Diseño y prueba de un generador DEW de baja tecnología para determinar la inmunidad electromagnética de circuitos electrónicos estándar

Abstracto:

Este artículo describe el efecto de los entornos electromagnéticos de alta potencia (HPEM) en el funcionamiento de todos los elementos básicos de las redes de energía eléctrica. Las bandas de frecuencia se definen para los entornos HPEM. La atención se centra especialmente en las armas de energía dirigida (DEW) y la interferencia electromagnética intencional (IEMI). También se describe una clasificación de los generadores DEW e IEMI en términos de nivel de campo E y distancia objetivo desde la apertura de la antena del generador DEW o IEMI. El objetivo principal de este artículo es el diseño y las pruebas de un generador DEW de baja tecnología utilizado para determinar la inmunidad electromagnética de los circuitos electrónicos estándar.

Además, también se explica la verificación de la inmunidad electromagnética para un circuito electrónico simple sin la protección adecuada contra el campo eléctrico. El resultado de este artículo es la determinación de los límites del campo E para una operación sin fallas, estados de mal funcionamiento de los circuitos probados y la destrucción irreversible de los circuitos. El campo E medido se comparó con la teoría básica de la radiación de microondas y los resultados de la simulación en el software COMSOL Multiphysics (COMSOL, Inc. 100 District Avenue Burlington, MA 01803 EE. UU.).

La inmunidad es el mecanismo de defensa del cuerpo. El cuerpo puede identificar y eliminar cualquier materia extraña que invada desde el exterior;

Células propias viejas, dañadas, muertas, degeneradas y la capacidad de reconocer y tratar con células mutadas e infectadas por virus en el cuerpo. cuando

Cuando la inmunidad es baja, es fácil sufrir enfermedades. Los principales factores que influyen en la baja inmunidad son el factor de la edad: hay dos factores inmunes en la vida.

Etapas de baja inmunidad, a saber, la infancia y la vejez. En nuestra investigación, encontramos que nuestra Cistanche deserticola puede mejorar la inmunidad, los polisacáridos y el verbascósido de Cistanche deserticola pueden aumentar la actividad de las enzimas del tejido cardíaco y cerebral, mejorar la fagocitosis de las células peritoneales y la respuesta de proliferación de los linfocitos, mejorando así la inmunidad.

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Palabras clave:

entorno electromagnético de alta potencia (HPEM); armas de energía dirigida (DEW); interferencia electromagnética intencional (IEMI); magnetrón de inmunidad electromagnética; interferencia; antena; mejoramiento; inmunidad electromagnética.

1. Introducción

Una red de energía eléctrica consta de elementos básicos de generación, transmisión, distribución y usuarios o consumidores. Las grandes plantas de energía se programan en función de las necesidades de energía proyectadas para cada día, y se realizan subastas mundiales para lograr el mejor resultado de precio y confiabilidad para el consumidor. Debido a una tendencia creciente de utilizar fuentes de electricidad más ecológicas, como los sistemas solares [1,2], los parques eólicos [3,4], etc., se imponen exigencias mucho mayores a la red de transmisión en términos de su estructura [5,6]. ], estabilidad [7], optimización [8–10] y protección de los requisitos del cliente final contra interferencias [11–13].

Cada gran compañía eléctrica tiene un centro de control que trabaja para mantener en equilibrio la energía generada y utilizada a través de sus diversas redes de comunicación existentes. Además, utilizan otras redes de comunicación para realizar un seguimiento de las condiciones de la electrónica de control en las subestaciones para responder en caso de fallas o fallas en los equipos. Todas estas redes con sistemas electrónicos de información y comunicación son vulnerables a los efectos de los entornos HPEM.

Los entornos HPEM incluyen el pulso electromagnético de rayos (LEMP), los impactos de tormentas geomagnéticas extremas, el pulso electromagnético nuclear (NEMP), el pulso electromagnético a gran altitud (HEMP) y los fenómenos de radiofrecuencia de alta potencia (HPRF), incluidas las armas de energía dirigida (DEW) y interferencia electromagnética intencional (IEMI). En el campo de la seguridad, el término utilizado es DEW; en terminología civil, el término utilizado es energía dirigida (DE). En particular, los DEW e IEMI son actualmente una gran amenaza para el funcionamiento de los sistemas electrónicos y de información en las redes de energía eléctrica, así como en otras infraestructuras estatales [14,15].

Los DEW y los IEMI crean un campo electromagnético de potencia pulsada llamado pulso electromagnético (EMP), que puede provocar el mal funcionamiento o incluso la destrucción de los circuitos electrónicos. Debido al rápido desarrollo de la investigación en esta área, se pueden construir pequeños dispositivos compactos. Estos dispositivos son muy atractivos para su uso en tecnología de defensa y seguridad, pero también pueden ser usados ​​indebidamente por terroristas. El uso específico de DEW e IEMI depende del método de generación de campos electromagnéticos y también de la banda de frecuencia utilizada. Los DEW e IEMI generalmente funcionan en los siguientes modos:

1 Un solo pulso con muchos ciclos de una sola frecuencia (una señal intensa de banda estrecha que puede tener cierta agilidad de frecuencia).

2 Una ráfaga que contiene muchos pulsos, y cada pulso contiene muchos ciclos de una sola frecuencia.

3 Un pulso transitorio de banda ultraancha (UWB) (contenido espectral de 100 s de MHz a varios GHz).

4 Una ráfaga de muchos pulsos UWB radiados o conducidos.

Las señales DEW e IEMI pueden penetrar la radiación o la conducción en dispositivos electrónicos [16,17]. La Figura 1 muestra las bandas de frecuencia de los componentes individuales de los entornos HPEM. La figura fue tomada de [14]. La densidad espectral se representa en el eje vertical. La unidad es V/m/Hz.

En entornos DEW e IEMI, es crucial considerar la dependencia del campo E de la distancia del generador DEW o IEMI al objetivo. El parámetro que se usa a menudo en esta área es rE; en otras publicaciones, también denominado factor de mérito (FOM), la unidad es voltios (V). Este parámetro representa el producto del campo E E y la distancia r desde la antena del generador de transmisión.

Los generadores DEW e IEMI, adecuados para su uso en la interrupción intencional de la función de la tecnología que contiene componentes electrónicos sensibles, se pueden dividir según el nivel de su complejidad y, por lo tanto, su disponibilidad de la siguiente manera [16,18–22]:

1 Generadores de baja tecnología rE ' 1 kV (por ejemplo, horno microondas).

2 Generadores de tecnología media rE ' decenas a cientos de kV (por ejemplo, transmisores de radares modificados).

3 Generadores de alta tecnología rE ' pedido de unidades MV (tecnologías especiales).

El nivel de campo E en la ubicación del dispositivo electrónico (objetivo) en la banda de frecuencia relevante es decisivo para la interrupción o destrucción de los sistemas electrónicos. La interrupción de las actividades o la destrucción del objetivo se puede lograr mediante generadores de alta o mediana tecnología que operen desde una larga distancia o mediante un generador de baja tecnología ubicado cerca del objetivo. Actualmente, una ubicación muy atractiva para los generadores DEW e IEMI es a bordo de vehículos aéreos no tripulados (UAV). El proyecto CHAMP [23,24] muestra los resultados de generadores DEW o IEMI a bordo de un UAV que provocan la interrupción o destrucción de sistemas electrónicos de alta eficiencia.

Las siguientes secciones tratan sobre el diseño y las pruebas de un generador DEW de baja tecnología, que se utilizó para determinar la inmunidad electromagnética de los circuitos electrónicos estándar. Se utilizó un magnetrón como elemento de potencia del generador. Posteriormente, las mediciones de la inmunidad electromagnética de los circuitos electrónicos se realizan sin protección adicional contra los efectos del campo eléctrico. El resultado es la determinación de los límites del campo eléctrico para el funcionamiento sin fallas y para los estados de falla de los circuitos probados y el nivel del campo eléctrico para la destrucción irreversible de los circuitos.

2. Concepto de un generador de rocío de baja tecnología con un magnetrón

Se seleccionó un magnetrón, comúnmente utilizado en hornos de microondas, para producir un generador de energía de microondas que opera en la banda S (Figura 2).

Se utilizó un magnetrón en el generador de energía de microondas como fuente de oscilaciones de alta frecuencia con alta potencia (Tipo 2M219J). Este magnetrón se usa comúnmente en hornos de microondas como fuente de energía electromagnética. La Tabla 1 muestra la especificación del magnetrón de la hoja de catálogo del fabricante.

2.1. Conexión básica del generador de energía de microondas

El principio fundamental del funcionamiento del generador se puede describir de acuerdo con el siguiente diagrama de bloques (Figura 3). El generador de energía de microondas se alimenta por separado de la red de distribución de 230 VCA. Esta fuente de alimentación es alimentada por un convertidor elevador AC/DC con un transformador de alto voltaje (MOT), cuya salida es de 4,2 kVDC para alimentar el magnetrón. Usando una antena de embudo, la energía electromagnética se irradia al espacio en la dirección deseada.

Figura 3. Diagrama de bloques básico de un generador de energía de microondas.

Este circuito tenía una eficiencia general de alrededor del 55 por ciento, y se hizo un esfuerzo adicional para cambiar y optimizar el concepto general del generador de microondas de potencia para aumentar la eficiencia general del generador de microondas.

2.2. Optimización del Generador de Energía de Microondas

Para lograr un funcionamiento continuo del generador, era importante diseñar un nuevo concepto para toda la conexión. Además, era obligatorio abordar la seguridad del operador al diseñar un nuevo concepto de generador para evitar descargas eléctricas accidentales.

Al probar el magnetrón en términos de uso para nuestra aplicación, el enfriamiento demostró ser un desafío por resolver. Además, el sobrecalentamiento del magnetrón redujo significativamente su eficiencia. Por lo tanto, se tuvo que realizar una modificación de todo el concepto del generador. La figura 4 muestra el magnetrón calentado después de 90 s a plena potencia.

Al diseñar un generador de energía de microondas funcional, era importante organizar las diversas partes (componentes) de modo que no interfirieran entre sí, no solo en términos de EMI sino también principalmente en términos de temperatura (Figura 5)

2.3. Descripción del generador de energía de microondas optimizado

La alimentación del generador es de la red industrial 230 VAC/50 Hz. La figura 6 muestra la disposición interna del generador después de las modificaciones de diseño. El número (1) indica los elementos de control y seguridad del generador. Cuando los fusibles y los controles están encendidos, se aplica tensión al transformador de aislamiento (2), que alimenta dos transformadores de alta tensión (3), cuya tensión de salida de 2 × 2,1 kVAC está conectada al rectificador de alta tensión (5). a través de condensadores de alto voltaje 2 × 50 µF (4). Se dirige al magnetrón (7) a través de un transformador de aislamiento de alto voltaje (6). El magnetrón se enfría mediante un ventilador especialmente diseñado (8), donde el aire fluye directamente a las aletas del sistema de enfriamiento del magnetrón a través de un ventilador. Esta solución de refrigeración por magnetrón garantiza el funcionamiento continuo de todo el generador. Además, el generador está equipado con un dispositivo de seguridad que apagará el generador en caso de sobrecalentamiento. Este dispositivo de seguridad consta de sensores térmicos (fusibles térmicos), que se conectan a los elementos sometidos a tensión térmica del generador.

Todos los componentes del generador de energía de microondas están dispuestos de manera que se minimice su influencia en la EMI. Sin embargo, el aspecto más importante fue la colocación de los componentes durante el diseño de tal manera que no interfirieran entre sí en términos de temperatura. El componente con mayor carga térmica es el magnetrón y los transformadores de potencia (MOT). Está claro en la imagen que están a una distancia suficiente entre sí. La figura 7 muestra un diagrama térmico de todos los componentes individuales del generador de energía de microondas optimizado después de 10 min de plena potencia. Todas las mediciones de temperatura se realizaron con una cámara térmica de Testo [25].

Al usar el diseño de enfriamiento mejorado, pudimos lograr una operación continua del generador de energía de microondas sin cambiar los parámetros del magnetrón (cambio en frecuencia y eficiencia debido a la alta temperatura). Esto significa que el magnetrón tenía una temperatura constante de hasta 50 ◦C (Figura 8). Esto aseguró la estabilidad de todo el sistema. Además, la nueva disposición aumentó la eficiencia del generador de microondas de potencia del 55 al 75 por ciento.

La figura 9a muestra una guía de ondas R32 estandarizada, en la que se hizo una abertura para la antena del magnetrón. La Figura 9b muestra la temperatura dentro de la guía de ondas después de 10 minutos de máxima potencia. Gracias al enfriamiento propuesto, esta temperatura no superó los 80 ◦C. Debido a que el magnetrón está firmemente conectado a la guía de ondas, la temperatura era más alta en este punto ya que solo se enfrió una parte de la guía de ondas, sin que la antena del magnetrón se enfriase directamente. Sin embargo, esta temperatura no afectó la función y los parámetros del generador de microondas de potencia (Tabla 2)

La Figura 10 muestra un generador de energía de microondas con una guía de onda R32 estandarizada y los componentes necesarios para analizar la señal transmitida, incluida la antena. El número (1) indica un generador de energía de microondas EMI con un magnetrón y el número (2) es una derivación de guía de ondas. La rama es una guía de onda cruzada, en la que se forman cavidades pasantes de tal manera que en la dirección de transmisión hacia adelante la onda electromagnética no tiene atenuación, y en la dirección transversal la atenuación es de acuerdo con el tamaño de la cavidad. Se conectaron dos tomas de guía de ondas idénticas con una atenuación de 30 dB [26–29] a la ruta de la guía de ondas.

Sin embargo, era importante considerar cuánta potencia había en el grifo de 30 dB. Si la potencia seguía siendo demasiado alta, era necesario conectar un atenuador de potencia adicional que redujera la potencia lo suficiente y protegiera los instrumentos de medida. Adjuntas a estas derivaciones de guía de ondas hay cargas adaptadas a la guía de ondas, que están marcadas con el número (3). Estos estaban destinados a adaptar la ruta de la guía de ondas en la dirección dada. Además, se conecta una antena, que está marcada como Número (4). La antena aseguró la transmisión de la onda electromagnética al espacio en la dirección requerida. La última parte del montaje es un acoplamiento de guía de ondas (5) para un cable coaxial. Gracias a este acoplamiento, podemos conectar varios tipos de instrumentos de medida (osciloscopio, analizador de espectro, medidor de potencia, etc.).

3. Prueba de inmunidad de circuitos electrónicos a EMP

Se instaló un sitio de prueba especial para probar circuitos electrónicos en un campo electromagnético (EMP) en un laboratorio designado para probar dispositivos electrónicos en el EMP (Figura 11). Este laboratorio tiene placas especiales en las paredes para reducir el reflejo de la energía electromagnética de las paredes (Figura 12)

El circuito electrónico probado se colocó en un soporte especial en el eje del patrón de radiación de la antena del generador. El soporte se movió gradualmente hacia la antena del generador. Se realizaron pruebas para las distancias de antena de 1,1 a 0,25 m. Para cada posición, el circuito electrónico probado fue irradiado por el generador durante 2 s. El campo E creado por el generador se midió para cada posición. Al mismo tiempo, se verificó el funcionamiento del circuito electrónico probado en cada posición. Se usó una antena dipolo de manguito (Figura 13a) con un atenuador como sensor para la medición del campo E para ajustar el nivel de potencia medido. Se utilizó un R&S RTO 1044-4GHz-20 GSa/s con un osciloscopio (Figura 13b) para medir los niveles de la señal.

Se eligió el circuito integrado NE555P (el NE555P es un circuito integrado que se usa más comúnmente como temporizador o generador de varias señales rectangulares) para alimentar nuestro diseño genuino de un generador de microondas de potencia de semiconductores. Con este circuito integrado se armó un generador de pulsos rectangular, en el cual se utilizó un potenciómetro para cambiar la frecuencia. Para examinar visualmente la correcta funcionalidad del circuito integrado (IC), este circuito se equipó con un diodo emisor de luz (LED). El circuito de prueba NE555P alimentado por batería estuvo expuesto a EMP a varias distancias.

Los niveles de campo E medidos se compararon con la distribución de campo E creada en base a una teoría simplificada de radiación de ondas electromagnéticas. El cálculo de los parámetros para una antena de bocina piramidal del generador de campo E se realizó mediante las Ecuaciones (1) y (2).

La simulación se realizó para potencias de generador en el rango de 200 a 1000 W. Para estas potencias se obtuvieron las dependencias del campo E con la distancia a la apertura de la antena. En cuanto a las dimensiones de la cámara de medición y el nivel esperado de inmunidad electromagnética, se seleccionó Pgen=200 W. Esta potencia se utilizó para medir la inmunidad electromagnética de los circuitos de prueba. Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 14.

La Figura 15 muestra los componentes Ey de la dependencia del campo E con la distancia obtenida por cálculo (Ecuaciones (1) y (2)) y simulaciones. La Figura 15a muestra una vista completa del componente Ey, incluido el campo E en la zona de la guía de ondas, la zona de la antena de bocina piramidal y la zona de la reactancia. La figura 15b muestra una vista detallada de la componente Ey en la zona medida.

5. Discusión

El circuito de prueba NE555P fue alimentado por batería y expuesto a EMP a varias distancias. La Tabla 3 muestra los resultados de la inmunidad EMP del circuito IC NE555P.

El IC probado operó sin fallas en radiación de microondas con un campo E menor o igual a 220 V/m. Mostró fallas para niveles de campo E más grandes. Cuando se apagó el microondas, el IC probado volvió a funcionar sin fallas. Cuando la irradiación de microondas fue de campo E mayor o igual a 1700 V/m, el IC probado se destruyó.

La Figura 16a muestra una señal generada por el IC NE555P que no estuvo expuesta a EMP. La Figura 16b muestra una señal usando el IC NE555P que fue expuesto a EMP a distancia<2.5 m from the antenna.

La Figura 16 muestra que un dispositivo electrónico expuesto a un EMP alto dejó de funcionar correctamente. La Figura 16b demuestra que un dispositivo electrónico que usaba IC NE555P era completamente inutilizable a cierta distancia de la antena del generador de energía de microondas.

A una distancia de {{0}},25 m de la antena del generador de energía de microondas, todo el dispositivo electrónico, incluido el LED, sufrió daños irreversibles. Esta destrucción ocurrió dentro de los 2 s de la exposición del dispositivo electrónico al EMP a una distancia de 0,25 m. La figura 17 muestra una vista detallada de la unión de semiconductor LED NP destruida.

Además, el circuito electrónico se calentó excesivamente durante el EMP. La figura 18 muestra el perfil de temperatura de un circuito electrónico calentado que se expuso al EMP a una distancia de la fuente (magnetrón) de 1,1 m durante 2 s. El IC NE555P está marcado con un marco verde.

Cuando el circuito electrónico fue expuesto a EMP a una distancia corta (25 cm) de la antena del generador de energía de microondas, todos los componentes pasivos (resistencia, capacitor, bobina, etc.), a partir de los cuales se ensambló todo el circuito electrónico, también fueron destruidos. . La figura 19 muestra una vista detallada de la resistencia después de la destrucción irreversible. Esta resistencia formaba parte del dispositivo electrónico con IC NE555P, que se expuso a EMP durante 2 s a una distancia de 0,25 m de la antena del generador de energía de microondas.

El IC probado no tenía protección adicional contra los efectos del campo electromagnético. Si se requiere un mayor nivel de inmunidad electromagnética, se pueden utilizar varios tipos de envolventes o cajas blindadas, que se complementan con otras características, como varios tipos de puertas blindadas, EMI/RFI (EMI - Interferencia electromagnética/ RFI - Interferencia de radiofrecuencia) Ventilaciones de aire de guía de ondas protegidas, pasamuros de guía de ondas y similares. Las líneas de alimentación deben conectarse mediante filtros especiales de alta frecuencia (filtros RF). Las aplicaciones de fibra óptica se utilizan muy a menudo junto con filtros de guía de ondas para la transmisión de datos desde cajas y armarios blindados. Se pueden encontrar ejemplos específicos de elementos para la protección de circuitos electrónicos contra los efectos de un campo electromagnético, por ejemplo, en [31].

6. Conclusiones

En este documento, presentamos amenazas severas de HPEM, en particular DEW e IEMI, y discutimos sus posibles impactos en las redes de energía eléctrica actuales y futuras. El artículo describía la clasificación básica de los generadores DEW e IEMI en términos de niveles de campo eléctrico y distancia del objetivo desde las aberturas de antena del generador DEW o IEMI. Se realizó una medición de inmunidad electromagnética para un circuito electrónico simple IC NE555P, el cual no contaba con protección adicional contra los efectos del campo E. Se usó para probar el generador de baja tecnología descrito en la Sección 2. El IC probado mostró un mal funcionamiento cuando la irradiación de microondas alcanzó un campo E > 220 V/m. Cuando la irradiación de microondas alcanzó un campo E mayor o igual a 1700 V/m, el IC probado se destruyó. Los niveles de campo E medidos se compararon con la distribución de campo E creada en base a una teoría simplificada de radiación de ondas electromagnéticas y se verificaron mediante simulación en COMSOL Multiphysics. El IC probado fue un circuito resistente con integración de escala media. Los ICS modernos, como la integración a muy gran escala y la integración a gran escala, son menos resistentes a la interferencia electromagnética no intencional y a la interferencia electromagnética intencional.

Por lo tanto, es necesario, en la actualidad y también en el futuro, prestar más atención al aumento de la inmunidad electromagnética de los circuitos electrónicos utilizados en las redes de energía eléctrica. La solución es un blindaje electromagnético consistente de circuitos integrados, líneas de datos y líneas eléctricas.

Contribuciones de autor:

Conceptualización, LD, RK y MP; metodología, LD, RK, MP; validación, MP, RK; análisis formal, LD, MP y RK; investigación, LD, RK y MP; redacción: preparación del borrador original, LD, RK y MP; redacción—revisión y edición, LD, RK y MP; visualización, LD, MP; supervisión, LD; administración del proyecto, LD, RK Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Fondos:

La investigación no recibió financiación externa.

Declaración de la Junta de Revisión Institucional:

No aplica.

Declaración de consentimiento informado:

No aplica.

Declaración de disponibilidad de datos:

No aplica.

Expresiones de gratitud:

El trabajo presentado en este documento ha sido apoyado por el Ministerio de Defensa de la República Checa, el programa de desarrollo de la Universidad de Defensa "AIROPS".

Conflictos de interés:

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

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