高功率微波及源器件課件

高功率微波及其發(fā)展應(yīng)用簡介

DevelopmentandApplingof

HighPowerMicrowave(HPM)HPM的發(fā)展與應(yīng)用HPM源器件分類及其基本理論基礎(chǔ)世界工作簡單評介定向能武器（DEW）未來目標(biāo)和發(fā)展電磁波譜及主要產(chǎn)生方式在熱核聚變、等離子體加熱、先進(jìn)的高能粒子加速器和對撞機(jī)、高效通信和RF武器等需求的強(qiáng)大驅(qū)動力下，微波器件的品質(zhì)因子Pavf2以每十年增長一個(gè)數(shù)量級的速度增長，從實(shí)際需求看，當(dāng)今和未來HPM技術(shù)正向著高功率、高效率、寬頻帶的目標(biāo)發(fā)展HPM的發(fā)展原動力主要來自于軍事需求1937年第一個(gè)腔型器件－速調(diào)管(klystron)誕生，隨之而來的是第二次世界大戰(zhàn)期間的的科技大爆炸，戰(zhàn)爭的需求導(dǎo)致了磁控管(magnetron)、行波管(travelingwavetube，簡稱TWT)返波振蕩器(backwardwaveoscillator，簡稱BWO)的發(fā)明。本世紀(jì)60年代由于核武器效應(yīng)模擬和高能物理理論和技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了脈沖功率(pulsedpower)技術(shù)的引入，能量接近于電子靜止能量(510kev)的強(qiáng)流(I>MA)相對論電子束和電壓為數(shù)兆伏或更高的高壓脈沖的產(chǎn)生已成為現(xiàn)實(shí)，這使得高功率微波的范圍得到了擴(kuò)大。一方面，傳統(tǒng)的微波器件在結(jié)構(gòu)上得以改進(jìn)，其行為特性有很大的改善；另一方面，涌現(xiàn)出了許多像相對論速調(diào)管(relativisticklystron)、虛陰極振蕩器(vircator)等一大批依賴強(qiáng)電流的高壓運(yùn)行器件，同時(shí)也隨之出現(xiàn)了一些專門以相對論效應(yīng)為基礎(chǔ)的器件，如我們所熟悉的回旋管(grotron)、切侖可夫器件(Cherenkov)、自由電子激光(FreeElectronLaser，簡稱FEL)等

2HPM的應(yīng)用

高功率微波(HPM)的發(fā)展與它的應(yīng)用和需求是一種強(qiáng)烈的伴生關(guān)系，軍事需求仍然是目前高功率微波(HPM)理論和技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力

微波武器

定向能武器（DEW）HPM武器的優(yōu)點(diǎn)：

（1）不存在嚴(yán)重的傳輸問題（2）全天候

隨著微波技術(shù)與器件的發(fā)展，現(xiàn)代武器及軍用設(shè)備都包含越來越多的電子元器件，它們很容易遭到高能量脈沖功率的傷害；

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)芯片上集成的元器件超過3億個(gè)，使其受損閾值大大降低

激光武器微波或射頻武器荷電粒子束武器由于HPM具有比普通微波功率大、能量強(qiáng)、頻率高的特點(diǎn)，所以它在通信、雷達(dá)和其它民用領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣闊。

通信在信息量方面，信息容量與頻帶寬度和中心頻率成正比，信息量越大越復(fù)雜，就需要越寬的頻帶和越高的頻率。HPM通信可以載負(fù)更多的信息量，滿足當(dāng)今社會信息容量極度膨脹、信息速度迅速增長的需要。微波通信：快速實(shí)現(xiàn)無線寬帶接入功能、建設(shè)局域微波通訊網(wǎng)提供多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)HPM通信：傳送話音、數(shù)據(jù)、視頻和圖象等各種信號，且具有很強(qiáng)的通用性

高效傳輸、高信息量、高保密性雷達(dá)

高功率可以提高雷達(dá)的作用距離，

高重復(fù)速率可以改善雷達(dá)的分辨率高高靈敏性、超距離雷達(dá)正在航天遙感和衛(wèi)星導(dǎo)航以及空對地探測等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，可以預(yù)言，高功率微波必將把雷達(dá)代入一個(gè)更高的技術(shù)水平和嶄新的發(fā)展領(lǐng)域。

合成孔徑雷達(dá)：是一種在距離向采用脈沖壓縮，方位向采用合成孔徑原理的高分辨雷達(dá)?；驹恚合喈?dāng)于一個(gè)二維脈沖壓縮濾波器

它將雷達(dá)從用于“探測”目標(biāo)提高到用于目標(biāo)“成像”，應(yīng)用領(lǐng)域也從軍事偵察擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)、資源和高科技信息等方面。對信號的特殊處理方式也使SAR具有很強(qiáng)的抗干擾性和相對較低的被偵察截獲概率，從而使得對SAR系統(tǒng)干擾技術(shù)的研究隨之成為現(xiàn)代軍事信息對抗研究中一個(gè)非常迫切的重要課題。距離維脈壓濾波器

方向維脈壓濾波器地域回波圖象其它方面

高能RF加速器磁約束等離子體受控?zé)岷司圩儾牧霞庸ぜす獗闷汁h(huán)保工程等方面都有廣泛的應(yīng)用前景

HPM的發(fā)展與應(yīng)用HPM源器件分類及其基本理論基礎(chǔ)世界工作簡單評介定向能武器（DEW）未來目標(biāo)和發(fā)展1HPM源器件的分類空間電荷虛陰極振蕩器反射三極管

慢波(vp<c)快波(vp>c)

O型返波振蕩器行波管表面波振蕩器多波契侖科夫發(fā)生器相對論衍射發(fā)生器相對論速調(diào)管等自由電子激光器回旋管回旋返波振蕩器回旋行波管回旋速調(diào)管回旋自諧振脈塞等

M型相對論磁控管交叉場放大器磁絕緣傳輸線振蕩器等脈動場磁控管

2HPM研究的理論基礎(chǔ)

等離子體物理和相對論電動力學(xué)HPM器件的兩種工作狀態(tài)HPM器件：通過電子束與電磁場的相互作用來產(chǎn)生高功率微波的，所以等離子體研究中的波-粒相互作用理論可直接運(yùn)用HPM研究HPM文化更接近于等離子體文化，而不是普通微波文化放大器(Amplifier)

振蕩器(Oscillator)將電子的動能轉(zhuǎn)換成微波電磁能的過程一般發(fā)生在波導(dǎo)作用：以某種方式把場的頻率和空間結(jié)構(gòu)調(diào)整到最適宜從一定的電子振蕩固有模式中提取能量不同尺寸和形狀的波導(dǎo)可以傳播不同模式(TM或TE模)的波，波的特性由色散關(guān)系來描述諧振腔波導(dǎo)截止頻率任何一個(gè)具有截止頻率低于入射信號頻率的模式都可以攜帶波能量場方程-Maxwell方程邊界條件“求和過程”ρ，j電子方程牛頓定律

HPM相互作用示意圖3基本原理切侖可夫(Cherenkov)器件（O型）當(dāng)電子在介質(zhì)中運(yùn)動時(shí)，如果電子的運(yùn)動速度大于光在介質(zhì)中的傳播速度，電子就會產(chǎn)生切侖可夫輻射

O型切侖可夫器件（TWT）的基本結(jié)構(gòu)（1）波導(dǎo)入口（2）產(chǎn)生軸向場的磁場線圈（3）產(chǎn)生電子束的二極管/加速器（4）慢波結(jié)構(gòu)（5）喇叭型天線隨著制作加工技術(shù)的提高，行波管(TWT)和返波管（BWO）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和手段上不斷推陳出新：

用一個(gè)均勻波導(dǎo)將周期結(jié)構(gòu)分成兩部分

以抵消反射，或在結(jié)構(gòu)上增加反射腔

，用于進(jìn)行預(yù)群聚，目的是增加了輸出效率和功率

采用介質(zhì)加載或在管中充中性氣體采用單交錯(cuò)和雙交錯(cuò)電路的微波管

基本方程場方程演化方程電子能量方程電子相位方程相互作用區(qū)域中的電子除了沿軸向運(yùn)動外，還有從陰極到陽極的一個(gè)橫向漂移運(yùn)動由于結(jié)構(gòu)上的差異，演化方程和電子運(yùn)動方程與O型器件是不同的MILO管中電子輪輻的模擬

MILO的主要缺點(diǎn)是效率不高，只有2%的輸入功率可用來參與RF能量交換近年來，國內(nèi)從事磁絕緣傳輸線振蕩器(MILO)研究的隊(duì)伍日漸壯大，其結(jié)構(gòu)和物理特性的研究引起人們愈來愈多的興趣和關(guān)注目前MILO已經(jīng)成為所有HPM器件中單脈沖比微波能量輸出最高的器件之一利用全電磁方法，通過方法的改進(jìn)，其基頻由L波段可以提高到C波段，若同時(shí)加大陰極半徑，利用高次諧波在X波段可獲得270MW的輸出功率已有報(bào)道，磁絕緣傳輸線振蕩器(MILO)在L波段已獲得1.5GW的峰值功率和300J的微波能量

4HPM研究方法特點(diǎn)（1）HPM器件中波-束相互作用很復(fù)雜，很難進(jìn)行精確的解析分析

（2）高功率微波源的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研制費(fèi)用很高

HPM源研究的重要手段是計(jì)算機(jī)模擬。隨著HPM源技術(shù)的發(fā)展，HPM的研究人員越來越要求計(jì)算物理學(xué)家能用計(jì)算機(jī)定量設(shè)計(jì)HPM源，使其滿足特定的性能要求在HPM源的二維和三維設(shè)計(jì)中，用的最廣的是PIC（particleincell）。用PIC方法，美國和俄羅斯等國已研制了許多可用于高功率微波源數(shù)值模擬的、相對成熟的軟件

美國加州大學(xué)的面向?qū)ο螅╫bject-oriented）的OOPIC和XOOPIC；空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）研制的ICEPIC圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室（SNL）研制的OUICKSILVER和TWOQUICK

HPM的發(fā)展與應(yīng)用HPM源器件分類及其基本理論基礎(chǔ)世界工作簡單評介定向能武器（DEW）未來目標(biāo)和發(fā)展美國開展HPM在國防軍事方面的研究主要由路軍、海軍、空軍三大軍方實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)反艦艇導(dǎo)彈防御（ASMD）指揮控制作戰(zhàn)系統(tǒng)（C2W）的應(yīng)用海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）超寬帶、窄脈沖的HPM源的研究小型化、輕重量的裝置爆炸驅(qū)動的、適合艦艇的較大的高電壓裝置基于電子攻擊（EA）的革新的常規(guī)和非常規(guī)的HPM源在ASMD和C2W中的應(yīng)用毫米波亞毫米波輻射源等具體裝置：相對論速調(diào)管、回旋共振脈塞和自由電子激光器等陸軍實(shí)驗(yàn)室傳感器和電子裝置（高功率真空射頻源）用于反對抗電子戰(zhàn)通信雷達(dá)行波管(TWT)、返波管(BWO)、需陰極振蕩器（Vircator）、微波功率模件、毫米波模件和正交場放大器

主要研究項(xiàng)目空軍實(shí)驗(yàn)室超寬帶（UWB）和窄帶源等離子源的研究和診斷技術(shù)擊穿和天線PhllipsRomewrightArmstrong主要研究裝置：UMB陣列源和天線、回旋-WBO、虛陰極振蕩器（VIrcator）和MIILO空軍實(shí)驗(yàn)室對MIILO具有豐富和先進(jìn)的研究經(jīng)驗(yàn)，在世界上處于領(lǐng)先地位其引導(dǎo)MIILO成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)大學(xué)有麻省理工學(xué)院：回旋管、CARM-回旋自振脈塞、FEL等馬里蘭大學(xué)：回旋管、回旋速調(diào)管、BWO、FEL等

康乃爾大學(xué)：BWO、TWT、CARM和回旋管等

加利福尼亞大學(xué)、新墨西哥大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、密執(zhí)根大學(xué)和田納西大學(xué)等也有一定規(guī)模的研究

美國HPM研究的主要技術(shù)成就（1）穩(wěn)步提高了等離子體加熱回旋管的性能，并推進(jìn)了源的創(chuàng)新方法（2）為實(shí)現(xiàn)FEL輸出功率和效率的提高，對錐型搖擺器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（3）探索研究了多項(xiàng)鎖相技術(shù)。俄國（前蘇聯(lián)）前蘇聯(lián)對HPM的研究是領(lǐng)先于其它西方國家，最活躍的兩個(gè)研究中心是應(yīng)用物理研究所：研究涉及慢波和快波器件研究所在研究諸如回旋管和毫米波段內(nèi)產(chǎn)生最高平均功率的回旋自共振脈塞等快波器件方面是世界聞名的

托姆斯克強(qiáng)流電子學(xué)研究所：已擴(kuò)展到慢波器件

研究所對多波器件的研究是著名的，在與BWO和TWT相關(guān)的源方面取得了世界記錄的微波功率水平

回旋管

CARM

FELBWOTWTBWO多波契倫柯夫發(fā)生器相對論衍射發(fā)生器相對論衍射發(fā)生器托姆斯克核物理研究所：主要從事S(3GHz)波段的研究莫斯科普通物理研究所：研究擴(kuò)展到等離子體器件研究所在研究自由電子激光、回旋管等快波器件方面是知名的莫斯科無線電技術(shù)研究所：研究重點(diǎn)是虛陰極振蕩器和等離子器件國立莫斯科大學(xué)：表面波振蕩器和微波源理論研究主要成就是：（1）在等離子加熱用的回旋管方面達(dá)到了高平均功率（2）在多波契倫柯夫發(fā)生器（MWCG）、多波衍射發(fā)生器（MWDG）和相對論衍射發(fā)生器（RDG）方面達(dá)到了高峰值功率（3）研制了驅(qū)動高峰值功率和高平均功率源的小型重復(fù)脈沖功率源（4）開發(fā)了用于回旋管的高效耦合器相對論磁控管虛陰極振蕩器諧振器儲能源等離子填充器件契倫柯夫器件虛陰極振蕩器HPM的發(fā)展與應(yīng)用HPM源器件分類及其基本理論基礎(chǔ)世界工作簡單評介定向能武器（DEW）未來目標(biāo)和發(fā)展HPM（新概念）武器是一種射頻武器。它把HPM源產(chǎn)生的微波經(jīng)過高增益天線定性輻射出去，將微波能量聚集在很窄的波束內(nèi)，以極高的強(qiáng)度照射目標(biāo)，從而產(chǎn)生殺傷和破壞效果。HPM武器對目標(biāo)的殺傷效果

取決于初級功率源的大小、HPM源的輸出功率、發(fā)射天線的增益和目標(biāo)與微波源的距離HPM武器HPM源

微波器件

定向發(fā)射裝置控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)表明

★0.01～1μW/cm2，可使工作在相同波段上雷達(dá)、通信等電子設(shè)備的信噪比下降，起到干擾正常工作的作用★0.01～1W/cm2，其輻射所形成的瞬變電磁場可以使金屬目標(biāo)表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，其（通過天線、導(dǎo)線、金屬開口或縫隙）進(jìn)入目標(biāo)的電子設(shè)備中，使電路功能混亂或燒毀電路中的元器件★80W/cm2，持續(xù)一秒即可致人死亡

★1000～10000W/cm2，瞬間摧毀目標(biāo)，引爆炸彈和導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部

HPM武器有下列優(yōu)點(diǎn)由于高效率和光速攻擊，所以不受天氣影響--近于全天候使用控制殺傷力，使波束雖能致人失明或心肺功能衰竭，但不致人死亡微波波束較寬，不需精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)即能殺傷目標(biāo)小的微波源適于隱蔽使用攻擊不留痕跡天基HPM武器系統(tǒng)作戰(zhàn)圖

天基HPM武器系統(tǒng)能夠?qū)Φ孛妗w機(jī)和空中目標(biāo)實(shí)施不同程度的殺傷

機(jī)載HPM武器系統(tǒng)作戰(zhàn)圖這種中等距離的武器系統(tǒng)既可以打擊飛機(jī)上的目標(biāo)，也可以打擊地面上的目標(biāo)，并具有可調(diào)的殺傷力實(shí)驗(yàn)型高功率微波發(fā)射器實(shí)現(xiàn)并實(shí)施使用性實(shí)驗(yàn)的HPM武器目前HPM武器基本還處于戰(zhàn)略性微波武器階段，大部分距實(shí)用武器系統(tǒng)還有一定距離，還處于武器概念階段。HPM炸彈：海灣戰(zhàn)爭中，美海軍在戰(zhàn)爭的第一天就從艦艇上發(fā)射了裝有這種彈頭的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈，主要用于破壞對方的指揮系統(tǒng)和供電網(wǎng)絡(luò)

HPM炸彈：是通過把微波束轉(zhuǎn)化為電磁能，毀傷對方電子設(shè)施和人員的一種新型定向能武器，它對電子系統(tǒng)和人體均可造成傷害基本工作原理：HPM經(jīng)過天線聚集成的很窄、很強(qiáng)的束電磁波射向?qū)Ψ?，依靠這束電磁波產(chǎn)生的高溫、電離、輻射等綜合效應(yīng)，在目標(biāo)內(nèi)部的電子線路中產(chǎn)生很高的電流電壓，擊穿或燒毀其中敏感元器件，毀損電腦中的存儲數(shù)據(jù)，從而使對方武器指揮系統(tǒng)陷于癱瘓，喪失戰(zhàn)斗力；或?qū)θ梭w肌體和機(jī)能造成損傷

HPM炸彈的使用，對攻擊方來說無疑可迅速增強(qiáng)其戰(zhàn)斗力，對目標(biāo)方來說，防御和對抗卻十分困難

破壞威力基本達(dá)到核武器水平，但更干凈和準(zhǔn)確，并可避免誤傷平民和民用目標(biāo)，也可大大減少甚至避免攻擊方自身的人身傷亡。總之，無論那種HPM武器，都是一種遠(yuǎn)距離進(jìn)行干擾、近距離實(shí)現(xiàn)摧毀的具有軟硬兩種殺傷效應(yīng)的多功能武器，現(xiàn)階段主要用于飛機(jī)自衛(wèi)、進(jìn)行反艦導(dǎo)彈防御以及壓制敵方防空和指（揮）管（理）通（信）情（報(bào)）系統(tǒng)

非致命武器（1）美國陸軍實(shí)驗(yàn)室正在研制的地面車輛制動裝置，就是利用微波源產(chǎn)生的脈沖波爆使遠(yuǎn)處的正在高速行駛的汽車失靈甚至報(bào)廢（2）電力分配彈藥EPDM（Electricpowerdistributionmanition），當(dāng)其飛抵目標(biāo)上方時(shí)爆炸釋放出大量松散的傳導(dǎo)性碳纖維纏絲，隨風(fēng)飄落，纏繞在高能電纜上使電子設(shè)備嚴(yán)重短路

（3）目前正在研制中的隱蔽式眩目激光武器，是使用熒光技術(shù)，其發(fā)射出的紫外光照射眼睛后，眼睛會產(chǎn)生熒光感應(yīng)出現(xiàn)視線模糊，使人致暈（但無致人失明的危險(xiǎn)）

BLU-114電力分配彈藥HPM的發(fā)展與應(yīng)用HPM源器件分類及其基本理論基礎(chǔ)世界工作簡單評介定向能武器（DEW）