高功率微波及源器件

高功率微波及源器件第1页，共51页，2023年，2月20日，星期四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定向能武器（DEW）未来目标和发展第2页，共51页，2023年，2月20日，星期四电磁波谱及主要产生方式第3页，共51页，2023年，2月20日，星期四1高功率微波(highpowermicrowave-HPM)

峰值功率超过100MW频率范围在0.3－300GHz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平均功率源（宽带源）高峰值功率源（窄带源）性能指标：品质因子Pavf2(Pav为平均功率，f为频率)

第4页，共51页，2023年，2月20日，星期四在热核聚变、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、宽频带的目标发展第5页，共51页，2023年，2月20日，星期四HPM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(travelingwavetube，简称TWT)

返波振荡器(backwardwaveoscillator，简称BWO)的发明。第6页，共51页，2023年，2月20日，星期四本世纪60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(pulsedpower)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(relativisticklystron)、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)、自由电子激光(FreeElectronLaser，简称FEL)等

第7页，共51页，2023年，2月20日，星期四发展重点

提高功率和能量并达到更宽的频段

要解决的基本问题

器件的效率和平均功率目前效率

某些条件下功率效率40～50﹪

，实际大多数情况功率效率只有10﹪未来希望平均功率达到100kW水平第8页，共51页，2023年，2月20日，星期四2HPM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

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第9页，共51页，2023年，2月20日，星期四由于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号，且具有很强的通用性

高效传输、高信息量、高保密性第10页，共51页，2023年，2月20日，星期四雷达

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图象第11页，共51页，2023年，2月20日，星期四无线输电

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

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

第12页，共51页，2023年，2月20日，星期四其它方面

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

第13页，共51页，2023年，2月20日，星期四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定向能武器（DEW）未来目标和发展第14页，共51页，2023年，2月20日，星期四1HPM源器件的分类空间电荷虚阴极振荡器反射三极管

慢波(vp<c)快波(vp>c)

O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

第15页，共51页，2023年，2月20日，星期四O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：频率稳定、波-束相互作用效率高、起振快但它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：

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：阻抗低，输入电压和电流可以很高，但往往效率很低。

第16页，共51页，2023年，2月20日，星期四2HPM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)第17页，共51页，2023年，2月20日，星期四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第18页，共51页，2023年，2月20日，星期四场方程-Maxwell方程边界条件“求和过程”ρ，j电子方程牛顿定律

HPM相互作用示意图第19页，共51页，2023年，2月20日，星期四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。

第20页，共51页，2023年，2月20日，星期四3基本原理切仑可夫(Cherenkov)

器件（O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）喇叭型天线第21页，共51页，2023年，2月20日，星期四第22页，共51页，2023年，2月20日，星期四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

基本方程场方程演化方程电子能量方程电子相位方程第23页，共51页，2023年，2月20日，星期四磁绝缘传输线振荡器-MILO(M型器件)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的基本结构第24页，共51页，2023年，2月20日，星期四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

第25页，共51页，2023年，2月20日，星期四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)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

第26页，共51页，2023年，2月20日，星期四4HPM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

第27页，共51页，2023年，2月20日，星期四俄罗斯

KARAT

洛斯阿拉莫斯科国家实验室研制的ISIS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ARGUS

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HPM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

第28页，共51页，2023年，2月20日，星期四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定向能武器（DEW）未来目标和发展第29页，共51页，2023年，2月20日，星期四美国开展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）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第30页，共51页，2023年，2月20日，星期四陆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

第31页，共51页，2023年，2月20日，星期四

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第32页，共51页，2023年，2月20日，星期四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、哥伦比亚大学、密执根大学和田纳西大学等也有一定规模的研究

美国HPM研究的主要技术成就（1）稳步提高了等离子体加热回旋管的性能，并推进了源的创新方法（2）为实现FEL输出功率和效率的提高，对锥型摇摆器进行了实验验证（3）探索研究了多项锁相技术。第33页，共51页，2023年，2月20日，星期四俄国（前苏联）前苏联对HPM的研究是领先于其它西方国家，最活跃的两个研究中心是应用物理研究所：研究涉及慢波和快波器件研究所在研究诸如回旋管和毫米波段内产生最高平均功率的回旋自共振脉塞等快波器件方面是世界闻名的

托姆斯克强流电子学研究所：已扩展到慢波器件

研究所对多波器件的研究是著名的，在与BWO和TWT相关的源方面取得了世界记录的微波功率水平

回旋管

CARM

FELBWOTWTBWO多波契伦柯夫发生器相对论衍射发生器相对论衍射发生器第34页，共51页，2023年，2月20日，星期四托姆斯克核物理研究所：主要从事S(3GHz)波段的研究莫斯科普通物理研究所：研究扩展到等离子体器件研究所在研究自由电子激光、回旋管等快波器件方面是知名的莫斯科无线电技术研究所：研究重点是虚阴极振荡器和等离子器件国立莫斯科大学：表面波振荡器和微波源理论研究主要成就是：（1）在等离子加热用的回旋管方面达到了高平均功率（2）在多波契伦柯夫发生器（MWCG）、多波衍射发生器（MWDG）和相对论衍射发生器（RDG）方面达到了高峰值功率（3）研制了驱动高峰值功率和高平均功率源的小型重复脉冲功率源（4）开发了用于回旋管的高效耦合器相对论磁控管虚阴极振荡器谐振器储能源等离子填充器件契伦柯夫器件虚阴极振荡器第35页，共51页，2023年，2月20日，星期四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定向能武器（DEW）未来目标和发展第36页，共51页，2023年，2月20日，星期四HPM（新概念）武器是一种射频武器。它把HPM源产生的微波经过高增益天线定性辐射出去，将微波能量聚集在很窄的波束内，以极高的强度照射目标，从而产生杀伤和破坏效果。HPM武器对目标的杀伤效果

取决于初级功率源的大小、HPM源的输出功率、发射天线的增益和目标与微波源的距离HPM武器HPM源

微波器件

定向发射装置控制系统

第37页，共51页，2023年，2月20日，星期四实验表明

★

0.01～1µW/cm2，可使工作在相同波段上雷达、通信等电子设备的信噪比下降，起到干扰正常工作的作用★

0.01～1W/cm2，其辐射所形成的瞬变电磁场可以使金属目标表面产生感应电流，其（通过天线、导线、金属开口或缝隙）进入目标的电子设备中，使电路功能混乱或烧毁电路中的元器件★

80W/cm2，持续一秒即可致人死亡

★

1000～10000W/cm2，瞬间摧毁目标，引爆炸弹和导弹战斗部

第38页，共51页，2023年，2月20日，星期四

HPM武器有下列优点由于高效率和光速攻击，所以不受天气影响--近于全天候使用控制杀伤力，使波束虽能致人失明或心肺功能衰竭，但不致人死亡微波波束较宽，不需精确瞄准目标即能杀伤目标小的微波源适于隐蔽使用攻击不留痕迹第39页，共51页，2023年，2月20日，星期四天基HPM武器系统作战图

天基HPM武器系统能够对地面、飞机和空中目标实施不同程度的杀伤

第40页，共51页，2023年，2月20日，星期四机载HPM武器系统作战图这种中等距离的武器系统既可以打击飞机上的目标，也可以打击地面上的目标，并具有可调的杀伤力第41页，共51页，2023年，2月20日，星期四实验型高功率微波发射器第42页，共51页，2023年，2月20日，星期四实现并实施使用性实验的HPM武器目前HPM武器基本还处于战略性微波武器阶段，大部分距实用武器系统还有一定距离，还处于武器概念阶段。HPM炸弹：海湾战争中，美海军在战争的第一天就从舰艇上发射了装有这种弹头的“战斧”巡航导弹，主要用于破坏对方的指挥系统和供电网络

HPM炸弹：是通过把微波束转化为电磁能，毁伤对方电子设施和人员的一种新型定向能武器，它对电子系统和人体均可造成伤害基本工作原理：HPM经过天线聚集成的很窄、很强的束电磁波射向对方，依靠这束电磁波产生的高温、电离、辐射等综合效应，在目标内部的电子线路中产生很高的电流电压，击穿或烧毁其中敏感元器件，毁损电脑中的存储数据，从而使对方武器指挥系统陷于瘫痪，丧失战斗力；或对人体肌体和机能造成损伤

第43页，共51页，2023年，2月20日，星期四HPM炸弹的使用，对攻击方来说无疑可迅速增强其战斗力，对目标方来说，防御和对抗却十分困难

破坏威力基本达到核武器水平，但更干净和准确，并可避免误伤平民和民用目标，也可大大减少甚至避免攻击方自身的人身伤亡。总之，无论那种HPM武器，都是一种远距离进行干扰、近距离实现摧毁的具有软硬两种杀伤效应的多功能武器，现阶段主要用于飞机自卫、进行反舰导弹防御以及压制敌方防空和指（挥）管（理）通（信）情（报）系统

第44页，共51页，2023年，2月20日，星期四非致命武器（1）美国陆军实验室正在研制的地面车辆制动装置，就是利用微波源产生的脉冲波爆使远处的正在高速行驶的汽车失灵甚至报废（2）电力分配弹药EPDM（Electricpowerdistributionmanition），当其飞抵目标上方时爆炸释放出大量松散的传导性碳纤维缠丝，随风飘落，缠绕在高能电缆上使电子设备严重短路

（3）目前正在研制中的隐蔽式眩目激光武器，是使用荧光技术，其发射出的紫外光照射眼睛后，眼睛会产生荧光