西电简明微波大作业2

班级：021113

学号：02111283 02111258 姓名：范亚男刘源

指导老师：李磊

高功率微波技术的发展与应用

摘要：本文简要介绍了高功率微波产生的原理及关键技术, 着重介绍了高功率微波的国内外研究现状以及研究过程中遇到的主要问题, 并进一步阐述了目前正迅速发展的高功率微波的应用前景及其发展趋势。

关键词:高功率微波; 微波源; 脉冲功率系统; 微波武器; 高功率雷达

高功率微波( HPM )一般指峰值功率在100MW 以上,工作频率1 ~ 300 GHz内的无线电电磁波。HPM技术是近年来为了获得和应用HPM而发展起来的一门新兴技术, 它包括高功率电磁脉冲产生技术、相对论强流电子束产生与维持技术、HPM元器件技术、HPM定向发射和传输技术以及HP M应用技术等领域。

HP M 的崛起是由近代微波理论和技术的迅速发展而推动起来的。它极大地促进了高功率雷达、超级干扰机、等离子物理和H PM武器等的发展。

一、H PM 的关键技术

HPM源是HPM的关键器件,目前可用于HPM的微波器件主要有:回旋管、强相对论微波器件、虚阴极振荡器、多波切伦科夫振荡器以及等离子体辅助慢波振荡器等。

高功率微波在国防、科学研究及民用领域的应用和需求的推动下得到了迅速发展,目前广泛引起研究兴趣的是与应用和需求密切相关的源及系统,可以说应用和需求决定着高功率微波的发展方向及各种源的前途与命运。同时高功率微波技术的发展和成熟又将拓展新的应用领域和发展空间,进一步推动高功率微波技术的进步。

定向辐射天线主要用于把HPM辐射电磁能聚焦成极窄的波束, 使微波能高度集中, 从而以极高的能量强度发射出去照射目标。与常规天线技术不同的是HP M定向天线具有高功率和短脉冲两个基本特性。对天线的主要要求是高定向性、大功率容量、一定的带宽和快速扫描等。最常用的是矩形喇叭天线, 其典型的天线效率可达80% 。抛物面天线由于其集中馈电包含非常高的电场而很少应用在高功率微波中。也有采用阵列天线来实现。

目前, 同轴波束转达天线( COBRA )、超宽带( U WB) 高电压喇叭天线及带透镜的喇叭U WB 天线都经过了演示验证。

二、HPM的国内外研究发展现状

HPM的核心器件是HPM源,目前主要的HPM源的发展现状如下:

( 1) 虚阴极器件

美国、俄罗斯和其他国家均有大量的关于虚阴极器件的报道, 我国也在开展这一项研究工作, 目前的研究水平为: 频率从0.5~ 17 GHz , 频率在 1 GHz时, 峰值功率已超过2 0 GW, 输出单脉冲能量达1kj以上, 但效率较低, 最好的仅达15%左右。由于这种器件可用束流大、电子注电压电流范围广, 结构简单, 也不断有一些新方案出现, 可改善效率、提高功率。预计在将来, 达到100 GW 也不会有太大的困难。考虑到这类器件在长脉冲方面也很有潜力,若脉宽达微秒量级则可望达到100 kJ 的单脉冲能量。

( 2) 强流相对论速调管( R KA )

美国海军实验室研制的RK A, 其工作电压为1M V ,束流20 k A, 脉宽160 ns。在1.3 G H z 时,输出功率达15 GW, 效率达50 % ,单脉冲能量超过1 k J,增益15 dB 左右。国际物理公司已研制出一个大功率、S波段频率捷变相对论速调管,该管峰值功率200 MW, 在中心频率为219 G H z 时实现1 0%的瞬时带宽。

( 3) 多波切伦科夫振荡器

俄罗斯强流电子学研究所采用U = 11 8 ~ 21 0M V , I = 13 ~ 1 5 kA的电子束在3 c m波段获得15 GW的峰值功率, 脉冲宽度60 ~ 70 ns,单脉冲能量已接近1 k J。结构上与其类似的绕射振荡器, 在46 GHz 得到了31 5 GH z的峰值功率。

( 4 ) 相对论磁控管

美国国际物理公司研制的相对论磁控管,在S波段单脉冲输出功率达7 GW, 重复频率的相对论磁控管工作于L 波段( 1.1 GH z) , 在重复频率100Hz时峰值功率达1 GW,平均功率为4.4 k W;在重复频率250 Hz时峰值功率达600 MW, 平均功率为6.3 k W; 俄罗斯研制的长脉冲的磁控管脉宽为1us, 脉冲功率为100 MW。

( 5 ) 相对论返波管

俄罗斯已研制出8 ~ 12.5 GHz, 脉宽60 ns,脉冲功率15 GW, 转换效率达50% 的单脉冲返波振荡,其辐射能量可达10 kJ; 脉宽为20 n s, 重复频率10Hz、脉冲功率1 GW、转换效率30% 的返波振荡器。

( 6 ) 回旋管

常规回旋管已达到非常高的平均功率和长脉冲功率,俄罗斯应用物理研究所研制的回旋管在100GHz工作频率获得2.1 MW的峰值功率,脉宽100 us,效率达30 %。在工作频率167 GHz 时获得0.5 MW的峰值功率,脉宽为1 ms ,效率30%。相对论回旋管在毫米波段的峰值功率已超过7GW。

( 7 ) 回旋自谐振脉泽( CARM )

俄罗斯应用物理研究所研制的电子回旋脉泽波长为 1.9cm,输出峰值功率80MW, 效率30 % , 电压为5 00 kV ,电流为5 00 A 。

( 8 ) 自由电子激光( FEL )

在8 mm波段的峰值功率已超过1 GW, 效率达34 % 。

( 9 ) 等离子辅助慢波振荡器

美国休斯公司研制出一种新型的等离子辅助慢波振荡器, 1*10^5V 的电子束能产生3 ~ 5 MW的脉冲功率,脉宽大于100 us, 每个脉冲能辐射300~500 J的能量, 电子束转换效率为15 % ~ 25% 。

( 1 0) SUPPER - RELT RO N

美国T I T AN SPECT RON 公司研制成一种高效、高功率微波管, 称之为SU PPER - REL T RON 。这种管子工作在1 GH z 时, 功率大于4 00 M W, 效率50 % 左右; 工作在3 GHz 时, 功率大于300 M W, 效率为50% , 脉宽为几百毫微秒。

( 1 1) 非相对论磁控管

美国瓦里安联合公司研制出一种非相对论磁控管, 由多个锁相S 波段磁控管构成, 其功率为60M W, 电压低于1 20 kV , 效率60% 以上, 重复频率10Hz , 每微秒脉冲的总能量为1 kJ 。

( 12) 弱流相对论速调管

弱流相对论速调管即常规结构的速调管, 目前已推进到相对论性的水平。美国斯坦福线性加速器中心研制的多注速调管SLA C5045 工作在S 波段,脉冲功率15 0 MW、脉宽3 L s、重复频率6 0 H z, 每个脉冲能量为450 J; XL 系列工作在X 波段( 111 4GHz) , 峰值功率5 0 M W、脉宽1.5 L s、重复频率180Hz, 已投入运行, 正在制造采用行波谐振环的X 波段高功率管, 峰值功率3 00 M W, 脉宽80 0 ns。现已计划研制GW 级多注速调管( GM BK ) , 拟采用周期永磁聚焦代替螺旋管聚焦, 研究的目标为: 电子注数目10 个, 输出功率2 GW, 脉宽2 L s, 重复频率10Hz。美国马里兰大学正在研制100 M W 的回旋速调管。俄罗斯正在研制一种速调管工作频率为14GHz, 峰值功率为150 MW、脉宽为7 50 ns。

三、研究HPM源过程中遇到的问题

各国科学家在研制高功率微波源的过程中都遇到制约这一技术进一步发展的问题,并且这些问题都得到了广泛的认同,从而得到了研究者们的高度重视,并着手去解决这些问题。

1.微波脉冲缩短问题

从目前各种高功率微波源的研究结果来看, 当微波的功率进一步提高时,微波的脉冲宽度会明显缩短。其主要物理机制是高功率微波会在微波源内部产生等离子体、电场击穿,使电子束意外漂移和扩散等。这是目前制约高功率微波器件发展的重要问题之一,各国研究人员在设计和优化器件时都已考虑这一问题,但目前仍然没有得到很好的解决。

2.微波的提取问题

当高功率微波产生之后,需要将微波从微波管或腔中提取和发射出来。常见的方法是“轴向”提取和“侧向”提取,但对于相当一部分高功率微波源,由于所产生的模式过于复杂,其微波能量总是不能十分有效地被提取和发射出来。另外,提取窗口也会反过来影响微波的产生,从而使得这一问题变得难以有效地解决,需要仔细认真地设计并考虑微波源的电磁结构。

3.稳定性和可靠性问题

对于许多单脉冲高功率微波源来讲,每一次脉冲的微波功率和频率都有所不同,有时离散性还较大。严格讲,这种现象并不是微波源本身的电磁结构问题,而是电子束驱动源的问题,因此着手解决这一问题的出发点应当从脉冲功率源下功夫,使其所产生的电子束脉冲相对稳定和可靠,不过这并非容易的事情,这涉及到脉冲功率源的开关、调制器等元件进一步完善,是这一领域研究人员今后应当解决的重要问题之一。

4.脉冲功率的小型化和能量高效率传输问题

在相当一部分高功率微波源中都需要相当规模的脉冲功率设备作为它的驱动源。在当今的脉冲功率技术领域存在的重要问题之一就是脉冲功率源的小型化和能量高效率传输问题。小型化问题涉及到创新性概念的提出、高新技术的应用以及工程、工艺等复杂问题的解决;而能量高效率传输则主要依赖于能量传输的载体结构问题,同时也制约高功率微波技术的发展。俄罗斯的科学家在这方面做出了出色的工作。

当然,在高功率微波技术领域还有许多问题有待解决,例如高功率微波的传输、发射及其与目标耦合等,各国研究人员都在发挥自己的优势攻克这些难关。

四、HPM的应用前景

H PM 在军事上和民用方面均有广阔的应用前景, 主要体现在下面几个方面。

1 HPM 武器

它是利用强功率电磁能来破坏或摧毁敌人的高技术武器系统, 改变雷达单纯的防御体制, 是集软硬杀伤和多种作战功能于一身的新概念电子战武器系统。

高功率微波武器是将高功率微波经高增益定向天线辐射,将能量汇聚在窄波束内,以极高的强度辐照目标,起到破坏敌方武器系统和防卫系统的电子设备,杀伤敌方人员。

现代战争中高科技武器的核心是现代化的电子设备,因而高功率微波武器可以有效攻击现代化武器装备,如雷达、导弹、飞机、卫星等。由于微波以光速传播,辐照面较大,功率密度高,因而打击范围大,跟踪、瞄准要求精度低,能对近距离目标实施瞬时打击。

高功率微波源是未来防御和高效武器的关键技术,可以预见在强大的需求推动下,高能微波武器前景广阔。

2 高功率雷达

它可将雷达功率从1 M W提高到1 GW,作用距离可提高一个数量级, 可用于超远程雷达。近年来, 对一种超宽带的高功率冲击雷达开展了研究工作, 其脉宽为纳秒量级。一个脉宽内, 为提供给与普通雷达信号处理相同的能量, 要求冲击雷达有很高的峰值功率。由于冲击雷达的脉宽极短, 雷达具有很高的测距分辨力。同时由于冲击雷达的超宽带, 因而很难受到干扰。并能对隐形飞机进行有效的探测。

3 反辐射导弹

使用反辐射导弹已成为现代战争的主要手段之一, 因此研究对抗反辐射导弹技术已成为保证雷达的战斗力和生存能力的重要课题HPM 可能是一种比较理想的对抗反辐射导弹的设备。已提出的一种用于摧毁反辐射导弹的HPM 装置称为双模高功率雷达,其工作原理是: 先用该雷达实现正常的对反辐射导弹的捕获、识别和跟踪,然后使雷达无惯性地变到长脉冲(准连续波) 大功率的工作状态, 如峰值功率为10 MW或更高, 脉冲持续时间为0.1 ~ 1 s,于是1~ 10 M J的脉冲能量射向目标, 经目标的天线或孔道接收, 使它的制导系统破坏或阻塞。使用这种高电磁能量的微波炮以光速对付反辐射导弹,可大大提高雷达的生存能力

4 高能射频( RF) 加速

进行高能物理的研究要借助于高能加速器, 目前,加速器发展的目标是产生能量为1Te V ( 1000GeV )的电子束,产生这种束流的加速器将是RF加速器,其中的RF或HP M源产生加速电子的电场。

5 等离子加热

为了实现磁约束等离子体受控热核聚变所需的温度(约为108K ) ,需要某种形式的辅助加热,两种辅助加热方案是中性束注入加热和射频加热。现在,聚变研究人员越来越转向于高功率射频的加热方法的研究。

6 激光泵浦

高功率管和微波放电管产生的微波已经用于泵浦激光。微波泵浦的优点是: ( 1 ) 微波的输送不存在困难; ( 2) 放电时吸收的微波是有效的; ( 3 ) 电极放电不会引起等离子体放电不稳定性; ( 4 ) 无电极时, 激射物质的污染很小; ( 5 ) 能够达到高的比泵浦功率。

7 在采油工业中的应用

现在开采稠油主要靠蒸汽或热水加热,开采成本高,更重要的是蒸汽采油有很大的局限性,一般到1300 m深度以下,蒸汽加热的热效率很低,难以开采。对于特超稠油就更无法开采了。HPM采油是将HPM源放置井下,向地层发射微波能量。由于微波能量受传导率影响,加热速度快,加热效率高,从而能解决现有蒸汽开采效率低下以及浅层和深层稠油不能开采的难题。

8 微波辅助破碎坚硬岩石

对于大于25 Kps i 岩石构造来说, 目前的钻头已达到其强度极限。在动用机械切割工具之前通过HPM加热将岩石表面的强度降低的方法是一种重要的候选方案。该项技术在美国已申请了专利。

9 在化工工业中的应用

已有实验表明, 微波催化可使一些化学反应的速率提高几十倍。微波精细化工将产生性能奇特的高新产品, 比如具有韧性的陶瓷。

五、总结HPM 发展趋势

H PM 的发展趋势是更高的峰值功率、更高的平均功率, 以使每个脉冲的能量更大, 并进一步提高效率, 提高源阵列的合成总功率, 研究可调谐的HPM源。对于脉冲功率系统, 发展趋势为研究能适应高重复频率工作以获得高平均功率, 提高储能元件的储能密度使系统更加小型化和实用化, 提高系统的可靠性等。与此对应, 在高重复频率开关技术、新型绝缘材料技术、重复频率二极管物理、束传输物理、束流诊断等前沿技术进行更进一步的研究。

高功率微波源及系统的发展在近些年取得了巨大的成就,应用的牵引、商业的支助在其发展中扮演着关键的角色。因而各种高功率微波源的发展前景和命运不仅与技术的突破和成熟有关,也与它的商业应用及需求紧密相联,高功率源的发展方向是单器件功率的最大化;提高整体的效率;降低成本,使其结构小巧、紧凑,易于应用。因而高功率微波的研究已从早期的宽范围、多品种研究逐步转移到重点研究最具应用前景的几种高功率微波器件。瞄准未来

先进防御系统及定向能武器的研究和开发将成为21 世纪高功率微波研究的重点和热点。

在学习了微波这一门课程后，发现我们对微波的了解更深了，它可以应用于生活中的方方面面，本文主要讲了微波在军事和工业中的应用，它还可以用于医学领域、食品加工等，不只是局限于我们所熟知的微波炉，然而微波的辐射也会给我们带来伤害，但科学家们都在努力研究以减少它的危害，我相信在不久的将来微波的应用会越来越广泛的。

参考文献：

【1】梁昌洪, 谢拥军, 官伯然. 简明微波[ M ] . 北京: 高等教育出版社, 2006

【2】韩金腾，高功率微波技术面向2 1世纪的军民两用技术[ C] . 高功率微波技术文集【3】邓楠, 美国国际物理公司的HP M发展计划[ M ] . 高功率微波武器文集, 成都: 电子对抗国防科技重点实验室

【4】林峥，电子战武器的发展及高功率微波武器[ J] .航天电子对抗