Studio di generatori ad alta potenza e Blumlein Pulse Forming Networks

Abstract

L'obiettivo della tesi è quello di studiare un prototipo di generatore a impulsi in radiofrequenza per l'applicazione a sistemi RF-DEW (Direct Energy Weapon). Per ragioni di sicurezza il generatore è stato sperimentato a basse tensioni, ma anche progettato in modo da essere scalabile per arrivare ai livelli di tensione desiderati. La tesi, teorica e sperimentale, è iniziata dalla ricerca dello stato dell'arte dei vari blocchi che compongono il sistema DEW prestando particolare interesse ai generatori ad alta tensione, ai possibili collegamenti e dispositivi per aumentare l'efficienza. La ricerca ha mostrato topologie di generatori, partendo da poche migliaia di volt fino a megavolt grazie ad architetture a microonde, in grado di sviluppare potenze di decine se non centinaia di megawatt. Dallo studio delle topologie del dispositivo DEW sono risultate di particolare interesse le linee di trasmissione non lineari e di tipo Blumlein in grado di aumentare l'efficienza dell'architettura finale producendo una modulazione in banda irradiante che poi corrisponderà a quella di una futura antenna. Dopo lo studio si è passati alla progettazione e simulazione di un prototipo di generatore e di una linea di trasmissione non lineare coassiale. Visti i risultati molto positivi si è passati alla realizzazione dei suddetti prototipi e in particolare al test di una linea di trasmissione con un setup apposito per garantire sicurezza con pochi chilovolt, grazie ad un generatore commerciale con circuito di protezione dalle riflessioni, condensatore con spinterometro e carico ad alta potenza. Viste comunque le tensioni e correnti elevate e potenzialmente dannose per la strumentazione ma anche per la sicurezza degli operatori, è stato progettato e realizzato un sistema di misura con D-dot e integratore per garantire la piena operatività alle interfacce delle linee in modo preciso e ripetibile. I test hanno rilevato il corretto comportamento dei dispositivi.

The aim of the thesis is to study a prototype of a radiofrequency pulse generator for application to RF-DEW (Direct Energy Weapon) systems under study. For safety reasons, the generator was tested at low voltages, but also designed to be scalable to reach the desired voltage levels. The thesis, theoretical and experimental, started from the research of the state of the art of the various blocks that make up the DEW system, paying particular interest to high voltage generators, possible connections and devices to increase efficiency. Research has shown generator topologies, starting from a few thousand kilovolts up to megavolts thanks to microwave architectures, capable of developing powers of tens if not hundreds of megawatts. From the study of the topologies of the DEW device, the non-linear and Blumlein-type transmission lines resulted of particular interest, capable of increasing the efficiency of the final architecture by producing a modulation in the radiating band which will then correspond to that of a future antenna. After the study, we moved on to the design and simulation of a generator prototype and a coaxial non-linear transmission line. Given the very positive results, we moved on to the creation of the aforementioned prototypes and in particular to testing a transmission line with a specific setup to ensure safety with a few kilovolts, thanks to a commercial generator with a protection circuit against reflections, a capacitor with a spark gap and high power load. In any case, given the high voltages and currents which are potentially harmful, a measurement system with D-dot and integrator was designed and built to guarantee full operation at the interfaces of the lines in a precise and repeatable manner. The tests revealed the correct behavior of the devices.