea trebuie să aibă loc într-un mediu controlat, ecranat, care previne orice radiație externă).
Acest manual este destinat EXCLUSIV studiului academic și înțelegerii principiilor inginerești. Orice construcție sau operare se face pe riscul unic și extrem al utilizatorului și trebuie să respecte toate legile și reglementările aplicabile.

Fiecare capitol și fiecare etapă de construcție trebuie să aibă considerațiile de siguranță integrate. De exemplu, la discutarea bancurilor de condensatoare, procedurile de descărcare trebuie menționate imediat. La asamblarea componentelor HV, tehnicile de izolare și împământare sunt esențiale nu doar pentru funcționare, ci și pentru siguranță. Acest capitol final servește ca o consolidare și un rezumat cuprinzător al tuturor aspectelor legate de siguranță.

Anexa A: Glosar de Termeni

EMP (Electromagnetic Pulse / Impuls Electromagnetic): O explozie scurtă de energie electromagnetică. Poate fi naturală (fulger, EMP solar) sau artificială.
HPM (High-Power Microwaves / Microunde de Înaltă Putere): Radiație electromagnetică în domeniul microundelor, la nivele de putere foarte mari, capabilă să perturbe sau să distrugă electronicele.
Generator Marx: Un circuit electric care generează un impuls de înaltă tensiune prin încărcarea mai multor condensatoare în paralel și descărcarea lor în serie.
PFN (Pulse Forming Network / Rețea de Formare a Impulsului): Un circuit electric care modelează un impuls electric într-o formă de undă specifică (de obicei rectangulară sau trapezoidală) și durată.
Eclator (Spark Gap): Un comutator format din doi sau mai mulți electrozi separați de un mediu dielectric (gaz, lichid, vid) care se amorsează (conduce) atunci când tensiunea aplicată depășește o anumită valoare.
ESR (Equivalent Series Resistance / Rezistență Serie Echivalentă): O rezistență parazită internă a unui condensator (sau inductor) care cauzează disiparea energiei sub formă de căldură.
ESL (Equivalent Series Inductance / Inductanță Serie Echivalentă): O inductanță parazită internă a unui condensator (sau alt component) care poate limita viteza de variație a curentului.
dV/dt: Rata de variație a tensiunii în timp. O valoare mare este caracteristică impulsurilor rapide.
dI/dt: Rata de variație a curentului în timp. O valoare mare este caracteristică comutării rapide a curenților mari.
Câștig (Antenă): O măsură a capacității unei antene de a direcționa puterea radiată într-o anumită direcție, comparativ cu o antenă izotropă. Exprimat de obicei în dBi.
Directivitate (Antenă): Similar câștigului, descrie cât de bine concentrează antena energia într-o direcție preferată.
HVPSU (High-Voltage Power Supply / Sursă de Alimentare de Înaltă Tensiune): Un circuit electronic care furnizează tensiune DC ridicată.
PRF (Pulse Repetition Frequency / Frecvența de Repetiție a Impulsurilor): Numărul de impulsuri generate pe secundă. Exprimat în Herți (Hz).
UAV (Unmanned Aerial Vehicle / Vehicul Aerian fără Pilot): Denumire tehnică pentru dronă.
EMI (Electromagnetic Interference / Interferență Electromagnetică): Perturbarea funcționării unui circuit electric cauzată de un câmp electromagnetic emis de o sursă externă sau internă.
LNA (Low-Noise Amplifier / Amplificator cu Zgomot Redus): Un amplificator utilizat la intrarea receptoarelor RF pentru a amplifica semnale slabe fără a adăuga zgomot semnificativ.
ESC (Electronic Speed Controller / Controler Electronic de Viteză): Un circuit electronic care controlează viteza unui motor electric, utilizat frecvent în drone.
PWM (Pulse Width Modulation / Modulare în Lățime a Impulsului): O tehnică de control prin variația lățimii impulsurilor unui semnal digital.

Anexa B: Furnizori Sugerați de Componente (Ghid General)

Obținerea componentelor specializate pentru putere pulsatorie de înaltă tensiune poate fi o provocare pentru persoane fizice. Se recomandă prudență și verificarea specificațiilor. Această listă este cu titlu informativ și nu reprezintă o aprobare specifică:

Condensatoare de Înaltă Tensiune și Impuls: Căutați producători specializați în condensatoare cu film (polipropilenă), condensatoare ceramice de putere, condensatoare cu mică. Firme precum Vishay, TDK (EPCOS), Cornell Dubilier (CDE), Knowles Precision Devices, General Atomics (pentru PFN-uri și condensatoare de energie) pot avea game relevante.
Rezistențe de Înaltă Tensiune: Producători precum Vishay, Ohmite, Caddock Electronics.
Diode de Înaltă Tensiune: Producători de semiconductori precum IXYS (acum parte din Littelfuse), Semikron, Vishay.
Eclatoare (Spark Gaps): Firme specializate precum TDK (pentru TSG-uri), Excelitas Technologies, High Energy Devices.
Materiale Izolatoare: Furnizori de materiale plastice industriale (Teflon, Perspex/Acrilic, G10/FR4).
Cabluri de Înaltă Tensiune: Furnizori de cabluri specializate.
Componente Generale (transformatoare, semiconductori de joasă putere, etc.): Distribuitori majori de componente electronice precum Mouser Electronics, Digi-Key Electronics, Farnell (element14), RS Components.

Anexa C: Formule Relevante și Date de Referință

Energia Stocată într-un Condensator: E=21CV2 (Joule)
Sarcina unui Condensator: Q=CV (Coulomb)
Încărcarea RC a unui Condensator (tensiune): V(t)=V0(1−e−t/RC)
Descărcarea RC a unui Condensator (tensiune): V(t)=V0e−t/RC
Impedanța Caracteristică a unei Linii de Transmisie (sau PFN per secțiune): Z0=L/C (Ohm)
Lățimea Impulsului unui PFN (aproximativ): PW≈2NLcelulaCcelula (secunde), unde N este numărul de celule.
Tensiunea de Ieșire a unui Generator Marx Ideal: Viesire≈N×Vincarcare_stadiu
Capacitatea Echivalentă a unui Generator Marx: CMarx=Cstadiu/N
Densitatea de Putere în Spațiul Liber (Legea Friis simplificată pentru câmp îndepărtat): S=4πR2PtGt (W/m²), unde Pt este puterea transmisă, Gt este câștigul antenei de transmisie, R este distanța.
Rigiditatea Dielectrică a Aerului Uscat la STP (Standard Temperature and Pressure): Aproximativ 3 MV/m sau 30 kV/cm. Aceasta este o valoare idealizată; factori precum umiditatea, forma electrozilor și prezența impurităților o pot reduce semnificativ.
Puterea Electrică: P=V×I (Watt) 60

Acest manual a prezentat, într-o manieră narativă specifică unui manual de electronică, modul de construire a unui generator de impulsuri de înaltă putere, cu un accent deosebit pe principiile de funcționare, considerațiile de proiectare pentru fiecare subsistem major și, cel mai important, pe protocoalele critice de siguranță. S-a subliniat în mod repetat natura extrem de periculoasă a unor astfel de dispozitive și faptul că informațiile sunt furnizate exclusiv în scop educațional și pentru înțelegerea teoretică a tehnologiilor implicate. Orice tentativă de construcție practică implică riscuri semnificative și responsabilități legale și etice majore.

Lucrări citate

Full article: Investigation on the effects of C-band high-power ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09205071.2025.2454400?src=
Paralyzing Drones - Google Sites, accesată pe mai 8, 2025, https://sites.google.com/view/paralyzing-drones-via-emi
Investigation on susceptibility of UAV to radiated IEMI | Request PDF, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/325994424_Investigation_on_susceptibility_of_UAV_to_radiated_IEMI
From Disruption to Destruction Assessing the Impact of High-Power ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.sto.nato.int/publications/STO%20Meeting%20Proceedings/STO-MP-SET-315/MP-SET-315-24.pdf
High power microwave for knocking out programmable suicide drones - Security and Defence Quarterly, accesată pe mai 8, 2025, https://securityanddefence.pl/pdf-135068-63981?filename=High%20power%20microwave%20for.pdf
Strong Electromagnetic Interference and Protection in UAVs - MDPI, accesată pe mai 8, 2025, https://www.mdpi.com/2079-9292/13/2/393
Pulsed High-Power Microwave Source Technology - Defense Intelligence Agency, accesată pe mai 8, 2025, https://www.dia.mil/FOIA/FOIA-Electronic-Reading-Room/FileId/170041/
Study on the Performance of Laser Device for Attacking Miniature UAVs - ResearchGate, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/384411601_Study_on_the_Performance_of_Laser_Device_for_Attacking_Miniature_UAVs
(PDF) High power microwave for knocking out programmable ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/350941439_High_power_microwave_for_knocking_out_programmable_suicide_drones
High-Power Microwaves - Physical Sciences Inc., accesată pe mai 8, 2025, https://www.psicorp.com/products/electricity-and-magnetism/high-power-microwaves/
How can EMI be weaponized? - EE World Online, accesată pe mai 8, 2025, https://www.eeworldonline.com/how-can-emi-be-weaponized/
(PDF) Review of High Voltage Pulsed Power Supplies and Power Electronics in Pulse Power Generation - ResearchGate, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/378700029_Review_of_High_Voltage_Pulsed_Power_Supplies_and_Power_Electronics_in_Pulse_Power_Generation
Compact pulsed power and its industrial applications | Request PDF, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/224101375_Compact_pulsed_power_and_its_industrial_applications
Design of compact high-voltage capacitor charging power supply for pulsed power application | Request PDF - ResearchGate, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/290867470_Design_of_compact_high-voltage_capacitor_charging_power_supply_for_pulsed_power_application
Study of Bipolar Inductively Isolated High-Voltage Pulse Source - MDPI, accesată pe mai 8, 2025, https://www.mdpi.com/2079-9292/12/18/3864
Review of High Voltage Pulsed Power Supplies and Power ..., accesată pe mai 8, 2025, https://cprijournal.in/index.php/pr/article/view/1140
High Frequency Magnetic Core Loss Study - VTechWorks, accesată pe mai 8, 2025, https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/19296/Mu_M_D_2013.pdf
A Review of Magnetic Core Materials, Core Loss Modeling and Measurements in High-Power High-Frequency Transformers - ResearchGate, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/366888433_A_Review_of_Magnetic_Core_Materials_Core_Loss_Modeling_and_Measurements_in_High-Power_High-Frequency_Transformers
Marx Generator Design Principles and Developments - EdgeFX Technologies, accesată pe mai 8, 2025, https://edgefxtech.com/marx-generator-design-principles/
Experimental results on design aspects of a compact repetitive Marx generator, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/224101476_Experimental_results_on_design_aspects_of_a_compact_repetitive_Marx_generator
How to Specify Capacitors for High-Energy Pulse Applications, accesată pe mai 8, 2025, https://passive-components.eu/how-to-specify-capacitors-for-high-energy-pulse-applications/
Capacitors to Generate High Voltage Pulses with Marx Generators - passive-components.eu, accesată pe mai 8, 2025, https://passive-components.eu/capacitors-to-generate-high-voltage-pulses-with-marx-generators/
Capacitors in Pulse Forming Network - Passive Components Blog, accesată pe mai 8, 2025, https://passive-components.eu/capacitors-in-pulse-forming-network/
A compact 4 GW pulse generator based on pulse forming network-Marx for high-power microwave application | Request PDF - ResearchGate, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/352341831_A_compact_4_GW_pulse_generator_based_on_pulse_forming_network-Marx_for_high-power_microwave_application
Ceramic-Based Dielectric Materials for Energy Storage Capacitor Applications - PubMed, accesată pe mai 8, 2025, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38793340
Specifying Capacitors for High-Energy Pulse Applications - Knowles Precision Devices, accesată pe mai 8, 2025, https://blog.knowlescapacitors.com/blog/specifying-capacitors-for-high-energy-pulse-applications
www.nessengr.com, accesată pe mai 8, 2025, https://www.nessengr.com/wp-content/uploads/2018/11/gapmatstudies.pdf
A Pulser System with Parallel Spark Gaps at High Repetition Rate - ResearchGate, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/264109738_A_Pulser_System_with_Parallel_Spark_Gaps_at_High_Repetition_Rate
Two Electrode Spark Gaps - High Energy Devices, accesată pe mai 8, 2025, https://highenergydevices.com/products/two-electode-spark-gaps/
www.tdk-electronics.tdk.com, accesată pe mai 8, 2025, https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/2995452/a36c8abaa877a02437205a5e34a2c0c3/switching-spark-gaps-pb.pdf
Design and testing of a rotary arc gap-switch for pulsed power ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/3164883_Design_and_testing_of_a_rotary_arc_gap-switch_for_pulsed_power
Design of a 15MW Solid-State Linear Transformer Driver for Gas Switch Triggering Applications - VTechWorks - Virginia Tech, accesată pe mai 8, 2025, https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/10919/83932/1/Sherburne_MD_T_2018.pdf
A novel solid-state HPM source based on a gyromagnetic NLTL and SOS-based pulse generator | Request PDF - ResearchGate, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/241629798_A_novel_solid-state_HPM_source_based_on_a_gyromagnetic_NLTL_and_SOS-based_pulse_generator
Updates on Impact Ionisation Triggering of Thyristors - MDPI, accesată pe mai 8, 2025, https://www.mdpi.com/2076-3417/14/10/4196
Pulse Forming Networks | General Atomics, accesată pe mai 8, 2025, https://www.ga.com/capacitors/pulse-forming-networks
Pulse-forming network - Wikipedia, accesată pe mai 8, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-forming_network
Development and Test of Pulse-Forming Network Marx Generator for High-Power Microwave Applications - TTU DSpace Repository, accesată pe mai 8, 2025, https://ttu-ir.tdl.org/items/59bc93b6-400a-477b-893a-eadcc3e3d767
A compact bipolar pulse-forming network-Marx generator based on ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/259107303_A_compact_bipolar_pulse-forming_network-Marx_generator_based_on_pulse_transformers
A high voltage pulse power supply based on novel Blumlein type ..., accesată pe mai 8, 2025, https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/96/4/044704/3343709/A-high-voltage-pulse-power-supply-based-on-novel
Design of an Electromagnetic Pulse Radiation Antenna, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/376968541_Design_of_an_Electromagnetic_Pulse_Radiation_Antenna
ATLA's High-Power Microwave Device: Advancing R&D for Cost-Effective Counter-Drone Systems - Asian Military Review, accesată pe mai 8, 2025, https://www.asianmilitaryreview.com/2025/03/atlas-high-power-microwave-device-advancing-rd-for-cost-effective-counter-drone-systems-nsbt/
FastTrans: Reducing the Impact of Repetitive Voltage Pulses on HV ..., accesată pe mai 8, 2025, https://blog.sintef.com/industry/fasttrans-reducing-the-impact-of-repetitive-voltage-pulses-on-hv-components/
A Method to design composite insulation structures based on ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.cambridge.org/core/journals/laser-and-particle-beams/article/method-to-design-composite-insulation-structures-based-on-reliability-for-pulsed-power-systems/AE9FBD06FE342D1E703509D2533B5787
Designing for EMI/EMC Compliance: Best Practices for Electronics Engineers, accesată pe mai 8, 2025, https://runtimerec.com/designing-for-emi-emc-compliance/
Grounding Techniques on EMC, accesată pe mai 8, 2025, https://emcinsight.com/grounding-techniques-on-emc/
Grounding for Electromagnetic Pulse Protection - Futurescience.com ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.futurescience.com/emp/emp-grounding.html
FAQs: How Should I Ground Your High Voltage Power Supply?, accesată pe mai 8, 2025, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/FAQs/Usage-Application/How-should-I-ground-your-supply
EMP/HPM shielding solutions: design and construction - Fitelnet Oy, accesată pe mai 8, 2025, https://fitelnet.fi/en/emp-hpm-protection/emp-hpm-shielding-solutions-design-and-construction/
Understanding EMI Shielding: The Essentials of Electromagnetic Shielding - Raybloc X-ray Protection, accesată pe mai 8, 2025, https://raybloc.com/understanding-emi-shielding/
What is EMI Shielding and Why is it Important for Your Design? - Modus Advanced, accesată pe mai 8, 2025, https://www.modusadvanced.com/resources/blog/what-is-emi-shielding-and-why-is-it-important-for-your-design
Recent Advances in Thermal Interface Materials for Thermal ... - MDPI, accesată pe mai 8, 2025, https://www.mdpi.com/2079-4991/12/19/3365
FPGA Power and Thermal Management Strategies - Fidus Systems, accesată pe mai 8, 2025, https://fidus.com/blog/navigating-the-power-and-thermal-challenges-of-high-performance-fpgas/
Compact Power Research Articles - R Discovery, accesată pe mai 8, 2025, https://discovery.researcher.life/topic/compactness-power/3962798?page=1&topic_name=Compactness%20Power
Average-power scaling of in-band pumped, Tm-doped, fiber laser systems for high peak power pulsed operation - Optica Publishing Group, accesată pe mai 8, 2025, https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-33-7-16029
A Compact Overview on Li-Ion Batteries Characteristics and Battery Management Systems Integration for Automotive Applications - MDPI, accesată pe mai 8, 2025, https://www.mdpi.com/1996-1073/17/23/5992?ref=blog.prototyp.digital
Mini-PulPS: Miniaturized Pulsed Power Systems for Mission Critical Applications | ARPA-E, accesată pe mai 8, 2025, https://arpa-e.energy.gov/programs-and-initiatives/search-all-projects/mini-pulps-miniaturized-pulsed-power-systems-mission-critical-applications
How Electroplating Facilitates the Miniaturization of Power Systems ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.proplate.com/how-electroplating-facilitates-the-miniaturization-of-power-systems/
(PDF) Methods for High-Power EM Pulse Measurement, accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/4277794_Methods_for_High-Power_EM_Pulse_Measurement
(PDF) Measurement of high-power microwave pulse under intense ..., accesată pe mai 8, 2025, https://www.researchgate.net/publication/226542647_Measurement_of_high-power_microwave_pulse_under_intense_electromagnetic_noise
Principles of Power Measurement - Electrometric, accesată pe mai 8, 2025, https://electrometric.com/wp-content/uploads/2016/10/Boonton-Principles-of-Power-Measurement.pdf

Search This Blog

Pepinieră de idei

Generatoare de Impulsuri – Aplicații în Contramăsuri Anti-Drone

Lucrări citate

Comments

Post a Comment

Popular posts from this blog

Amenajări hidrografice și forestiere pentru prevenirea inundațiilor cauzate de schimbările climatice

Pantofi cu impamantare

Ethiopia - Erta Ale industrial exploitation