True-Time-Delay Beamforming für HPEM-Wirksysteme
Final Report Abstract
In den letzten Jahrzehnten sind elektronische Bauelemente in nahezu jedem Bereich der Zivilgesellschaft unerlässlich geworden. Die Verbreitung und leichte Zugänglichkeit von Elektronik im täglichen Leben bringt steigende Anforderungen an Polizei- und Sicherheitskräfte mit sich, die nicht rechtskonforme Benutzung elektronischer Geräte gezielt unterbinden möchten. Die gewünschten Störmöglichkeiten erstrecken sich von der Versorgung solcher Bauelemente mit falscher Information über Funktionsunfähigkeit bis hin zur Zerstörung ohne dabei Gesundheitsschäden bei Menschen im Wirkbereich zu verursachen. Eine Lösung dafür stellen sog. HREM-Wirksysteme dar, welche die erwähnte Funktionalität mittels Hochleistungsmikrowellen erzielen. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Evaluierung möglicher Antennensysteme solcher HPEM-Wirksysteme zur Unterstützung sicherheitsrelevanter Einsätze der Ordnungsbehörden im zivilen Bereich. Gezielte Beeinflussung elektronischer Geräte kann sowohl mittels monofrequenter (CW-) Signale als auch mit kurzen, elektromagnetischen, ultra-breitbandigen (UWB-) Pulsen, mit jeweils einer hohen Amplitude erreicht werden. Den Kern eines solches Systems stellt neben der Erzeugung der entsprechenden Signale eine Lösung zur verzerrungsarmen, ultra-breitbandigen Abstrahlung des vom Generator kommenden Störsignals mit der Fähigkeit zur effizienten und möglichst passiven Strahlfokussierung und Strahlschwenkung dar. Die Studie hat gezeigt, dass unter den vorgegebenen Bedingungen die technische optimale und wirtschaftlichste Methode die Verwendung von sog. Rotman-Linsen und getaperten Schlitzantennen ist. Aus diesem Grund wurde die Forschungstätigkeit vorwiegend auf die Realisierung dieser Bauelemente für Systeme hoher Leistung mit einer relativen Bandbreite von über 150% gerichtet. Im Rahmen des Vorhabens soll zunächst ein ausführliches, analytisches Modell zum flexiblen Design von Rotman-Linsen erstellt werden. Es basiert auf dem geometrischen Modell einer Linse, bei dem die in der bisherigen Literatur verwendeten Punktquellen mit realen Strahlern ergänzt werden. Dies wird durch die analytische Beschreibung der Linse mittels Gleichungen und einer Streumatrix erreicht Die entwickelte Methode ermöglicht daher die Optimierung von Rotman-Linsen gleichzeitig hinsichtlich der S-Parameter als auch der gewünschten Richtcharakteristik des Arrays in beliebigen Frequenzbereichen auf verschiedenen Substraten. Die Methode kombiniert dazu die analytische Optimierung in MATLAB mit einem 3D-Vollwellensimulator. Diese Herangehensweise führt zu einem flexiblen und zeiteffizienten Entwurf eines passiven, ultra-breitbandigen True-Time-Delay-Beamformers und stellt eine deutliche Verbesserung der bisher bekannten Methoden dar. Zusätzlich bietet das Modell eine einzigartige Möglichkeit zur theoretischen und simulativen Untersuchung der transienten (d.h. zeitbereichsbasierten) Eigenschaften der Linse. Dieses Merkmal ist unerlässlich zum erfolgreichen Entwurf des Systems. Im nächsten Schritt muss die Methode auf Plausibilität durch Entwurf, Aufbau und Vermessung eines Prototyps überprüft werden. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Rotman-Linse für den FCC-UWB-Frequenzbereich (ca. 3 bis 11 GHz) und anschließend für HPEM-Systeme (Frequenzbereich ca. 450 MHz bis 5 GHz) realisiert. Als Ergänzung zur frequenzbasierten Beschreibung der Funktionalität müssen erstmalig für eine Rotman-Linse Zeitbereicheigenschaften hergeleitet, beschrieben und ausgewertet werden. Es soll gezeigt werden, dass zum einen das erstellte Modell sehr gut zum Entwurf der Linse geeignet ist, zum anderen, dass die realisierten Prototypen in der vorgesehenen Anwendung erfolgreich einsetzbar sind. Durch die gewonnenen Erkenntnisse werden somit Regeln abgeleitet, die den Entwurf einer Rotman-Linse im Hinblick auf folgende Eigenschaften des abgestrahlten Signals erlauben: Keulenbreite, Anzahl der Schwenkrichtungen, Bandbreite und Form des abgestrahlten Signals etc. Die Leistungsgrenzen der Linse sollen untersucht und beschrieben werden. Um das System praktisch verifizieren zu können, wird zusätzlich eine getaperte HPEM-Schlitzantenne in Planartechnik auf Realisierbarkeit untersucht, anschließend entwickelt, aufgebaut und vermessen. Basierend auf den zuvor ermittelten Eigenschaften aller Systemkomponenten kann die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems untersucht werden. Eine Eignung des Systems sowohl für CW- als auch UWB-Signale soll gezeigt werden, was eine erfolgreiche Umsetzung der Ideen des Projekts in die Praxis darstellt. Die Arbeit bildet eine wesentliche Grundlage für den schnellen Entwurf von einfachen und leistungsfähigen HPEM-Systemen, wie sie vor allem in der Sicherheitstechnik eingesetzt werden können. Die Notwendigkeit für solche Systeme wurden im dritten Gefahrenbericht der Schutzkommission beim Bundesminister des Inneren ebenfalls verdeutlicht. Ein praktisches Beispiel für den Einsatz ist das kontaktlose Stoppen eines Fahrzeugs mit Verbrechern, eine Störung bzw. Zerstörung ferngesteuerter Empfänger bei einer Sprengladung und Störung von Kommunikationssystemen in Gefahrsituationen. In Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem die Anwendung des entwickelten Systems zur Richtungsbestimmung einer einfallenden Welle erfolgreich in die Praxis umgesetzt. Aufgrund der Einfachheit und Breitbandigkeit des System ist diese Anwendung sehr interessant für die Radartechnik, z.B. in der Flugsicherung oder Ortung elektromagnetischer Störsignale oder auch in Automobilradarsystemen.
Publications
- "A Vivaldi Antenna for Anti-Electronics HPEM Systems," in 2009 IEEE International Symposium on Antennas & Propagation, Charleston, South Carolina, USA, Juni 2009
A. Lambrecht, M. Pauli, B. Ripka, and T. Zwick
- "Frequency Invariant Beam Steering for HPEM Anti-Electronics Systems with a Rotman-Lens," in Proc. of the European Wireless Technology Conference EuWIT 2009, pp. 21 - 24, Rome, Italy, September 2009
A. Lambrecht, M. Pauli, S. Beer, and T. Zwick
- "Measurements Results of a Rotman-Lens Prototype for Transient Waveform based HPEM-Systems," in Proceedings of the German Microwave Conference GeMiC 2010, Berlin, Germany, März 2010
A. Lambrecht, P. Laskowski, S. Beer, and T. Zwick
- "Transient analysis of a Rotman lens for HPEM systems," in Proceedings of the 2010 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium - APS 2010, Toronto, Kanada, Juli 2010
A. Lambrecht, P. Laskowski, S. Beer, and T. Zwick
- „Frequency Invariant Beam Steering for Short-Pulse Systems with a Rotman-Lens", International Journal of Antennas and Propagation, Hindawi Publishing Corp., Vol. 2010, Article ID 849458, 8 pages, 2010
A. Lambrecht, P. Laskowski, S. Beer, T. Zwick
- „True-Time-Delay Beamforming für ultrabreitbandige Systeme hoher Leistung", KIT Scientific Publishing, Band 60, 2010, ISBN: 978-3-86644-522-2
Andreas Lambrecht
- „True-Time-Delay Beamforming With a Rotman-Lens for Ultrawideband Antenna Systems", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 58, Issue 10, Oktober 2010
A. Lambrecht, S. Beer, T. Zwick
