西電簡明微波大作業(yè)2.

1、劉源 范亞男 一、高功率微波的概念 二、高功率微波的產(chǎn)生原理及關(guān)鍵技術(shù) 三、目前常用的高功率微波源 四、研究HPM源過程中遇到的問題 五、HPM的實際應(yīng)用 六、HPM的發(fā)展趨勢 峰值功率在100MW以上 工作頻率為1 300 GHz內(nèi) 無線電電磁波 高功率微波 ( HPM ) ？ HPM 技術(shù)是近年來為了 獲得和應(yīng)用H PM而發(fā)展 起來的一門新興技術(shù), 它包括高功率電磁脈沖 產(chǎn)生技術(shù)、 相對論強 流電子束產(chǎn)生與維持技 術(shù)、HPM元器件技術(shù)、 H PM定向發(fā)射和傳輸技 術(shù)以及HP M 應(yīng)用技術(shù) 等領(lǐng)域。 HPM 的崛起是由近代 微波理論和技術(shù)的迅 速發(fā)展而推動起來的。 它極大地促進(jìn)了高功 率雷達(dá)

2、、超級干擾機(jī)、 等離子物理和 H PM 武器等的發(fā)展。 HPM源是HPM的關(guān)鍵器件 H PM 產(chǎn)生原理與關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)生原理與關(guān)鍵技術(shù) 目前可用于HPM的微波器件主要有:回旋管、強相對論微 波器件、虛陰極振蕩器、多波切倫科夫振蕩器以及等離 子體輔助慢波振蕩器等。 ( 1) 虛陰極器件虛陰極器件 美國、俄羅斯和其他國家均有大量的關(guān)于虛陰極器件的報 道, 我國也在開展這一項研究工作, 目前的研究水平為: 頻率從 0.5 17 GHz , 頻率在 1 GHz時, 峰值功率已超過2 0 GW, 輸出單 脈沖能量達(dá)1kJ以上, 但效率較低, 最好的僅達(dá)15%左右。由于 這種器件可用束流大、 電子注電壓電流范

3、圍廣, 結(jié)構(gòu)簡單, 也 不斷有一些新方案出現(xiàn), 可改善效率、 提高功率。預(yù)計在將 來, 達(dá)到 100 GW 也不會有太大的困難?？紤]到這類器件在長 脈沖方面也很有潛力,若脈寬達(dá)微秒量級則可望達(dá)到 100 kJ 的 單脈沖能量 。 ( 2) 強流相對論速調(diào)管強流相對論速調(diào)管( R KA ) 美國海軍實驗室研制的 RK A, 其工作電壓為 1M V ,束流 20 k A, 脈寬 160 ns。在 1.3 G H z 時,輸出功率達(dá)15 GW, 效率 達(dá)50 % ,單脈沖能量超過1 k J,增益15 dB 左右。國際物理公 司已研制出一個大功率、S波段頻率捷變相對論速調(diào)管,該 管峰值功率200 MW

4、, 在中心頻率為 219 GHz 時實現(xiàn)1 0%的 瞬時帶寬 。 ( 3) 多波切倫科夫振蕩器多波切倫科夫振蕩器 俄羅斯強流電子學(xué)研究所采用U = 11 8 21 0M V , I = 13 1 5 kA的電子束在3 c m波 段獲得15 GW的峰值功率, 脈沖寬度60 70 ns,單脈沖能量已接近 1 k J。結(jié)構(gòu)上與其類 似的繞射振蕩器, 在46 GHz 得到了 31 5 GH z的峰值功率。 ( 4 ) 相對論磁控管相對論磁控管 美國國際物理公司研制的相對論磁控管,在S 波段單脈沖輸出功率達(dá)7 GW, 重復(fù)頻率的相對論 磁控管工作于L 波段 ( 1.1 GH z) , 在重復(fù)頻率100H

5、z 時峰值功率達(dá)1 GW,平均功率為 4.4 k W;在重復(fù)頻 率250 Hz時峰值功率達(dá)600 MW, 平均功率為6.3 k W; 俄羅斯研制的長脈沖的磁控管脈寬為 1us, 脈沖 功率為100 MW。 ( 5 ) 相對論返波管相對論返波管 俄羅斯已研制出8 12.5 GHz, 脈寬 60 ns,脈沖功率15 GW, 轉(zhuǎn)換效率達(dá)50% 的 單脈沖返波振蕩,其輻射能量可達(dá)10 kJ; 脈寬為 20 n s, 重復(fù)頻率10Hz、脈沖功率1 GW、轉(zhuǎn)換效率 30% 的返波振蕩器。 ( 6 ) 回旋管回旋管 常規(guī)回旋管已達(dá)到非常高的平均功率和長脈沖功率,俄羅斯應(yīng) 用物理研究所研制的回旋管在100GH

6、z工作頻率獲得2.1 MW的 峰值功率,脈寬100 us,效率達(dá)30 %。在工作頻率167 GHz時獲得 0.5 MW的峰值功率,脈寬為1 ms ,效率30%。相對論回旋管在毫 米波段的峰值功率已超過 7GW。 ( 7 ) 回旋自諧振脈澤回旋自諧振脈澤( CARM ) 俄羅斯應(yīng)用物理研究所研制的電子回旋脈澤波長 為1.9cm,輸出峰值功率80MW, 效率 30 % , 電壓為500 kV ,電流為5 00 A 。 ( 8 ) 自由電子激光自由電子激光( FEL ) 在 8 mm波段的峰值功率已超過1 GW, 效率達(dá)34 % 。 ( 9 ) 等離子輔助慢波振蕩器等離子輔助慢波振蕩器 美國休斯公司

7、研制出一種新型的等離子輔助慢波振蕩器, 1*105V 的電子束能產(chǎn)生3 5 MW的脈沖功率,脈寬大于 100 us, 每個脈沖能輻射300500 J的能量, 電子束轉(zhuǎn)換效 率為 15 % 25% 。 ( 1 0) SUPPER - RELT RO N 美國 T I T AN SPECT RON 公司研制成一種高效、高功率微 波管, 稱之為 SU PPER - REL T RON 。這種管子工作在1 GH z 時, 功率大于 4 00 M W, 效率50 % 左右; 工作在3 GHz 時, 功率 大于 300 M W, 效率為 50% , 脈寬為幾百毫微秒。 ( 1 1) 非相對論磁控管非相對論

8、磁控管 美國瓦里安聯(lián)合公司研制出一種非 相對論磁控管, 由多個鎖相 S 波段 磁控管構(gòu)成, 其功率為60M W, 電壓 低于 1 20 kV , 效率 60% 以上, 重復(fù) 頻率 10Hz , 每微秒脈沖的總能量為 1 kJ 。 ( 12) 弱流相對論速調(diào)管弱流相對論速調(diào)管弱流相對論速調(diào)管即常規(guī) 結(jié)構(gòu)的速調(diào)管, 目前已推進(jìn)到相對論性的水平。美國斯 坦福線性加速器中心研制的多注速調(diào)管 SLA C5045 工作在 S 波段,脈沖功率 150MW、脈寬 3 L s、重復(fù)頻率60Hz, 每個脈 沖 能 量為 450 J; XL 系列工作在 X 波段 ( 111 4GHz) , 峰值功率50 M W、脈

9、寬 1.5 L s、重復(fù)頻率 180Hz, 已投入運行, 正在制造采用行 波諧振環(huán)的 X 波段高功率管, 峰 值功率 3 00 M W, 脈寬 80 0 ns?，F(xiàn) 已計劃研制 GW 級多注速調(diào) ( GMBK ) , 擬采用周期永磁聚焦代替螺 旋管聚焦, 研究的目標(biāo)為: 電子注數(shù)目 10 個, 輸出 功率 2 GW, 脈寬 2 L s, 重復(fù)頻率 10Hz。美國馬里蘭大學(xué)正在研制 100 M W 的回旋速調(diào)管。 俄羅斯正在研制一種速調(diào)管工作頻率為 14GHz, 峰值功率為 150 MW、 脈寬為 7 50 ns。 研究研究HPM源過程中遇到的問題源過程中遇到的問題 1.微波脈沖縮短問題微波脈沖縮

10、短問題 從目前各種高功率微波源的研究結(jié)果來看, 當(dāng)微波 的功率進(jìn)一步提高時,微波的脈沖寬度會明顯縮短。 其主要物理機(jī)制是高功率微波會在微波源內(nèi)部產(chǎn)生等 離子體、電場擊穿,使電子束意外漂移和擴(kuò)散等。這 是目前制約高功率微波器件發(fā)展的重要問題之一 ,各 國研究 人員在設(shè)計和優(yōu)化器件時都已考慮這一問題, 但目前仍然沒有得到很好的解決。 2.微波的提取問題微波的提取問題 當(dāng)高功率微波產(chǎn)生之后,需要將微波從微波 管或腔中提取和發(fā)射出來。常見的方法是“ 軸向”提取和“側(cè)向”提取,但對于相當(dāng)一部 分高功率微波源,由于所產(chǎn)生的模式過于復(fù)雜, 其微波能量總是不能十分有效地被提取和發(fā) 射出來。另外,提取窗口也會反

11、過來影響微波 的產(chǎn)生,從而使得這一問題變得難以有效地解 決,需要仔細(xì)認(rèn)真地設(shè)計并考慮微波源的電磁 結(jié)構(gòu)。 3.穩(wěn)定性和可靠性問題穩(wěn)定性和可靠性問題 對于許多單脈沖高功率微波源來講,每 一次脈沖的微波功率和頻率都有所不同,有 時離散性還較大。嚴(yán)格講,這種現(xiàn)象并不是 微波源本身的電磁結(jié)構(gòu)問題,而是電子束驅(qū) 動源的問題,因此著手解決這一問題的出發(fā) 點應(yīng)當(dāng)從脈沖功率源下功夫,使其所產(chǎn)生的 電子束脈沖相對穩(wěn) 定和可靠,不過這并非容 易的事情,這涉及到脈沖功率源的開關(guān)、調(diào) 制器等元件進(jìn)一步完善,是這一領(lǐng)域研究人 員今后應(yīng)當(dāng)解決的重要問題之一。 4.脈沖功率的小型化和能量高效率傳輸問題脈沖功率的小型化和能量

12、高效率傳輸問題 在相當(dāng)一部分高功率微波源中都需要相當(dāng)規(guī) 模的脈沖功率設(shè)備作為它的驅(qū)動源。在當(dāng)今的脈 沖功率技術(shù)領(lǐng)域存在的重要問題之一就是脈沖功 率源的小型化和能量高效率傳輸問題。小型化問 題涉及到創(chuàng)新性概念的提出、高新技術(shù)的應(yīng)用以 及工程、工藝等復(fù)雜問題的解決;而能量高效率 傳輸則主要依賴于能量傳輸?shù)妮d體結(jié)構(gòu)問題,同 時也制約高功率微波技術(shù)的發(fā)展。俄羅斯的科學(xué) 家在這方面做出了出色的工作。 當(dāng)然,在高功率微波技術(shù)領(lǐng)域還有許 多問題有待解決,例如高功率微波的 傳輸、發(fā)射及其與目標(biāo)耦合等,各國 研究人員都在發(fā)揮自己的優(yōu)勢攻克這 些難關(guān)。 HPMHPM的應(yīng)用前景的應(yīng)用前景 1 HPM 武器武器 它是

13、利用強功率電磁能來破壞或摧毀敵人的 高技術(shù)武器系統(tǒng), 改變雷達(dá)單純的防御體制, 是集 軟硬殺傷和多種作戰(zhàn)功能于一身的新概念電子戰(zhàn) 武器系統(tǒng)。 高功率微波武器是將高功率微波經(jīng)高增益定 向天線輻射,將能量匯聚在窄波束內(nèi),以極高的強度 輻照目標(biāo),起到破壞敵方武器系統(tǒng)和防衛(wèi)系統(tǒng)的電 子設(shè)備,殺傷敵方人員。 2 高功率雷達(dá)高功率雷達(dá) 它可將雷達(dá)功率從它可將雷達(dá)功率從1 M W提高到提高到1 GW,作用距作用距 離可提高一個數(shù)量級離可提高一個數(shù)量級, 可用于超遠(yuǎn)程雷達(dá)。近可用于超遠(yuǎn)程雷達(dá)。近 年來年來, 對一種超寬帶的高功率沖擊雷達(dá)開展了對一種超寬帶的高功率沖擊雷達(dá)開展了 研究工作研究工作, 其脈寬為納秒

14、量級。一個脈寬內(nèi)其脈寬為納秒量級。一個脈寬內(nèi), 為為 提供給與普通雷達(dá)信號處理相同的能量提供給與普通雷達(dá)信號處理相同的能量, 要求要求 沖擊雷達(dá)有很高的峰值功率。由于沖擊雷達(dá)的沖擊雷達(dá)有很高的峰值功率。由于沖擊雷達(dá)的 脈寬極短脈寬極短, 雷達(dá)具有很高的測距分辨力。同時雷達(dá)具有很高的測距分辨力。同時 由于沖擊雷達(dá)的超寬帶由于沖擊雷達(dá)的超寬帶, 因而很難受到干擾。因而很難受到干擾。 并能對并能對 隱形飛機(jī)進(jìn)行有效的探測。隱形飛機(jī)進(jìn)行有效的探測。 3 反輻射導(dǎo)彈反輻射導(dǎo)彈 使用反輻射導(dǎo)彈已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要手段之一, 因此研究對抗反輻射導(dǎo)彈技術(shù)已成為保證雷達(dá)的戰(zhàn) 斗力和生存能力的重要課題HPM 可能

15、是一種比較理 想的對抗反輻射導(dǎo)彈的設(shè)備。已提出的一種用于摧 毀反輻射導(dǎo)彈的HPM 裝置稱為雙模高功率雷達(dá),其工 作原理是: 先用該雷達(dá)實現(xiàn)正常的對反輻射導(dǎo)彈的捕 獲、識別和跟蹤,然后使雷達(dá)無慣性地變到長脈沖(準(zhǔn) 連續(xù)波) 大功率的工作狀態(tài), 如峰值功率為10 MW或 更高, 脈沖持續(xù)時間為0.1 1 s,于是1 10 M J的脈沖 能量射向目標(biāo), 經(jīng)目標(biāo)的天線或孔道接收, 使它的制 導(dǎo)系統(tǒng)破壞或阻塞。使用這種高電磁能量的微波炮 以光速對付反輻射導(dǎo)彈,可大大提高雷達(dá)的生存能力 4 高能射頻高能射頻( RF) 加加 速速 進(jìn)行高能物理的研 究要借助于高能加速 器, 目前,加速器發(fā)展 的目標(biāo)是產(chǎn)生能

16、量為 1Te V ( 1000GeV )的電子束,產(chǎn)生這種束流 的加速器將是RF加速器,其中的RF或HP M 源產(chǎn)生加速電子的電場。 5 等離子加熱等離子加熱 為了實現(xiàn)磁約束等離子體受控?zé)岷司?變所需的溫度(約為108K ) ,需要某種形式 的輔助加熱,兩種輔助加熱方案是中性束 注入加熱和射頻加熱。 現(xiàn)在,聚變研究人員越來 越轉(zhuǎn)向于高功率射頻的 加熱方法的研究。 6 激光泵浦激光泵浦 高功率管和微波放電管產(chǎn)生 的微波已經(jīng)用于泵浦激光。 微波泵浦的優(yōu)點是: ( 1 ) 微波的輸送不存在困難; ( 2) 放電時吸收的微波是有效的; ( 3 ) 電極放電不會引起等離子體放電不穩(wěn)定性; ( 4 ) 無電極時, 激射物質(zhì)的污染很小; ( 5 ) 能夠達(dá)到高的比泵浦功率。 7 在采油工業(yè)中的應(yīng)用在采油工業(yè)中的應(yīng)用 現(xiàn)在開采稠油主要靠蒸汽或熱水加熱,開采成本高,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,蒸汽加熱的熱效率很低,難以開采。對于特超稠油 就更無法開采了。HPM采油是將HPM源放置井下,向地 層發(fā)射微波能量。由于微波能量受傳導(dǎo)率影響,加熱速 度快,加熱效率高,從而能解決現(xiàn)有蒸汽開采效率低下以 及淺層和深層稠油不能開采的難題。 8 微波輔助破碎堅硬巖石 對于大于 25 Kps i 巖石構(gòu)造來說, 目前的鉆頭