1、高功率微波及其发展应用简介高功率微波及其发展应用简介Development and Appling of High Power Microwave(HPM)HPM的发展与应用的发展与应用HPM源器件分类及其基本理论基础世界工作简单评介定向能武器（DEW）未来目标和发展电磁波谱及主要产生方式1 1 高功率微波高功率微波(high power microwave-HPM)峰值功率超过100MW频率范围在0.3300GHz之间波长跨越厘米波和毫米波的脉冲电磁辐射高功率微波源分高功率微波源分高平均功率源（宽带源）高峰值功率源（窄带源）性能指标：性能指标：品质因子Pavf2(Pav为平均功率，f为频率)
2、在热核聚变、等离子体加热、先进的高能粒子加速器和对撞机、高效通信和RF武器等需求的强大驱动力下，微波器件的品质因子Pavf2以每十年增长一个数量级的速度增长，从实际需求看，当今和未来HPM技术正向着高功率、高效率、宽频带的目标发展HPM的发展原动力主要来自于军事需求的发展原动力主要来自于军事需求 1937年 第一个腔型器件速调管(klystron)诞生，随之而来的是第二次世界大战期间的的科技大爆炸，战争的需求导致了 磁控管(magnetron)、行波管(traveling wave tube，简称TWT)返波振荡器(backward wave oscillator，简称BWO)的发明。本世纪6
3、0年代 由于核武器效应模拟和高能物理理论和技术的发展，促进了脉冲功率(pulsed power)技术的引入，能量接近于电子静止能量(510kev)的强流(I MA)相对论电子束和电压为数兆伏或更高的高压脉冲的产生已成为现实，这使得高功率微波的范围得到了扩大。一方面，传统的微波器件在结构上得以改进，其行为特性有很大的改善；另一方面，涌现出了许多像相对论速调管(relativistic klystron)、虚阴极振荡器(vircator)等一大批依赖强电流的高压运行器件，同时也随之出现了一些专门以相对论效应为基础的器件，如我们所熟悉的回旋管(grotron)、切仑可夫器件(Cherenkov)、自
4、由电子激光(Free Electron Laser，简称FEL)等 发展重点发展重点 提高功率和能量并达到更宽的频段要解决的基本问题要解决的基本问题 器件的效率和平均功率目前效率目前效率 某些条件下功率效率4050，实际大多数情况功率效率只有10 未来希望未来希望 平均功率达到100kW水平 2 HPM的应用的应用高功率微波(HPM)的发展与它的应用和需求是一种强烈的伴生关系，军事需求仍然是目前高功率微波(HPM)理论和技术发展的主要驱动力 微波武器微波武器 定向能武器（DEW）HPM武器的优点：（1）不存在严重的传输问题 （2）全天候随着微波技术与器件的发展，现代武器及军用设备都包含越来越多
5、的电子元器件，它们很容易遭到高能量脉冲功率的伤害；随着微电子技术的发展，一个芯片上集成的元器件超过3亿个，使其受损阈值大大降低 激光武器微波或射频武器荷电粒子束武器由于HPM具有比普通微波功率大、能量强、频率高的特点，所以它在通信、雷达和其它民用领域的应用也非常广阔。通信通信在信息量方面，信息容量与频带宽度和中心频率成正比，信息量越大越复杂，就需要越宽的频带和越高的频率。HPM通信可以载负更多的信息量，满足当今社会信息容量极度膨胀、信息速度迅速增长的需要。微波通信：快速实现无线宽带接入功能、建设局域微波通讯网提供多种网络服务覆盖范围广、通信距离远 HPM通信：传送话音、数据、视频和图象等各种信
6、号，且具有很强的通用性 高效传输、高信息量、高保密性雷达雷达高功率可以提高雷达的作用距离，高重复速率可以改善雷达的分辨率高高灵敏性、超距离雷达正在航天遥感和卫星导航以及空对地探测等领域发挥重大作用，可以预言，高功率微波必将把雷达代入一个更高的技术水平和崭新的发展领域。合成孔径雷达：是一种在距离向采用脉冲压缩，方位向采用合成孔径 原理的高分辨雷达。基本原理：相当于一个二维脉冲压缩滤波器它将雷达从用于“探测”目标提高到用于目标“成像”，应用领域也从军事侦察扩大到经济、资源和高科技信息等方面。对信号的特殊处理方式也使SAR具有很强的抗干扰性和相对较低的被侦察截获概率，从而使得对SAR系统干扰技术的研
7、究随之成为现代军事信息对抗研究中一个非常迫切的重要课题。距离维脉压滤波器方向维脉压滤波器地域回波地域回波图象图象无线输电无线输电微波源或激光器、发射与接受天线、微波或激光整流器组成。其中最关键的器件是将微波（或激光）能量转变为直流电的整流器整流器 主要应用领域：加电给低轨道军用卫星、给一些难于架线或危险的地区供应电能、保证天基定性向能武器系统的电力、传送卫星太阳能电站的电能、在月球和地球之间架起能量之桥等1电源2电磁波发生器3发射天线4接受天线、5高频电磁波整流器6变电设备7有线电网 其它方面其它方面 高能RF加速器磁约束等离子体受控热核聚变材料加工激光泵浦环保工程等方面都有广泛的应用前景 H
8、PM的发展与应用HPM源器件分类及其基本理论基础源器件分类及其基本理论基础世界工作简单评介定向能武器（DEW）未来目标和发展1 HPM源源器件的分类器件的分类空间电荷空间电荷虚阴极振荡器反射三极管慢波慢波(vp c)O型型返波振荡器行波管表面波振荡器多波契仑科夫发生器相对论衍射发生器相对论速调管等自由电子激光器回旋管回旋返波振荡器回旋行波管回旋速调管回旋自谐振脉塞等M型型相对论磁控管交叉场放大器磁绝缘传输线振荡器等脉动场磁控管 O型器件型器件：相对论电子束漂移方向与外加磁场（波的相速度）同向，利用轴向慢波结构实现电子束的群聚和波-束相互作用。特点特点：频率稳定、波-束相互作用效率高、起振快但它
9、的高阻抗性质限制了功率的产生和提高，外加高磁场限制了器件的小型化。M型器件型器件：相对论电子束的漂移方向垂直与正交电磁场，电子在电磁场作用下的漂移速度与波的相速度vp 相等特点特点：阻抗低，输入电压和电流可以很高，但往往效率很低。2 HPM研究的理论基础研究的理论基础 等离子体物理和相对论电动力学HPM器件的两种工作状态 HPM器件：通过电子束与电磁场的相互作用来产生高功率微波的，所以等离子体研究中的波-粒相互作用理论可直接运用HPM研究HPM文化更接近于等离子体文化，而不是普通微波文化放大器(Amplifier)振荡器(Oscillator)将电子的动能转换成微波电磁能的过程一般发生在波导作
10、用：以某种方式把场的频率和空间结构调整到最适宜从一定的电子振荡固有模式中提取能量不同尺寸和形状的波导可以传播不同模式(TM或TE模)的波，波的特性由色散关系来描述谐振腔波导 截止频率 任何一个具有截止频率低于入射信号频率的模式都可以携带波能量场方程-Maxwell方程边界条件“求和过程”，j电子方程牛顿定律HPM相互作用示意图对于大多数高功率微波(HPM)源，波的增长总是伴随着这种或那种方式的电子群聚，电子束的群聚就是电子的相位被调制，群聚迫使所产生的波具有相干性。3 基本原理基本原理切仑可夫切仑可夫(Cherenkov)器件（器件（O型型）当电子在介质中运动时，如果电子的运动速度大于光在介质
11、中的传播速度，电子就会产生切仑可夫辐射 O型切仑可夫器件（TWT）的基本结构（1）波导入口（2）产生轴向场的磁场线圈（3）产生电子束的二极管/加速器（4）慢波结构（5）喇叭型天线随着制作加工技术的提高，行波管(TWT)和返波管（BWO）在结构设计和手段上不断推陈出新：用一个均匀波导将周期结构分成两部分 以抵消反射，或在结构上增加反射腔，用于进行预群聚，目的是增加了输出效率和功率 采用介质加载或在管中充中性气体采用单交错和双交错电路的微波管 基本方程基本方程场场方程方程演化方程演化方程电子能量方程电子能量方程电子相位方程电子相位方程磁绝缘传输线振荡器磁绝缘传输线振荡器-MILO(M型器件型器件)
12、MILO与其它器件不同之处：不需外加磁场，其直流磁场是由通过管子的器件内部电流提供的，这个直流磁场与正交的直流电场一起决定了电子的漂移速度，这样磁绝缘传输线振荡器(MILO)自身产生的直流磁场可抑制电子从阴极到阳极的发射，这种自绝缘机制和低阻抗性质可杜绝引阳极之间的电子击穿，并允许管子操作非常大的输入输出功率。MILO的基本结构相互作用区域中的电子除了沿轴向运动外，还有从阴极到阳极的一个横向漂移运动由于结构上的差异，演化方程和电子运动方程与O型器件是不同的MILO管中电子轮辐的模拟MILO的主要缺点是效率不高，只有2%的输入功率可用来参与RF能量交换近年来，国内从事磁绝缘传输线振荡器(MILO
13、)研究的队伍日渐壮大，其结构和物理特性的研究引起人们愈来愈多的兴趣和关注目前MILO已经成为所有HPM器件中单脉冲比微波能量输出最高的器件之一利用全电磁方法，通过方法的改进，其基频由L波段可以提高到C波段，若同时加大阴极半径，利用高次谐波在X波段可获得270MW的输出功率已有报道，磁绝缘传输线振荡器(MILO)在L波段已获得1.5GW的峰值功率和300J的微波能量 4 HPM研究方法研究方法特点（1）HPM器件中波-束相互作用很复杂，很难进行精确的解析分析 （2）高功率微波源的实验设计和研制费用很高 HPM源研究的重要手段是计算机模拟。随着HPM源技术的发展，HPM的研究人员越来越要求计算物理
14、学家能用计算机定量设计HPM源，使其满足特定的性能要求在HPM源的二维和三维设计中，用的最广的是PIC（particleincell）。用PIC方法，美国和俄罗斯等国已研制了许多可用于高功率微波源数值模拟的、相对成熟的软件美国美国加州大学的面向对象（object-oriented）的OOPIC和XOOPIC；空军实验室（AFRL）研制的ICEPIC圣地亚国家实验室（SNL）研制的OUICKSILVER和TWOQUICK俄罗斯俄罗斯KARAT洛斯阿拉莫斯科国家实验室研制的ISIS英国英国 原子能管理局（AEA）研制的MAGIC和MAGIC3D；科学应用国际公司（SAIC）研制的MASK和ARGU
15、S 这些软件在美国和俄罗斯的高功率微波源的发展过程中起到了关键的作用。目前国内已引进一些高功率微波源的模拟软件，其中主要是MAGIC和KARAT软件等。这些软件在我国的高功率微波源的研制中发挥了积极的推动作用。研制越来越好的研制越来越好的HPM模拟软件的关键模拟软件的关键：实验与数值模拟协同工作，以交替的方式共同发展。只有理论、数值模拟和实验紧密配合，才能有助于HPM源的研究 HPM的发展与应用HPM源器件分类及其基本理论基础世界工作简单评介世界工作简单评介定向能武器（DEW）未来目标和发展美国美国开展HPM在国防军事方面的研究主要由路军、海军、空军三大军方实验室承担反舰艇导弹防御（ASMD）
16、指挥控制作战系统（C2W）的应用海军实验室（NRL）超宽带、窄脉冲的HPM源的研究小型化、轻重量的装置爆炸驱动的、适合舰艇的较大的高电压装置基于电子攻击（EA）的革新的常规和非常规的HPM源在ASMD和C2W中的应用毫米波亚毫米波辐射源等具体装置：相对论速调管、回旋共振脉塞和自由电子激光器等陆军实验室传感器和电子装置（高功率真空射频源）用于反对抗电子战通信雷达行波管(TWT)、返波管(BWO)、需阴极振荡器（Vircator）、微波功率模件、毫米波模件和正交场放大器 主要研究项目空军实验室超宽带（UWB）和窄带源等离子源的研究和诊断技术击穿和天线PhllipsRomewrightArmstrong主要研究装置：UMB阵列源和天线、回旋-WBO、虚阴极振荡器（VIrcator）和MIILO空军实验室对MIILO具有丰富和先进的研究经验，在世界上处于领先地位其引导MIILO成为当前的一个研究热点大学有麻省理工学院：回旋管、CARM-回旋自振脉塞、FEL等马里兰大学：回旋管、回旋速调管、BWO、FEL等 康乃尔大学：BWO、TWT、CARM和回旋管等 加利福尼亚大学、新墨西哥大学、哥伦比亚大
