（光学工程专业论文）高功率微波防护的相关问题研究.pdf

国防科学技术大学研究生院_ t 程硕士学位论文 摘要 高功率微波技术的发展，使其在军事上的应用也将越来越广泛。但同时应清 醒地认识到：在利用高功率微波的同时，也将受到其潜在的危害。因此，如何防 护高功率微波对电子设备及人员的损伤，已经成为一个重要的课题。 本文综述和分析了高功率微波毁伤效应研究，以及高功率微波的相应防护方 法，并以此为基础，结合未来战场的潜在应用，给出了高功率微波的防护措施。 文中还介绍了电磁屏蔽机理及相关屏蔽效能的计算方法，并对微波暗室、防护材 料、简易微波挡板及墙体的屏蔽效能进行了测试，相关结果对提高电子设备及人 员的安全性具有一定的参考意义。 本文的主要工作有以下几个方面： 首先，对高功率微波技术的发展进行了论述；介绍了选题背景及研究高功率 微波防护的重要意义。 其次，对高功率微波的毁伤效应进行了分析；介绍了高功率微波对电子设备 的毁伤过程及对人体的生物效应。 再次，介绍了高功率微波的一般防护方法；论述了电子设备的加固技术；提 出了战场防护措施。 最后，分析了屏蔽机理；介绍了屏蔽效能的计算方法：结合试验对微波暗室 防护门、微波防护布、简易微波挡板及墙体进行了微波防护特性分析。 主题词：高功率微波毁伤效应微波防护屏蔽效能 第i 页 国防科学技术人学研究生院l j 程硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i 曲p o w e rm i c r o w a v et e c h n o l o g y ，i t sa p p l i c a t i o ni n m i l i t a r yi sa l s ob e c o m i n gw i d e s p r e a d h o w e v e r , w es h o u l dh a v et h ec l e a rm i n dt h a t t h e r ee x i s tt h ep o t e n t i a lr i s k sw i t hu s i n gh i g hp o w e rm i c r o w a v e 。t h e r e f o r e ，i th a s b e c o m eav e r yi m p o r t a n tt o p i ch o wt op r e v e n th i g hp o w e rm i c r o w a v ef r o md a m a g i n g t h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n ta n dp e r s o n n e l t h i sp a p e rr e v i e w sa n da n a l y z e st h ed e s t r u c t i v ee f f e c t so fh i g h p o w e rm i c r o w a v e a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i v em e t h o d s ，a n da l s oo f f e r ss o m em e a s u r e si nt e r m so fi t s p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si n t h ef u t u r eb a t t l e f i e l d m o r e o v e r ，t h i sp a p e ra l s ob r i e f st h e m e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ga n dt h er e l e v a n tc a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n dg i v e s at e s tf o rt h ee f f e c t i v e n e s so fa n e c h o i cc h a m b e r ，p r o t e c t i v em a t e r i a l ，a n ds i m p l e m i c r o w a v eb a f f l ew a l l ，t h er e s u l t sh a v et h eg r e a tm e a n i n gf o re n h a n c i n gi t ss a f e t y f u n c t i o nf o rt h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n ta n dt h ep e r s o n n e l f i r s t l y ，i te x p o u n d st h ed e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rm i c r o w a v et e c h n o l o g ya n d i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do nt h et o p i ca n dt h ek e ym e a n i n go ft h i sr e s e a r c h s e c o n d l y ，i ta n a l y z e st h ed e s t r u c t i v ee f f e c t so fh i g hp o w e rm i c r o w a v ea n de x p l a i n s t h ep r o c e s so ft h ed e s t r u c t i v ep r o c e s so fh i g hp o w e rm i c r o w a v et ot h ee l e c t r o n i c e q u i p m e n ta n dt h eb i o l o g i c a le f f e c t so nt h eh u m a nb o d y t h i r d l y ，i tg i v e st h eg e n e r a lm e t h o d so fd e f e n d i n gh i g hp o w e rm i c r o w a v ea n d d i s c o u r s e su p o nt h et e c h n o l o g yo fr e i n f o r c i n gt h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，o f f e r ss o m e m e a s u r e si nt h eb a t t l e f i e l d f i n a l l y ，i ta n a l y z e st h es h i e l d i n gm e c h a n i s m ，i n t r o d u c e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ，a n dg i v e sad e t a i l e de x p l a n a t i o no n t h ec h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o w a v ed e f e n s et ot h ea n e c h o i cc h a m b e r ，p r o t e c t i v em a t e r i a l ，a n ds i m p l em i c r o w a v e b a 闭ew a l l k e yw o r d s ：h i g hp o w e rm i c r o w a v e ；d e s t r u c t i v ee f f e c t s ；m i c r o w a v ed e f e n s e ； e f f e c t i v e n e s so fs h i e l d i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表2 1 不同功率密度的微波辐射产生的效能9 表4 1 喇叭间距为1 2 0 c m 时暗室门的屏蔽效能3 0 表4 2 喇叭间距为2 4 0 c m 时暗室门的屏蔽效能3 0 表4 3s 波段防护材料的微波衰减3 2 表4 4 喇叭间距为15 0 c m 时微波防护布的微波衰减量3 3 表4 5 喇叭问距为4 0 0 c m 时微波防护布的微波衰减量3 4 表4 6 喇叭间距为1 5 0 c m 时频谱分析仪测得功率3 4 表4 7 喇叭间距为1 5 0 c m 时微波挡板的衰减量3 5 表4 8 喇叭间距为4 0 0 c m 时频谱分析仪测得功率3 5 表4 9 喇叭间距为4 0 0 c m 时微波挡板的衰减量3 5 表4 1 0 喇叭自j 距为4 0 0 c m 时墙体的微波衰减量3 6 表4 1 l 不同墙体对不同微波源的衰减值3 7 第1 i l 页 国防科学技术人学研究生院j ：程硕十学位论文 图目录 图1 1 高功率微波系统的组成一1 图2 1 高功率微波发射及作用原理1 0 图3 1 高功率微波加固流程图，1 6 图4 1a x b 单元块外型结构图2 9 图4 2 实验布置2 9 图4 3 热测实验配置图3 2 图4 4 冷测实验配置图3 3 图4 5 微波脉冲穿透墙体试验布局3 6 附图a 1 微波暗室4 3 附图a 2 微波暗室门4 3 附图a 3 发射喇叭4 3 附图a 4 接收喇叭4 4 附图a 5 热测喇叭4 4 附图a 6 热测喇叭前加防护布4 4 附图a 7 喇叭前加吸波材料4 5 附图a 8 微波挡板i 4 5 附图a 9 微波挡板i i 4 5 附图a 1 0 办公楼墙体4 6 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：直边空丝这堕鲎的担差闻塑珏究 学位论文作者签名：蛰童磕至翌 日期：泐多年，f 月，1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 蛰立匦璺 作者指导教师签名：池 日期：细6 年t1 月弘日 日期：汹彳年? 月2 ：2 - - i 寻 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 高功率微波技术发展概述 高功率微波n3 ( h i g hp o w e rm i c r o w a v e ，h p m ) 通常是指峰值功率大于i o o m w ， 频率在1 g h z 3 0 0 g h z 的电磁波。这一定义使得高功率微波技术有别子常规微波技 术，形成了一个全新的研究领域。1 9 世纪8 0 年代赫兹通过电磁振荡产生了最早 的电磁波，这一标志性的成果开创了近代无线电技术领域。二十世纪初期，人类 研制出栅控管，无线电进入低频应用领域。3 0 年代，研究人员通过与电子学线路 相连的谐振腔获得了高频微波。1 9 3 7 年，第一只具有谐振腔结构的速调管诞生。 之后，磁控管得到迅速发展，同时又发明了行波管i 返波振荡器。在6 0 年代，研 制出了f 交场放大器。目前，微波技术和微波器件比卅已经广泛应用于电子对抗技 术、卫星和飞行导航、导弹制导、微波通信、雷达、电视广播、空问技术、微波 离子加速器、微波等离子体加热等军事、民用和科学研究领域。 高功率微波领域是本世纪7 0 年代随着脉冲功率技术h 1 、相对论电子学m 1 、等 离子体物理旧1 的发展而发展起来的。脉冲功率技术的发展，使强流加速器能够产生 数兆伏或更高的脉冲高电压和大于兆安的带电粒子束流。等离子体物理和相对论 电子学理论为准确把握这种粒子束流的行为提供了理论指导。高功率微波技术就 是在此基础上应运而生的。 在较短的时间内，高功率微波技术己经取得了极大的进展。由于高功率微波 与常规微波在功率的巨大差别，高功率微波技术的应用也具有许多独特的特性。 高功率微波的高功率和高能量的特点使得它在定向能技术、高灵敏性超远距离雷 达、等离子体加热、射频电子直线加速器、环保工程、激光泵浦、功率聚束传输 等方面的应用前景光明。 1 1 ，1 高功率微波系统的组成及性能特点 高功率微波系统由初始能源、能量储存、脉冲形成部分、二极管、微波源及 天线等组成，如图1 。1 所示。 初级 ， 能量 ， ： 脉冲形 ， 二极管 ， ； 微、瘐源 天线 目攘存储成部分 图i 1 高功率微波系统的组成 脉冲功率技术是萌芽于3 0 年代，并于6 0 年代初开始得到迅速发展的一门新 兴科学技术。它使人们能在实验室条件产生强大的电功率，从事各方面的科学实 第l 页 国防科学技术大学研究生院： ：程硕十学佗论文 验。它已经不只是基于电工学的高电压大电流技术，其本质乃是把较大的能量在 空间、时间上尽量集中压缩在极小的区域内，产生极高的瞬发能。一般来说，脉 冲功率装置包括初级能源，中间储能和脉冲形成系统，转换系统以及负载。它的 基本过程是：在极短的时间内把以各种形式储存起来的能量以强电脉冲的形式快 速取出，传输，能量变换( 成形) ，最后提供给负载。它也不同于一般的脉冲技术， 它所产生的电压一般在k v 以上，电流一般在k a 以上。6 0 年代初期，英国原子武 器研究中心的j c m a r t i n ，把已有的m a r x 发生器技术用来对快速传输线进行脉冲 充电。产生了持续时间为l o n s 到l o o n s 的高功率脉冲，开始了脉冲功率加速器的 研究，从此，脉冲功率技术开始迅速发展。 电子束二极管是一个很重要的部件，它能够把脉冲形成线提供的短持续时间、 高功率电脉冲转换为所需的电子束。因此，各国在开展高功率脉冲粒子束加速器 研究的过程中，都相应地开展了电子束二极管的研究，并且针对各种加速器类型 及其用途，设计出了形式多样的电子束二极管。 高功率微波源“们主要是用相对论电子束产生高功率微波辐射的器件，是高功 率微波系统中的关键部件之一。在高功率微波技术的发展过程中，先后涌现出了 许多不同类型的高功率微波源，无论哪一种微波源，都是通过电子束与波的相互 作用把电子束的能量转化为高频电磁波能量来产生高功率微波的。不同类型的微 波源，其束波相互作用机制不同，所具有的优点和缺点不同，适用的场合也不同。 按束波相互作用的机制不同，高功率微波源大致可分为0 型器件、正交场器件、 利用空间电荷效应的器件、渡越时间效应器件等。 在o 型器件中，相对论电子束与波的相速度同向( 均为轴向) ，利用与电子 束运动同向的慢波结构( s w s ) 来实现电子束的群聚和束波相互作用。0 型器件一 般属于高阻抗微波源，阻抗约几十欧姆，束波作用效率高，起振快，频率稳定， 比较容易产生高功率微波，缺点在于由于阻抗较高，输入的束电流不能很大，一 般只有几个千安，限制了输入的总功率和产生的微波功率。此外，o 型器件一般需 要外加比较强的磁场来引导电子束的传输，因而限制了高功率微波系统的小型化 与实用化。在这类微波源中比较典型的器件有： 相对论返波振荡器( b a c k w a r dw a v e o s c il l a t o r ，b w o ) 、多波契仑柯夫振荡 器( m u l t i w a v ec e r e n k o vg e n e r a t o r ，m w c g ) 、相对论行波管( r e l a t i v i s t i c t r a v e l i n gw a v et u b e ，t w t ) 、相对论速调管( r e l a t i v i s t i ck l y s t r o n ) 、回旋 管( g y r o t r o n ) 、自由电子激光( f r e ee l e c t r o nl a s e r ，f e l ) 、相对论衍射发 生器( r e l a t i v i s t i cd i f f r a c t i o ng e n e r a t o r ，r d g ) 等。 正交场( c r o s sf i e l d ) 型器件的特征是，电磁波传播方向与电场和磁场都垂 直，电子在电磁场作用下做e b 漂移运动，其速度等于慢波结构中电磁波的相 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 速度。正交场器件一般属于低阻抗器件，输入的电子束电压和电流都可以较大， 直流功率高，但是往往效率较低，目前只有相对论磁控管的效率达到了令人满意 的水平。典型的器件有相对论磁控管( r e l a t i v i s t i cm a g n e t r o n ) 、磁绝缘线振 荡器( m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e dl i n eo s c i l l a t o r ，m i l o ) 等。 利用空间电荷效应的微波源的典型代表是虚阴极振荡器1 ( v i r t u a lc a t h o d e o s c i l l a t o r 。v i r c a t o r ) ，反射三极管( r e f l e c tt r i o d e ) 、谐振腔型虚阴极、 r e d i t r o n 等都是虚阴极振荡器的变型。这类微波器件是利用电子束自身的空间电 荷效应产生的虚阴极振荡及由此引起的反射电子的往返振荡来产生微波的，通常 结构简单，不需外加引导磁场，电子束流高达几十甚至上百千安，其频率取决于 虚阴极的电荷密度。缺点在于产生微波的效率较低，一般实验中仅有百分之几， 而且频率不是很单一。 基于渡越时间效应的微波源利用电子在有限渡越角的间隙中的渡越时间不稳 定性来产生高功率微波。其典型代表有渡越时间振荡器( t r a n s i tt i m e o s c i l l a t o r ，t t o ，也叫做单腔管) 、分离腔振荡器( s p l i tc a v i t yo s c i l l a t o r ， s c o ) 、超级后加速管( s u p e r r e l t r o n ) 等。这类器件通常具有对电子束质量要 求不高，输出微波频率比较稳定等优点。缺点是起振较慢，微波功率不易提取。 近二十年来高功率微波源的发展水平有了很大的提高，以p f 2 表征的高功率 微波器件的性能因子增加了三个数量级左右，并涌现出了许多新型的高功率微波 器件。1 9 9 1 年，美国海军研究实验室( n r l ) 研制的强流相对论速调管放大器( r k a ) 在l 波段得到了1 5 g w 的输出微波峰值功率，脉宽l o o n s ，效率4 0 ，单脉冲能 量超过了l k j 。1 9 8 1 年，俄罗斯托姆斯克强流电子学研究所研制的多波契仑柯夫 振荡器( m w c g ) 在x 波段获得了1 5 g w 的输出微波峰值功率，其脉宽为7 0 n s ，效 率达到了5 0 。这两次实验是迄今为止单器件输出功率最高的，代表了当今最高 的微波峰值功率水平。而已经达到的最高p f2 性能因子的器件则是频率为4 6 g h z ， 功率为3 5 g w 的相对论衍射发生器( r d g ) 。 目前，现有高功率微波源正日趋成熟和完善，新型高功率微波器件仍在不断 涌现，高功率微波源的应用也越来越广泛。 高功率微波天线系统是整个高功率微波系统的终端，是高功率微波应用的重 要环节之一，决定着能否将高功率微波源所产生的微波能量有效地定向传输或集 中地作用到目标上。从技术特征上来讲，高功率微波天线系统是传统微波辐射系 统的继承和延伸。虽然传统的天线技术已经具备相当雄厚的理论和工程基础，但 是在新兴的高功率微波研究领域，电磁波具有功率高、输出模式为旋转轴对称模 等特点，因此高功率微波辐射系统与常规天线相比既有共同点，也有不同之处。 相同之处： 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 天线应尽可能多地把微波源产生的能量发射出去，即天线与微波源有良好 的匹配； 2 天线应尽可能将电磁波集中于所需的方向上，即天线具有一定的方向性； 3 天线应能发射规定极化的电磁波，即天线有适当的极化形式； 4 天线应有满足需要的工作频带。 不同之处： 1 高功率微波源输出模式为轴对称模，如圆波导t m 0 ，模或( 过模) 同轴t e m 模，不便于直接激励传统天线输出，必须进行模式转换，而高功率容量的要求又 使得一些传统的微波模式转换技术不能在高功率微波领域应用； 2 高功率微波天线应具有足够高的功率容量。 因此，与传统天线相比，高功率微波辐射系统要解决的主要问题为：( 1 ) 改 变高功率微波源输出模式的旋转轴对称性；( 2 ) 实现天线的高功率容量。其实这 两个要解决的问题是互相关联的，正因为对功率容量的追求，才使得常规微波中 的许多模式转换技术不能在高功率微波中应用，必须探索和寻求新的模式转换技 术或新的天线形式。各国学者在这方面已做过许多工作，归纳起来有以下典型的 几类：模式转换器、v l a s o v 天线以及模式转换天线。也许，这样的分类并不一定 科学，但它代表了几种有重要影响的高功率微波辐射方式。 1 1 2 高功率微波技术的研究现状 目前，开展h p m 研究的国家有美国、俄罗斯、德国、法国、瑞士、英国、日 本、韩国、以色列、印度和中国等，而大多数有代表性的工作主要集中在美国和 俄罗斯1 1 2 l 。 一、美国 美国a a i 公司研制了一种微波发射装置( m t d ) ，它是种可移动的重复脉冲 功率微波发射机，采用的微波器件为相对论磁控管，频率为3 一5 g h z ，峰值功率 达7 0 0 m w ，脉宽，脉宽为5 0 n s ，重复频率为2 1 0 h z 。 美国国际物理公司研制了一套用于驱动h p m 源的重复频率的脉冲系统，该系 统称作“紧凑型线性感应加速器( c l i a ) ”。该系统包括一个由1 0 个磁转换水隔离 p e l 驱动的1 0 单元加速器。c l i a 的感应单元和p e l 由单个双极磁压缩单元依次 充电，该单元又依次由闸流管开关中间能量存储单元和指挥谐振充电单元驱动。 该系统小巧紧凑的基本原因是来自各部分的电压在真空管内累加，以便峰值功率 仅在负载出现。该系统的主要指标为：输出电压7 5 0 k v ；输出电流1 0 k a ；阻抗7 5q ； 脉冲持续时间l o o n s ；波束峰值功率7 1 5 k w ；每个脉冲的能量7 5 0 j ：平均功率 15 0 k w ：重复率2 0 0 h z 。 第4 页 国防科学技术人学研究生院t 程硕十学位论文 该公司用以上脉冲功率系统驱动l 波段相对论磁控管，在重复频率为1 0 0 h z 时输出1g w 峰值功率，在重复频率为2 0 0 h z 时峰值功率为o 7 g w ，平均功率为 6 k w 。该公司同时进行多个振荡器一起锁相，以便产生比单个源高得多的功率。 采用7 个s 波段相对论磁控管进行锁相合成，实现总功率为2 9 g w ，源之间的相 位相干为+ 2 0 0 ，这足以对目标实现相干辐射压制。该实验结果表明：建立一个这 种模拟阵便能够产生极大的功率( 1 0 0 g w ) 。 ， 二、俄罗斯 在脉冲功率系统研究中，俄罗斯取得了很多成就，大电流电子学研究所( i h c e ) 在6 0 年代后期就开始研n 4 , 型加速器，专门用来驱动相对论返波管，7 0 年代末， i h c e 研制成功基于电容性存储线的s i n u s 系列的小型加速器。目前，i h c e 已研 制成功许多型号的s i n u s 加速器，能产生具有数g w 峰值功率的射束电流，脉冲 电流从几纳秒至数十纳秒，重复频率达到l k h z 。早期i h c e 采用火花隙和闸流管 作为这些加速器的大功率开关，现已成功应用可控硅作为大功率半导体开关，采 用这些开关使加速器体积更小而且重复频率更高。 8 0 年代后期，前苏联大电流电子学研究所和核物理研究所开始研制磁储能脉 冲功率系统，最初，他们一直采用等离子体放电开关，在1 9 8 7 年，i h c e 已成功 研制出能产生峰值功率为2 5 g w 的射束电流、脉宽为8 0 n s 的小型加速器。自9 0 年代他们已采用固态半导体开关作为放电开关。他们已获得了最大能量为4 0 0 k e v 、 电流为6 k a 的电子波束，而脉冲间隔为3 0 n s 。与等离子开关不同，半导体开关具 有结构简单、参数稳定、可重复工作等优点。 俄罗斯核物理研究所还研制成功基于线性感应加速器的小型重复高压电流 源，用于驱动他们的相对论磁控管。在稳定的状态下，这些加速器重复速率高达 1 0 0 h z ，在三个脉冲一组的脉冲串时重复频率为1 6 0 h z 。 1 1 3 高功率微波技术的应用前景 发展中的技术与它的应用之间存在着强烈的伴生关系。一项新技术能够产生 以前不可能实现的应用。反过来，现有应用提出的要求又能促进新技术的进一步 发展。h p m 技术与应用间的关系也是如此。h p m 在军事上和民用方面均有广阔的 应用前景【l2 。，主要体现在以下几个方面： 一、h p m 武器 h p m 的发展将会使h p m 定向能武器成为可能。h p m 定向能武器作为一种新 型电子战的装备，j 下受到世界各国的高度重视。它是利用高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。对于高功率微波武器网上资料传播较多， 第5 页 国防科学技术人学研究生院1 任l j 硕十! 孚：1 7 ：论文 但均未经证实，不便引用。 二、 高能射频( r f ) 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1 t e v ( 1 0 0 0 g e v ) 的电子束，产生这种束流的加速器将是r f 加速器，其中的 r f 或h p m 源产生加速电子的电场。 三、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1 0 8 k ) ，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。 四、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。 五、在工业上的应用 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1 3 0 0 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。h p m 采油是将h p m 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。 1 1 4 高功率微波技术的发展趋势 h p m 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h p m 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。 1 2 本论文的选题背景 随着高功率微波技术的不断发展，高功率微波在军事上和民用方面的应用前 景十分广泛。但是我们也应清醒地认识到：在利用高功率微波为社会发展做出贡 献的同时，也受到了高功率微波潜在的威胁，因此我们在利用的同时必须加强对 其的防护。在民用方面防护的意义在于：保护从业人员、仪器及设备免受微波辐 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 射的伤害；防止内部信息技术设备的信息泄露：防止内部电子设备或系统的电磁 辐射信号泄漏到室外，对周围电子设备造成干扰：防止外界瞬态噪声进入室内， 对系统产生干扰。 在军事上，一些发达国家对高功率微波防护的研究起步较早。美国、前苏联 早在上个世纪6 0 年代就开始研究武器系统受电磁危害的问题，从早期的射频对军 械的危害研究逐渐扩展为现在的武器装备电磁环境效应研究，在概念和研究范围 上不断更新和扩展。早在1 9 7 9 年美国总统卡特发布的第5 9 号指令中，就强调核 电磁脉冲对美国的严重威胁，要求国防部在开发每一种武器时，必须考虑电磁脉 冲防护能力。1 9 8 6 年，美军完成了电子元器件易损性与加固测试计划；进入2 0 世 纪9 0 年代后，美军已经把各种电磁危害源的作用归纳为武器系统在现代战争中遇 到的电磁环境效应问题，并于1 9 9 3 年完成了“强电磁干扰和高功率微波辐射下集 成电路防护方法”的研究。目前对电磁脉冲的防护能力已列入其军标和国标中。 俄罗斯也在1 9 9 3 年完成了电磁脉冲对微电子电路的效应实验和防护技术研究，他 们的武器系统一般都有抗静电和抗电磁脉冲的技术指标。 而我国对高功率微波的防护还相对滞后，因此加强高功率微波的防护研究已 经成为当务之急。本文研究目的就是通过对高功率微波毁伤效应的分析研究，给 出高功率微波防护的具体办法；并对几种防护措施进行实验，分析其实际屏蔽效 能。相关结果对提高电子设备及人员的安全性具有一定的参考意义。 1 3 论文主要内容 本论文共有5 章。各章节内容安排如下： 第一章绪论概述了高功率微波技术的发展现状及应用前景：给出了本论 文的选题背景。 第二章高功率微波的毁伤效应论述了高功率微波对电子设备及生物体的 毁伤效应。 第三章高功率微波的防护手段分别介绍了在空域、频域、能域及时域上 高功率微波的四种防护方法；分析了电子设备的高功率微波加固技术；结合战场 防护的地位作用，给出了高功率微波的战场防护措施。 第四章高功率微波的屏蔽效能分析了屏蔽机理；讨论了屏蔽效能的计算 方法；对4 种防护措施的屏蔽效能进行了实验测试并做了相应的分析。 第五章结束语。 第7 页 国防科学技术大学研究生院：i ：程硕士学位论文 第二章高功率微波的毁伤效应 2 1 概述 2 1 1 高功率微波毁伤效应的分类 高功率微波的毁伤效应是指高功率微波作用在各种物体和系统上产生的效 果。高功率微波与物体和系统相互作用的过程，就其物理机制来讲，可以有以下 三种效应，即：电效应、热效应和生物效应i i 引。 高功率微波的电效应是指当微波射向目标时，其瞬变磁场会在目标的金属表 面或导线上产生感应电流，而且感应电流的强度会随着微波强度的增加而增强。 这种感应电流无疑会影响电子设备本身的工作，如淹没电子元器件中的各种信号， 使器件性能下降，使器件的半导体结被击穿等等。高功率微波的热效应是指将微 波能转化为热量。当微波反复穿透物体时，可使物体的极性分子随着微波周期以 每秒几十亿次的惊人速度来回摆动、摩擦，从而产生高热，使被照射物体的温度 升高。实验证明，当微波照射的能量密度增加到1 0 w c m 2 1 0 0w c m 2 时，可以烧 坏工作在任何波段的电子器件。微波和核爆炸产生的核电磁脉冲，虽然波段不同， 但其破坏机理不外乎电磁效应和热效应。高功率微波生物效应又可以分为热效应 和非热效应。热效应是指当用高功率微波照射人和动物时，可以把人和动物烧伤 甚至烧死。非热效应是指当微波照射强度较弱时，被照射的人和动物会出现一系 列反常的症状，比如神经混乱、行为失常，甚至致盲或心肺功能衰竭等。 按效应的持续时间来分，高功率微波效应可分为瞬间效应、暂时效应和永久 效应【1 3 】。瞬时效应是指当高功率微波脉冲存在时，其高功率微波的影响就存在， 而当微波消失并在随后的极短时间内( 小于l 毫秒) 其影响也就随之消失的一种 效应，例如干扰。暂时效应是指在高功率微波信号存在时和过后较长一段时问内 仍与然存在，但是过一定时间后器件或系统能够自动恢复正常工作的一种效应， 其持续时间长短对于不同系统是不同的。永久效应是指在没有人为干预情况下， 效应不会自动消失或者效应持续时间足够长，以使设备在特定的时间内不能恢复 工作的一种效应。 高功率微波作用对象也可分为两类，一类是无生命的物体或系统，如电子系 统，通信系统等；另一类是有生命的物体，如人类、动物等。 在高功率微波与第一类物体或系统的相互作用效应的研究中，当前主要研究 的内容包括高功率微波耦合，各种电子元器件和电子设备或系统的干扰、翻转、 损伤及相关阈值等。 第8 页 国防科学技术大学研究生院 程硕十学位论文 2 1 2 高功率微波的毁伤效能 为了更好地研究高功率微波对电子设备及生物体的毁伤机理，研究者提供了 不同功率密度的微波辐射对各种电子设备及生物体的作用效能1 1 4 j ( 见表2 1 ) 。关 于微波辐射对电子设备及生物体的作用效能很多人都在研究，但研究结果相差很 大，一些科研机构对研究结果严格保密，公开的也不一定准确，因此以下数据仅 供参考。 表2 1 不同功率密度的微波辐射产生的效能 辐射强度 作用效能 可冲击和触发电子系统产生假干扰信号，干扰雷达、通信、导航、 0 0 1 - ii t w c m 2 敌我识别和计算机网络的止常i ：作或使其过载而火效 3 1 3m w c m 2 使人神经紊乱、情绪烦躁不安、记忆力衰退、行为错误 2 0 5 0m w c m 2人体出现痉挛或失去知觉 1 0 0 m w c m 2 致盲、致聋、心肺功能会出现衰竭 0 5 w c m 2 人体皮肤轻度烧伤 可使雷达、通信、导航、敌我识别和计算机网络的器件性能降低 o o l 1w c m 2 或失效，尤其会毁伤小型计算机芯片 2 0 c m 2 照射2 秒，就可造成人体皮肤3 度烧伤 8 0 w c m 2 在1 秒内即可使人致死 可直接烧毁电子设备的微波二极管、混频器、计算机逻辑电路、 1 0 1 0 0 w c m 2 集成电路、甚至装甲车辆点火系统中的半导体二二极管等 如果微波辐射能量很强，能束高度集中时，可瞬间引爆导弹、炸 1 03 1 0 4 t v c 垅2 弹等。 2 2 高功率微波对电子设备或电气装置的毁伤效应 高功率微波发射及作用原理见图2 1 。对电子设备或电气装置的毁伤效应主要 包括接收、耦合和毁伤三个过程【15 1 。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 2 2 1 接收阶段 图2 1 高功率微波发射及作用原理 在电子设备和电气装置中，高功率微波能量是由起接收天线作用的各种类型 的集流环( 金属导体) 接收的，如大型天线、天线馈线、天线支架和分支线；飞 机、导弹等金属表面：高架式输电线、电话线、金属支柱；建筑物各种金属布线、 电线、金属导管等；会属结构桁架、加强筋、金属柱、金属栅；埋设的电线、金 属管子、金属导管；铁道等。由于它们结构各异，对于高功率微波能量的吸收是 非常复杂的，接收能量的大小取决于集流环的尺寸、形状、相对于脉冲源的位置 以及脉冲的频谱特性等因素。通常来说，集流环的尺寸越大，接收到的能量也越 大。 2 2 2 耦合阶段 高功率微波能量能够通过“前门耦合”和“后门耦合”进入电子系统。前门 耦合是指能量通过天线进入包含有发射机或者接收机的系统；后门耦合是指能量 通过机壳的缝隙或者小孔泄漏到系统中。高功率微波能量的耦合类型主要有三种 形式。第一种是电感应式，即由金属导体长度方向的电场分量感应的电流；第二 种是磁感应式，即由导体构成的环平面垂直的磁场成分感应的电流；第三种是电 阻耦合，即当导体进入电离了的空气、盐水、大地之类的导电性质的媒质时产生 的。当导体的最大尺寸与辐射波长可以相比拟时，此时耦合的效率最高。然而就 高功率微波能量的耦合途径而言，主要有以下五种： 1 ) 天线耦合任何暴露于电磁场的金属导体均可认为是天线，包括真正的无线 电接收天线、金属导线、引线、连接棒，甚至机壳、回路、传输电缆等。 2 ) 传输电缆耦合暴露于电磁波下的屏蔽电缆会在屏蔽层表面产生电流，虽然 有趋肤效应，但是由于强度大，通过阻抗耦合，在芯线上仍然会产生很大的电流。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院1 ：程硕十学位论文 3 ) 孔洞或缝隙耦合对于电磁波的防护一般可以采取屏蔽，但是由于高功率微 波的波长在厘米至毫米量级，因此孔洞或者缝隙的尺寸很容易大于半波长，从而 电磁波可以进入屏蔽壳内。对于导弹、卫星、飞机而言，均存在孔洞或者缝隙， 对于地面设施而言，孔洞缝隙更多，因而功率越高时，泄露也更严重。但是当功 率太高时，导致空气电离，反而对系统起到一定的屏蔽作用，但是其分析比较复 杂。 4 1 电源线耦合电源线耦合类似于传输电缆耦合。电源线往往有一段暴露于电 磁波下，因而很容易导入高功率微波。 5 1 回路耦合由麦克斯韦方程可知，电磁波或者大电流经过任何回路时都会产 生电磁场耦合。这罩的回路不同于我们通常意义上的工程设计的回路，周围空气 及大地均可构成干扰回路。特别是当大电流注入大地时会产生高电位，通过地回 路又将影响到其它设备或者系统。 2 2 3 毁伤阶段 电磁脉冲由天线、电缆、各种端口部分或者飞机表面的媒介向内部渗透，其 能量变成随时间、空间变化的大电流、高电压，然后以电磁脉冲渗透的上述部分， 作为能量的中转站传输到内部脆弱的部位( 如电子元器件、集成电路等) ，最后 进入空问结构体的电磁脉冲作用于非常小的高密度的脆弱部位( 电子元件、集成 电路及连接点等) ，由于能量密度极高而造成损坏。高功率微波脉冲对系统及器 件的毁伤机制主要有以下几种i l6 j ： 1 ) 高压击穿。电磁能接收后转化成高电压或大电流，由此引起结点、部件或回 路闯击穿； 2 ) 器件烧毁。包括半导体器件的结烧烧蚀、金属连线熔断等，这将造成永久性 损伤。大多数半导体器件的最低功率或能量为1 0 w 或1 0 j ，一些敏感器件为1 w 或1 j ： 3 ) 微波加温。微波可使金属、含水介质加温，使器件不能正常工作； 4 ) 电涌冲击。微波脉冲即使因金属屏蔽而不能直接辐射到系统，但在金属屏蔽 壳体上感生脉冲大电流，如浪涌一样在壳体上流动，缝隙、孔洞、外露引线等将 此电涌电流引进一小部分至壳体内的系统，就足以使敏感的器件损坏。此外，非 完整屏蔽体如电缆编织屏蔽层的网眼对微波也不起屏蔽作用； 5 ) 瞬间干扰。当进入系统的功率较低，不足以损坏系统时，能感应瞬时电流及 引起器件瞬时失效或产生干扰，致使系统不能正常工作。 2 3 高功率微波的生物效应 第11 页 国防科学技术入学研究生院1 ：稗硕十学位论文 高功率微波对人和其它生物的损伤作用主要是通过微波生物效应起作用的。 微波的生物效应1 1 7j 可以分为：“非热效应”和“热效应”两种。前者指的是当较 弱的微波能量照射后，造成人类出现神经紊乱、行为失控、烦躁、致盲或者心肺 功能衰竭造成动物活动能力变差，甚至失去知觉等行为现象。克拉拉多大学的科 学家经过实验证明：在小于1 0 0 m j c m 2 、持续时间为o 1 1 0 m s 的单脉冲微波，可 以暂时改变神经细胞的活动。对于人体而言，接收的微波功率密度达1 0 5 0 m w c m 2 时，会造成人员神经混乱、行为错误、痉挛甚至失去知觉；当接收的功 率密度达到l o m w c m 2 时，人的心肺功能会衰竭。对于动物而言：如1 9 7 9 年苏联 在苏捷边境的科希城堡进行的动物试验表明，高功率微波可以在l k m 内杀死山羊， 使2 k m 外的山羊神经混乱或者丧失活动能力；在微波的照射下，猴子的好动性减 退程度线性于微波强度和照射时间，老鼠会产生痉挛甚至失去知觉等现象。“热 效应”类似于微波炉加热原理，它是由高功率微波能量照射引起的。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第三章高功率微波的防护方法和手段 3 1 高功率微波防护的一般方法 h p m 的防护一般采用以下措施：屏蔽、滤波、采用电涌保护器件和时间回避 法【18 1 。 3 1 1 屏蔽一从空域上防护高功率微波 空域防护是控制微波辐射最有效和最基本的方法，即采取完善和合理的屏蔽 将辐射干扰电磁场在空间上与接收器隔离开，使微波在到达接受