ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε. ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΩΝ Εφαρμογές μικροκυμάτων υψηλής ισχύος (High Power microwaves applications) ΦΟΙΤΗΤΡΙΑ: ΑΝΝΑ ΜΑΝΙΚΑΤΗ, Α.Ε.Μ.: 2224 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Δρ. ΣΤΥΛΙΑΝΟΣ ΤΣΙΤΣΟΣ (ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ) ΣΕΡΡΕΣ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2015

Μικροκύματα υψηλής ισχύος (High Power Microwaves - HPM) Λαμβάνονται υπόψη ως συσκευές για τον προσδιορισμό των επιπέδων ισχύος και ενέργειας. Οι βασικές συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι klystrons, magnetrons και gyrotrons. Επιδιώκεται η αύξηση της ισχύος με την χρήση υψηλών ρευμάτων, υψηλών τάσεων και ισχυρότερων πεδίων σύζευξης. Με την αύξηση της ισχύος επιτυγχάνεται αύξηση της συχνότητας. Το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι η μικροκυματική ανώτατη ισχύς. Ενδέχεται η ανώτατη ισχύς να μειωθεί στις υψηλές συχνότητες, ενώ σε χαμηλότερες συχνότητες παρουσιάζει πιο σταθερές τιμές.

HPM και συμβατικές συσκευές Οι συμβατικές μικροκυματικές συσκευές έχουν πολύ μεγάλες τιμές μέσης ισχύος, ενώ οι συσκευές HPM έχουν χαμηλότερα επίπεδα μέσης ισχύος. Συμβατικές μικροκυματικές διατάξεις: το klystron έχει την υψηλότερη ισχύ. Διατάξεις HPM: η συσκευή με την υψηλότερη ισχύ είναι το magnetron. Σε συσκευές παλμών οι συμβατικές συσκευές παράγουν ενέργεια ενός joule ανά παλμό, ενώ οι συσκευές HPM χρησιμοποιούσαν ενέργεια του ενός kilojoule. Σε συσκευές με μεγάλο εύρος ζώνης και με πολύ μικρή διάρκεια παλμού αντιστοιχεί ενέργεια μικρότερη από 1 Joule.

Συσκευές HPM και γενικά χαρακτηριστικά Αξιοπιστία και διάρκεια ζωής αποτελούν βασικά χαρακτηριστικά στην λειτουργία τους. Επίσης λαμβάνονται υπόψη τα εξής: εύρος ζώνης, κέρδος, φάση, επίπεδα θορύβου. Οι υψηλότερες απαιτήσεις ισχύος είναι αυτές που αναφέρονται στην ισχύ από την γη στο διάστημα (γη-διάστημα, διάστημα-διάστημα, διάστημα-γη) και αναφέρονται στην μέση ισχύ. Μπορούν να συνδυαστούν με τις συμβατικές συσκευές, για να παράγουν καλύτερες συσκευές με υψηλά χαρακτηριστικά.

Σχεδιασμός συστημάτων HPM Ένα σύστημα HPM αποτελείται από τα εξής χαρακτηριστικά: Το υποσύστημα κύριας ισχύος. Το υποσύστημα παλμικής ισχύος. Μια μικροκυματική πηγή. Έναν μετατροπέα ρυθμού διάδοσης. Μια κεραία. Τα παραπάνω αποτελούν τα υποσυστήματα ενός συστήματος και το καθένα από αυτά έχει ένα σύνολο από αντικείμενα, τα οποία ακολουθούνται από τα τμήματα. Τα υποσυστήματα φαίνονται στην παρακάτω εικόνα:

Κύρια ισχύς (Prime Power) Περιέχει ένα ηλεκτρικό σήμα εισόδου χαμηλής ισχύος, μετατρέποντάς το σε έναν μεγάλο παλμό. Λαμβάνονται υπόψη η μέση ισχύς, ο ρυθμός επανάληψης και η τάση εξόδου. Χρησιμοποιεί γεννήτρια που ενισχύεται από μια μηχανή εσωτερικής καύσης, αλλά μπορεί το σύστημα να λειτουργήσει και με μπαταρίες. Είτε η γεννήτρια εσωτερικής καύσης εναλλασσόμενου ρεύματος, είτε η μπαταρία συνεχούς ρεύματος, παράγουν παλμό υψηλής ισχύος ή συνεχόμενη ισχύ, που διαδίδεται σε μια έξοδο συνεχούς ρεύματος και λειτουργεί ως είσοδος για το επόμενο υποσύστημα που είναι η παλμική ισχύς.

Παλμική ισχύς (Pulsed Power) Παίρνει την χαμηλή ισχύ ή την ισχύ του παλμού, την αποθηκεύει και μετά την διοχετεύει προς τα έξω σε ηλεκτρικούς παλμούς υψηλής ισχύος με πολύ μικρότερη χρονική διάρκεια. Είδη παλμικής ισχύος: διαμορφωτές, γεννήτριες Marx, γραμμές διαμόρφωσης παλμών (PFLs), δίκτυα διαμόρφωσης παλμών (PFNs) και αποθήκευση επαγωγικής ενέργειας Η έξοδος των αντικειμένων παλμικής ισχύος περιλαμβάνει ένα επιπλέον αντικείμενο παλμικής ισχύος για μεγαλύτερη συμπίεση παλμών, κατεύθυνση προς την μικροκυματική πηγή και έναν μετατροπέα αντίστασης και τάσης.

Μικροκυματική πηγή (Microwave Source) Οι ηλεκτρικοί παλμοί υψηλής ισχύος (και μικρής διάρκειας) μετατρέπονται σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Στη σύνδεση με μεταγενέστερα στοιχεία (π.χ. αν συνδεθεί με μια κεραία), τα βασικά χαρακτηριστικά είναι η μικροκυματική ανώτατη ισχύς, η συχνότητα, το μήκος του παλμού και ο ρυθμός διάδοσης του κύματος εξόδου που συνήθως αναφέρεται στον κυματοδηγό. Το εύρος ζώνης μπορεί να επηρεάσει την επιλογή των μεταγενέστερων αντικειμένων. Οι αντιστάσεις της παλμικής ισχύος και της μικροκυματικής πηγής πρέπει να προσαρμόζονται μεταξύ τους για την σωστή λειτουργία του συστήματος HPM, αλλιώς θα υπάρξουν απώλειες ενέργειας και απώλειες αποδοτικότητας της ενέργειας.

Μετατροπέας ρυθμού διάδοσης και κεραία (Mode Converter and Antenna) Οι παράμετροι εξόδου της μικροκυματικής πηγής καθορίζουν την σύνδεση με την κεραία (συχνότητα, ανώτατη ισχύς, μήκος παλμού, ενέργεια παλμού, εύρος ζώνης και μήκος κύματος). Ο μετατροπέας ρυθμού διάδοσης είναι το υποσύστημα που υπάρχει μετά την μικροκυματική πηγή και συνήθως χρησιμοποιείται ως κυματοδηγός. Τα χαρακτηριστικά της εξόδου της κεραίας είναι η ισχύς, η συχνότητα και το κέρδος της κεραίας ή το γωνιακό πλάτος.

Προδιαγραφές συστήματος Αποδοτική μεταφορά ενέργειας από ηλεκτρισμό σε μικροκύματα. Αξιοπιστία, που στηρίζεται στην πολυπλοκότητα του συστήματος. Μια ηλεκτρική παράμετρος μεγάλης σημασίας είναι η αντίσταση. Η αποδοτική μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας στις μικροκυματικές πηγές που χρησιμοποιούν αντιστάσεις με ένα εύρος τιμών, απαιτεί τεχνολογίες παλμικής ισχύος οι οποίες χρειάζονται ένα σημαντικό εύρος αντιστάσεων.

Εφαρμογές των συστημάτων HPM Τα συστήματα πολεμικής αεροπορίας χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά συστήματα για πιο ασφαλείς λειτουργίες (έλεγχος πτήσης, μηχανικός έλεγχος, λειτουργία του πιλοτηρίου). Τα επίγεια συστήματα έχουν υψηλό κέρδος κεραίας. Το μέγεθος της κεραίας πρέπει να είναι μεγάλο, για να παράγει υψηλή κατευθυντικότητα. Τα αερομεταφερόμενα ή ιπτάμενα συστήματα λειτουργούν σε επίπεδα χαμηλής ισχύος και χρειάζονται μικρές, περιστρεφόμενες κεραίες. Το Ναυτικό είναι ίσως το πρώτο που άρχισε να χρησιμοποιεί την τεχνολογία HPM, επειδή δεν ήταν αυστηρά περιορισμένο ως προς το μέγεθος και το βάρος των συστημάτων HPM.

Ακτινοβολία ισχύος (Power Beaming) Μετάδοση ενέργειας γη-διάστημα, διάστημα-γη, διάστημα-διάστημα και σε εφαρμογές στη γη, χρησιμοποιώντας τα συστήματα HPM. Μετάδοση μακρινών πεδίων με κεραία εκπομπής και κεραία λήψης. Κατά την μετάδοση από την κεραία, μειώνεται το πλάτος προς το άκρο της κεραίας εκπομπής, άρα υπάρχει μεγάλη επίδραση στην αποδοτικότητα της μετάδοσης. Βασικός παράγοντας για όλες τις μεταδόσεις ισχύος από το διάστημα στη γη είναι το οικονομικό. Στην εικόνα φαίνεται η σύνδεση γης-διαστήματος

Προώθηση στο διάστημα Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η εκτόξευση των ωφέλιμων φορτίων σε τροχιά, χρησιμοποιώντας πυραύλους και λαμβάνοντας υπόψη το οικονομικό κομμάτι. Ο μικροκυματικός πύραυλος είναι ένας επαναχρησιμοποιήσιμος μονοβάθμιος πύραυλος με χαμηλό κόστος κατασκευής, οπότε εξυπηρετεί τον σκοπό αυτό. Το συνολικό κόστος περιλαμβάνει το κόστος κεφαλαίου και το κόστος λειτουργίας. Το χαμηλότερο κόστος κεφαλαίου επιτυγχάνεται όταν το κόστος αντιπροσωπεύει το κέρδος της κεραίας και την εκπεμπόμενη ισχύ. Το κέρδος περιλαμβάνει την κεραία και τα υποσυστήματα, ενώ το κόστος ισχύος περιλαμβάνει την πηγή, την προμήθεια ισχύος και τον εξοπλισμό. Για χαμηλό κόστος πρέπει το κόστος της κεραίας και το κόστος της πηγής να είναι ίσα.

Μικροκυματικός Πύραυλος Είναι ένας επαναχρησιμοποιήσιμος μονοβάθμιος πύραυλος με σύστημα εκτόξευσης υψηλών προδιαγραφών καθώς και επαναχρησιμοποιήσιμους εκτοξευτές Χρησιμοποιεί δέσμη HPM των 300 MW για να παράγει ισχύ στον μικροκυματικό θερμικό προωθητήρα Το κέλυφος του καλύπτεται από έναν μικροκυματικό εναλλάκτη, τα κανάλια του οποίου εφοδιάζουν τον κινητήρα με καύσιμα υδρογόνου

Εκτόξευση στον διαπλανητικό και διαστρικό χώρο Μεγάλη σημασία έχει η επιτάχυνση από την ορμή των φωτονίων, επειδή αυτά δρουν στα διαστημόπλοια. Η επιτάχυνση περιορίζεται από την θερμοκρασία, οπότε απαιτούνται υλικά με υψηλή θερμοκρασία, όπως ο άνθρακας. Χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως, τα διαστημόπλοια μπορούν να δραπετεύσουν από την τροχιά της γης. Για να μειωθεί ο χρόνος διαφυγής του διαστημόπλοιου, προτιμάται η χρήση πομπού, ο οποίος του προσφέρει ενέργεια. Τα διαστημόπλοια που λειτουργούν με υλικά άνθρακα σε υψηλές θερμοκρασίες, έχουν μεγαλύτερη επιτάχυνση και συνεπώς μεγάλες ταχύτητες σε μικρές αποστάσεις.

Ανάπτυξη δομών του διαστήματος Λαμβάνεται υπόψη το σχήμα του διαστημόπλοιου. Αν το σχήμα του παραμορφώνεται, το διαστημόπλοιο μπορεί να περιπλανιέται. Ηλεκτρομαγνητικά πεδία διαθέτουν ενέργεια, που λειτουργούν για την παραγωγή ροπής σε ένα μέρος του μήκους κύματος, οπότε μεγαλύτερα μήκη κύματος είναι πιο αποδοτικά στη παραγωγή περιστροφής. Το κωνικό σχήμα ενός διαστημόπλοιου είναι το πιο κατάλληλο.

Επιταχυντές σωματιδίων Υποστηρίζονται υψηλά επίπεδα ενέργειας. Ένα βασικό χαρακτηριστικό στην ανάπτυξη των επιταχυντών είναι η παραγωγή των δέσμων ηλεκτρονίων με ενέργεια ίση με 1 TeV. Ένας επιταχυντής που έχει ενέργεια ηλεκτρονίων ίση με 1 TeV είναι γραμμικός. Έτσι είναι ένας RF επιταχυντής, στον οποίο οι πηγές ραδιοσυχνότητας παράγουν τα ηλεκτρικά πεδία, που επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια. Ένας γραμμικός επιταχυντής έχει την παρακάτω μορφή:

Κατηγορίες επιταχυντών Επιταχυντές ηλεκτρονίων και επιταχυντές αδρονίων. Επιταχυντές ηλεκτρονίων: γραμμικός επιταχυντής SLC και γραμμικός επιταχυντής LEP. Και οι δύο επιταχυντές παράγουν δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υψηλής ενέργειας, που συγκρούονται και εξολοθρεύουν η μία την άλλη, με αποτέλεσμα την παραγωγή υποατομικών σωματιδίων που κατέχουν πληροφορίες σχετικά με τις βασικές ιδιότητες και τις στοιχειώδεις δυνάμεις. Παρακάτω φαίνεται η σύνδεση ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων στους επιταχυντές

Συμπαγής γραμμικός επιταχυντής - CLIC Χρησιμοποιούνται δύο δέσμες και υποστηρίζονται ενέργειες πολλών TeV. Είναι μια παθητική μικροκυματική συσκευή. Υψηλά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Απαιτεί υψηλή ισχύ και μεγάλους παλμούς, για να επιταχυνθεί η δέσμη ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας και υψηλής έντασης. Υποστηρίζει υψηλές συχνότητες με μέγιστο όριο τα 30 GHz.

Χαρακτηριστικά Η ισχύς που απαιτείται, για να οδηγήσει τα ηλεκτρόνια στο 1 TeV, είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν που μπορεί να παράγει μια απλή πηγή. Οι RF γραμμικοί επιταχυντές χαμηλότερης ενέργειας, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ιατρικές και βιομηχανικές εφαρμογές, γίνονται πιο συμπαγείς.