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第五章高功率微波源developmentandapplingofhighpowermicrowave hpm 5 1引言 5 2电子回旋脉塞及回旋管系列 5 3相对论普通微波管系列 5 4其他高功率微波器件 电磁波谱及主要产生方式 1高功率微波 highpowermicrowave hpm 定义一高峰值功率源 窄带源 峰值功率超过100mw频率范围在1 300ghz之间包括厘米波和毫米波范围定义二高平均功率源 宽带源 长脉冲 高重频或连续波工作状态的波性能指标 性能因子pf2 p为平均功率 f为频率 在军事 民用与科学研究对更高功率 更高能量 更高频率微波源需求的强大驱动力下 微波器件的功率在短短20年内提高了3个数量级 现有高功率微波器件的性能不断成熟完善 新的高功率微波器件不断产生 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 返波管 返波振荡器 backwardwaveoscillator 简称bwo 的发明 构成了普通微波管系列 这些发展成就的度量标准是微波峰值功率与信号频率平方的乘积的性能因子pf2 pf2的物理意义 从固定的尺寸天线发射的微波信号在目标上的功率密度正比于pf2 从1940年起的30年间 普通微波管的性能因子提高了3个数量级 但之后的发展却很小 由于种种条件 特别是其自身机理的限制 继续提高微波管的功率与工作频率都遇到了巨大的困难 人们不得不寻找新途径与新机理 本世纪70年代由于国际科学技术的发展 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 10ka 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 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 目前水平及问题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 能量效率一般都很低 平均功率水平10kw 要提高平均功率 可通过提高峰值功率与占空比来达到 尽管微波源的发展很快 但实用化问题的研制才刚刚开始不久 它的性能指标还有待提高 如可靠性与寿命 带宽 线性 相位与辐值及噪声等复杂问题 体积重量问题还需进一步开展研究工作 本章下面的章节将介绍各种高功率微波源 对它们工作原理与发展现状进行简略的介绍 理论和技术上的一些问题 一些hpm相关技术还处于战略性概念研究阶段 造价高 体积大 重量沉 制约了hpm的市场化和实用化 未来战争规模被广大地扩展 全球经济竞争 适应电子战和信息战的要求 发展商业化和实用化 hpm技术从实验室走向市场并开发新的hpm源 需解决的问题小型化效率天线大小峰值功率和平均功率以及跟踪 瞄准 损害评估等支持技术hpm基础研究目标窄带源目标 增加hpm的脉冲功率至10gw 现是几个gw 增加脉冲长度到10 s 增加脉冲能量到100kj 解决脉冲缩短问题 研制可调hpm源 回旋装置 等离子体填充源 1hpm源器件的分类 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 5 2电子回旋脉塞及回旋管系列电子回旋脉塞器件 又叫做回旋管系列 属于快波器件 以各种方式在跨厘米波 毫米波甚至亚毫米波的很宽的频率范围内产生高脉冲功率与连续波功率 5 2 1发展概况及基本原理电子回旋脉塞期间包括一大类器件 这类期间又称为回旋管系列 属于快波器件 电子回旋脉塞器件能以各种方式在跨越厘米波 毫米波甚至亚毫米波的范围内产生高脉冲功率与连续波功率 电子回旋脉塞发展历史电子回旋脉塞起源于50年代末期 但是有3位学者开始进行电子回旋脉塞互相作用产生微波的理论研究 1958年澳大利亚天文学家通过对电离层吸收电磁波现象的观察 提出了电子回旋谐振受激辐射的新概念 大约与此同时 美国学者与前苏联学者也各自独立提出了考虑相对论效应是磁场中运动的螺旋电子注与电磁波相互作用的新概念在20世纪60年代中期 美国学者通过实验完全证实了电子回旋脉塞的机理 由于机构 工艺材料及机理等各种因素的限制 普通微波管工作在毫米波波段受到了巨大的困难 而回旋管的结构相对比较简单 在很宽的频率范围 特别是毫米波及亚毫米波段能产生高脉冲峰值功率与连续波功率 在毫米波电磁频谱的开发方面 回旋管系列起着及其重要的作用 回旋管在毫米波雷达 通信电子战 高功率微波武器研究 受控热核聚变 高能物理及工业方面的应用前景 推动了其发展 使它的研究开发在国际上受到高度重视 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 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 实验型高功率微波发射器 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 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 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 眼睛会产生荧光感应出现视线模糊 使人致晕 但无致人失明的危险 blu 114电力分配弹药 回旋管的基本原理 一个空心环电子注从磁控注入电子枪 mig 的环型阴极出发 在倾斜电场与磁场的作用下 产生一个初始回旋运动 从电子枪出来的电子横向能量比较小 经过一段纵向磁场缓慢上升的过渡区 回旋电子注受到绝热压缩 电流密度增大 电子注半径减小 而回旋能量逐渐增加 电子注中的电子即有横向速度 又有纵向速度 当横向速度与纵向速度的比值达到要求时 螺旋运动的电子注进入注 波互相作用区 与电磁波交换能量 所有电子在横向均做相同的回旋运动 回旋中心位于一个半径为r0的圆周上 这样假定不影响回旋管注 波相互作用基本原理的讨论考虑相对论效应时有下列关系 电子注中的每个电子均在做相同的回旋运动 在每个回旋轨道上均有很多电子在做初始回旋频率及回旋半径相同且相位相同的回旋运动 为了研究电子与波场的相互作用 仅需考虑3个典型电子 如图所示 假定一号电子处于场的零相位 波场对它的作用力为零 2号电子处于场的减速相位 3号电子处于加速相位 经过一段时间 1号电子由于不受场的作用力 在r rl的圆周上做等速圆周运动而到达1 的位置 2号电子由于场的减速作用而失去能量 回旋半径减小 3号电子受到场的加速作用 能量增加 回旋半径增大 结果运动情况如图b所示 2号电子从内部向1号电子靠近 3号电子则从外部向1号电子靠近 此过程在c图的运动坐标系统中看的更加清楚 于是在1号电子附近形成角向相位群聚 1号电子为群聚中心 如果高频场的角频率与电子回旋频率相等 受加速的电子数等于受减速的电子数如国高频场的角频率小于电子回旋频率 电磁波场的旋转速度略慢于电子的旋转速度 则电子的群聚落入加速场 有更多的电子受到加速而从波场获得能量 场被电子吸收能量而衰减 如国高频场的角频率大于电子回旋频率 电磁波场的旋转速度略大于电子的旋转速度 则电子的群聚落入波场的减速区 在场的一个周期内 减速的电子数大于加速的电子数 净效果是电子注失去能量 将能量交给高频场 波场得到增强 于是产生微波振荡或放大 5 2 2回旋单腔振荡管 回旋单腔振荡管简称为回旋振荡管 它是第一个取得较大发展的电子回旋脉塞器件 其机构如图所示 从磁控注入电子枪产生的环形电子注入互作用开放式谐振腔 与腔中的驻波场相互作用产生微波振荡 振荡的高频功率经互作用腔的开口端输出至输出波导 再由波导的输出窗输出或者如图所示 经准光模式转换器将波导模式转换成tem00准光模式 经输出窗横向输出 回旋振荡管正沿着下面的几个主要方向发展 高频高效高功率长脉冲回旋管低磁场回旋管高功率相对论回旋管太赫兹 thz 回旋管 5 2 3回旋速调管 回旋速调管是一种放大管 其结构与普通多腔速调管类似 是一种 o 型器件 但它与普通多腔速调管有本质不同 他采用了磁控注入空心电子枪 电子角向群聚与换能机制同回旋振荡管类似 互作用系统是2个或多个分离的谐振腔 腔间是微波截止的电子注漂移区 第一个腔输入微波信号 对电子注产生横向速度调制与初始角向群聚 接着穿过截止漂移区继续角向群聚 以后进入输出腔产生注波互作用换能 输出腔输出被放大的微波信号 输出腔前可加中间谐振腔以加强群聚 5 2 4回旋行波管 回旋行波管是一种大功率高效率宽带毫米波放大器 属于 o 型快波器件 回旋行波管在毫米波雷达 通信与电子战等方面有十分重要的应用前景 在国际上受到高度重视 回旋行波管的结构 回旋行波管的结构与普通行波管类似 包括电子枪 互作用高频系统 收集极及微波输入输出系统 但电子枪一般是磁控注入电子枪 互作用系统不是慢波系统 而是快波波导 电子注入与前向快波互作用 与一般电子回旋脉塞一样 由于相对论效应而产生角向群聚与换能 5 2 5毫米波回旋返波振荡器 与普通反波管类似 回旋电子注与反波相互作用 就构成了毫米波回旋返波振荡器 该期间可以在很宽的频率范围内进行磁场调谐与电调谐 它在毫米波大功率电子对抗中具有广阔的应用前景 5 3相对论普通微波管系列 相对论普通微波管系列是在当代脉冲功率技术成就基础上的普通微波管的发展 其主要管型包括相对论速调管 相对论磁控管 相对论行波管及相对论返波管 5 3 1相对论速调管 相对论速调管属于 o 型器件 其电子束运动方向与轴向磁场方向一致 与普通速调管相似 其结构如图5 10 电子束的产生 微波与电子注相互作用及电子束收集这三种基本功能都在不同的区域分开完成 从而使各自的功能都可以与另外两种无关地达到最佳 由强脉冲加速器驱动电子枪产生的相对论电子注注入互作用第一谐振腔 调制腔 即输入谐振腔 电子注受到速度调制 之后经过漂移管及中间各腔 再转变成密度调制 对多腔速调管 中间谐振腔进一步影响群聚过程 群聚的电子注经过最后一个输出谐振腔 吸收腔 感应出频率与第一腔输入信号相同频率的高频场 场与电子相互作用使电子减速 场从电子注中吸取能量 得到输出放大的微波信号 这个过程与普通速调管相似 只不过要考虑相对论效应与空间电荷效应 相对论速调管有两种 一种是由斯坦福直线加速器中心 slac 为该中心加速器开发的速调管逐渐扩展而来 它是基于相对弱电流的相对速调管 另一种是基于新的聚束机制的强电流相对速调管 弱电流的相对速调管结构的根本特点在于使用填充系数较低的实心电子注 电子注离谐振腔腔壁较远 图5 11mok 2的结构特点在于多端输出 倒数第二个驻波谐振腔既从电子注吸取功率输出 也使电子注群聚 最后的行波输出结构继续从电子注提取能量 强电流相对速调管 图5 12所示 它用了2个谐振腔 第一腔输入高的微波功率 对电子注进行调制 第二腔用来增加电流调制度 使电子注通过间隙后几乎达到满调制 最后到达变换器 变换器具有收集电子注并从电子注中收集能量输出高功率微波的功能 图5 13两种相对论速调管都显示出产生高功率微波的能力 而且效率高 相位稳定 且具有一定带宽 5 3 2相对论磁控管 相对论磁控管实际上是普通磁控管的强电流扩展 是一种正交场器件 其原理与普通磁控管基本相同 其一般结构如图5 14 相对论磁控管与普通磁控管的差别在于它的电压高 数百千伏至兆伏 电流大 10ka 而且使用场致发射的冷阴极 在径向强电场作用下 阴极表面的微突出点爆炸形成表面等离子体 电子从表面等离子体中激发出来产生强电流 电子流在轴向磁场与径向电场作用下 沿圆周方向做漂移运动 漂移运动速度与慢波结构波的相速同步 电子注与高频场作用产生群聚形成轮辐 并进而将能量转换成微波能量输出 相对论磁控管与普通磁控管典型参量列于表5 5 与普通磁控管相比 在考虑互作用时 强空间电荷效应与相对论效应应加以考虑 在结构上还要考虑高压绝缘问题 这种器件具有可调谐 容易设计加t 效率较低等特点 由于相对论磁控管的电子发射 注一波互作用和电子收集均在同一空间 冷阴极场致发射要求阴 阳极极间距离不能过大 换能效率不高的相对论电子注对阳极轰击的烧蚀作用等因素 使相对论磁控管的单管功率 电子效率 脉冲重复频率 脉宽及工作频率的提高受到了限制 目前 相对论磁控管的研究工作主要集中在克服上述限制 提高重复频率 增加脉宽 提高高效率与镟相的研究方向上 5 3 3相对论行波管 图5 15 由脉冲加速器驱动电子枪产生相对论电子注 电子注沿轴向磁场方向进入慢波线注一波互作用区 与前向电磁波互作用产生纵向群聚 电子注的轴向速度略大于慢波的相速 使群聚中心落人电磁波的减速区域 电子注失去能量 电磁波得到能量产生放大 微波能量从靠近电子枪一端输入 而在另一端互作用区的出口喇叭天线输出高功率微波 逐渐扩大的喇叭壁也是电子注的收集极 由于电子能量高 速度大 与之同步的慢波相速接近光速 因此慢波系统多为圆柱周期结构 例如圆柱波纹波导 相对论行波管将主要用于受控核聚变等离子体的回旋谐振加热 高能量的电子加速器及相控阵雷达等方面 5 3 4相对论返波管 其工作原理与普通返波管相同 相对论强流电子注与慢波系统中的反向空间谐波互作用 使波场增大而产生振荡 其结构如图5 16 5 4其他高功率微波器件 高功率微波器件种类很多 除前面所述的几种外 还有切伦柯夫器件 虚阴极器件 自由电子激光 等离子体填充的相对论微波器件及磁绝缘线振荡器等 5 4 1切伦柯夫器件 切伦柯夫器件是以切伦柯夫辐射现象为基础的器件 当电子在相对介电常数为 1 的介质中运动时 如果电子的运动速度大于介质中光的传播速度c c 1 2时 电子就会产生辐射 这种辐射称为切伦柯夫辐射 下面主要介绍两种具有代表性的器件 1 介质切伦柯夫器件 介质切伦柯夫器件的典型结构如图5 17所示 在一个金属光滑恻波导内表面装有一个介质圆管 相对介电常数为 1 这就构成一个注一波互作用区 此区域实际上是一个均匀介质加载的圆波导 其色散方程可以用分析的方法求出 数值求解色散方程可得到色散曲线 这种系统可以传播慢波 典型色散曲线如图5 18所示 图中绘出了3条慢波结构模式的色散曲线以及真空中光速线 电子束及介质中慢波光速c c eff 1 2线 此 kz 曲线类似于圆柱波导色散曲线 当频率较高 kz较大时 波的相速 kz更接近一个介电常数为 eff的介质中的光速c c eff 1 2 eff在1和 之间 由加速器驱动的二极管电子枪产生的相对论电子注沿磁力线傲轴向运动 与介质加载波导中的慢波互作用 当电子轴向速度v略大于慢波的相速时 注一波互作用有净的能量交换 电子注将能量交给高频场而产生振荡或放大 一般介质切伦柯夫器件以振荡器状态运行 2 多波器件 如前所述 介质切伦柯夫器件的工作原理类似于行波管 电子注与均匀介质加载波导中的慢波互作用 产生微波振荡或放大 有人将电子与慢波系统中慢波相互作用的器件 包括行波管与返波管等都称为切伦柯夫器件 因为这类器件工作时 电子的速度都略大于慢波的相速 这些器件已在相对论微波管中做过介绍 此处不再提及 这里再介绍两种特别重要的极高功率器件 一种是多伦柯夫器件 mwcg 另一种是多波衍射发生器 mwdg 它们都是强相对论电子注与慢波系统中的波发生互作用 这些器件的共同特征是 周期慢波系统的横截面大 其直径至少为几个自由空间波长 0 使用了两节慢波系统 中间由一个光滑波导漂移空间隔开 与速调管不同 漂移空间电子注与波均可通过 但在此空间 波是快波 相速大于光速而与电子注不同步 没有净的能力交换 两种器件的慢波系统如图5 19所示 第一段慢波系统是预群聚段 由强流脉冲加速器产生的强相对论电子注从左端注入第一段慢波系统 注一波互作用产生预群聚 群聚过程在漂移空间继续进行 第二段慢波系统为输出段 电子注在其中发生注 波互作用 将能量交给高频场产生高功率电磁波辐射 两节慢波系统之间的漂移段对高频辐射并不截止 漂移段在两节慢波系统之间引起的电磁反馈有助于稳定器件的输出模式 因为系统横向尺寸很大 处予高过 模状态 模式密度大 模式间隔小 一个相对论电子注可同时与多个模式产生耦合而换能 5 4 2虚阴极器件 虚阴极器件也是一种极高功率的微波源 它是与一般微波源完全不同的高功率源 提高一般微波器件最大功率的主要限制因素是有效的束电流 当束电流超过器件的空间电荷限制电流时 所形成的虚阴极静电势能超过电子注的动能 从而使电子反射 电子流不能正常传输 器件不能正常工作 虚阴极器件成功地突破了这个限制 而有效地利用虚阴极及反射电子束产生微波振荡 辐射出极高功率 图5 20表示出了虚阴极的几种典型结构 图 a 是反射三极管结构 阳极箔或网加正高压脉冲 阴极接地 图5 20的其余几种结构是阳极接零电位 而阴极加负高压脉冲 在这种器件中 超过空间电荷限制的强流束透过阳极后形成虚阴极 虚阴极的电势与位置都在振荡变化 从而辐射微波功率 被虚阴极反射的电子群在实阴极与虚阴极之间振荡 也产生微波辐射 图 b 与图 c 微波是从圆柱器件的轴向输出 常称为轴向提取 圈 d 电子流通过矩形波导的宽边注入而形成虚阴极 微波功率是横向输出 也称横向或侧向提取 图 c 所示结构的器件又称reditron 它的特点是加了轴向磁场来引导电子束 而且阳极是厚阳极 留出窄空心孔以引出电子并阻止反射电子返回阴 阳极间的二极管区 虚阴极器件具有概念与结构简单 功率高等优点 它已被广泛用于高功率试验设备 5 4 3自由电子激光 自由电子激光 fel 是一种高效率 高功率 频率连续可调的电磁波源 它的r作频率范围从微波波段一直到光波甚至更高的电磁波段 自由电子激光与一般常规激光器件不同 常规激光器是电子在原子或分子不同的约束量子能态之间受激跃迁而产生辐射的 而自由电子激光的工作物质是高能自由电子 它利用相对论电子注通过周期性磁场所产生的受激辐射 图5 21是自由电子激光基本结构的示意图 由加速器产生的高能电子在z向具有速度vz 此电子注注入周期为 w的摇摆器 wiggler 磁场中 在中心轴上摇摆器磁场的y向分量周期性变化 使电子注在x方向做振荡偏转运动 这些运动电荷的横向加速导致向前的电磁受激辐射 摇摆器一般由周期永磁体构成 也可由强的电磁波场作为摇摆器 这种自由电子激光称为电磁波泵自由电子激光 自由电子激光按电子注的特点可分为compton型与raman型两大类 compton型自由电子激光是利用高能量 较低浓度的电子注对光波 包括微波 的散射产生的 这类自由电子激光忽略了电子注的集体效应oraman型自由电子激光是利用高浓度 低能量的电子注对光波的散射产生的 这类自由电子激光要考虑窄间电荷的影响 5 4 4填充等离子体的相对论微波器件 对于一般相对论高功率真空微波器件 进一步提高功率受到空间电荷限制流的约束 不能过高地增大电子束电流 人们试图在器件中填充一定密度的等离子体以提高空电荷限制电流 利用更大的相对论电子注电流以提高器件功率 这一尝试获得了巨大成功 实验发现 高功率相对论器件填充一定密度等离子体后 其功率与效率都大为提高 这引起了国际上该领域研究者的很大关注 促使这类器件向前发展 填充等离子体后 等离子体可以中和空间电荷效应 增加工作电流 减小甚至去掉器件的丁作磁场 而且它对作用机制产生本质的影响 等离子体加载 使互作用高频结构色散特性发生改变 进而影响注一波互作用 器件内部的等离子体也会直接参与互作用 这里碰到的是强流相对论电子注 电磁波 等离子体二者的互作用 影响因素较多 内部工作机制相当复杂 不少问题至今尚未研究清楚 5 4 5磁绝缘线振荡器 磁绝缘线振荡器 milo 经十几年的研究 已发展成为gw级的高功率微波器件 milo的轴向剖面图如图5 23所示 milo的一个显著优点是它不需要加磁场 且结构较为简单 5 5脉冲功率技术 5 5 1引言脉冲功率技术 pulsedpowertechnology 指的是将低功率 电压 电流 储存电场 磁场 能量转换成高功率 电压 电流 短脉冲电磁场能量并释放到特定负载中去的一种能量压缩技术 5 5 2脉冲线型电子加速器 脉冲线型电子加速器是一种重要的脉冲装置 它提供的强流电子束可用于驱动各种高功率微波源 它由初级储能与脉冲产生系统 脉冲压缩系统及高功率负载系统三大部分组成 图5 24是脉冲线型电子加速器的原理示意图 目前 低电感高能密度马克斯 marx 发生器技术是单次脉冲初级储能与脉冲产牛的主流技术 包括大量的低电感 大电容的电容器及气体火花隙开关 气体火花隙开关是这类没备的关键部件 marx发生器是脉冲功率技术中用来获得幅值几百千伏到几兆伏 持续时间为几百纳秒至几微秒的高压电脉冲的一种重要装置 为减少开关数目 可采用正负充电方式 常采用marx发生器的原理电路如图5 25中所示 它的基本工作原理是利用高压直流电源通过适当的电阻网络对大量由气体火花隙开关隔开的脉冲电容器并联充电 直流充电机对电容器充电u 或 u 时 通过指令触发 使这些火花隙开关快速顺序击穿 从而导致电容器迅速串联起瘵赣耨螺值很高的电压脉冲 其初始电压为发生器各级充电电压的总和nu 其中 n为marx发生器的级数 如图5 24所示 三导体的双同轴脉冲形成线 又称布鲁姆莱因线 blumleinline 就是脉冲形成与压缩线 图5 26是布鲁姆莱因形成线原理图 它包括内筒 中筒与外筒 其间充油或纯水作为绝缘介质 脉冲形成线的阻抗 电磁波在线中传播的速度都与线中介质有关 油脉冲形成线阻抗高 水线阻抗低 储能密度高 中筒导体与初级电源 marx 相连充电 这种充电是谐振充电 当充电电压上升到额定电压时 位于形成线左端的主开关接通 脉冲形成线通过二极管负载放电 放电过程也就是作用于二极管上脉冲电压的形成过程 这一过程的等效电路如图5 27所示 5 5 3感应直线加速器 其主要优点是所要求的加速电压分布在n个脉冲成形子系统之间 从而使全部的电压只加在束发射阴极上 由于脉冲形成在较低的电压下实现 所以感应加速器适合于重复运行 此技术的实质是一种分布在真空中的变压器 使脉冲功率系统的尺寸显著减小 某感应加速器的原理如图5 28所示 外形如图5 29所示 整个系统由三级脉冲压缩和感应叠加器组成 第一级由直流充电电源i3 闸流管v1 v5 初级储能电容c1 c10 升压变压器t1 t5完成 第二级有储能电容c11和扼流圈ld7完成 第三级压缩是由6条水线与磁开关串联组成的脉冲压缩环节并联完成的 分别记为fl1 fl6和ld1 ld6 5 5 4爆磁压缩驱动的脉冲功率系统目前正在积极研究的最小 最轻的脉冲功率系统是用爆炸产生脉冲功率这种技术利用炸药存储的极高能量密度 大于8kj cm2 小于l0kj g 它的储能能比现在的电容器大几个数量级 即使使用相对比较低效的磁通压缩技术 转换效率小于1 将爆炸能转换为电能 也能在微秒量级时间内输出兆焦量级的能量 可以在一小波包络内产生数百gw的脉冲功率 此系统的关键技术是爆炸激励通量压缩产生器 fcg 和炸驱动磁流体动力学 mhd 发电机技术 fcg是在相当小的管壳内 在数十微秒至数百微秒内产生几千万焦电能的装置 具有的峰值功率为几tw ltw 1012w 至几十tw 它可以直接作为高功率微波源单次发射的脉冲电源 fcg有多种结构 最通用的结构是如图5 30所示的爆炸激发的同轴通量压缩产生器 在fcg中 圆筒状的铜管形成一个电枢 其中片j机械加ij的高速高能炸药充填 fcg的定子是铜丝做的螺旋线圈 在开始爆炸之前 fc 中的初始磁场由启动电流产生 启动电流由高压电容器箱 马克斯箱 或磁流体动力学设备供给 当启劫电流达到峰值时 炸药开始爆炸 爆炸是用炸药透镜平面波产生器完成的 它在炸药中产生一个均匀平面波爆炸的波头 这个波头在电枢中通过炸药传播 并将波头变成圆锥形电枢扩展刭定子的整个直径 造成定子线圈两端之间短路 并中断启动电流 持续前进的短路不断压缩线圈电磁场 并使线圈内电流直线上升 同时减少定子线圈的电感 在装置最终碎裂之前 电流脉冲达到最大值 电流脉冲跃升时间为数十微秒至数百微秒 峰值电流为数十安 峰值能量为数十兆焦 fcg产生的电流脉冲通过脉冲成形网路再驱动微波源负载产生高功率微波 fcg的基本技术问题在于装配 启动电流的供给及装置与被驱动的高功率微波源负载的匹配 5 6高功率微微波的应用军事 工业 科学研究等各方面的需求 促进了高功率微波技术 首先是高功率微波源的发展 而高功率微波技术的发展 又推动了应用研究 使过去不可能实现或不现实的应用成为可能 下面就高功率微波的应用进行概略介绍 5 6 1未来可能的杀手锏 高功率微波武器如前面所介绍的 一大批高功率微波源能产生高功率与高能量的微波输出 使高功率微波定向能武器 hpmdew 成为可能 高功率微波定向能武器就是将高功率微波定向发射到目标上 使目标的装备 特别是电子装备 和人员受到破坏和杀伤 杀伤作用有两种 一种是硬伤 它是指目标有大规模的物理破坏 如使敌方的飞机 导弹等毁坏或局部毁坏 另一种是是软杀伤 它是指敌方执行战斗任务的电子设备关键元器件损坏或失效 硬杀伤要求极高微 波功率与能量 而现有高功率微波源的水平离此尚有一大段距离 较为现实的是软杀伤 现代军事武器与装备越来越依赖小型化的电子系统 而小型化电子系统中的小尺寸电子元器h易于受到微波的损害 例加 当高功率微波辐射到电子系统中的小尺寸半导体器件上 使器件关键结上的温度升到600k 800k以上而使半导体发生变化直至熔化时 出现半导体器件的热效耦合到应失效 高功率微波还可能烧毁或翻转现代武器电脑里的集成电路 当高功率微波电子系统的数字电路 如p n结整流电路 上 如产生等效于正常工作的电压时 该路就会出现翻转 使数字电路系统丢失信息 从而使导弹迷失方向 开锁 或造成战术混乱 有些元器件的易损性阈值不是很高 例如引起无屏蔽计算机数码错误的微波能为10 7j cm利用微波功率1gw以上的微波源做成软杀伤的武器系统是可以实现的 高功率微波武器有两种攻击电子系统的模式 一种攻击模式是发射一个强微波脉冲 便远距离的特殊目标失去能力 微波武器在目标上产生高能量使电子系统发生翻转或烧毁 现事装备中有相当数目的目标雷达 半主动寻的导弹和通信控制系统都易受到这种模式的 另一种攻击模式是用高功率辐射脉冲进行大范围辐照 使大量目标失效 用 微波弹 政击就属于这种模式 它可在敌方空间进行核爆炸以产生强电磁辐射脉冲 或利用核爆炸药爆炸产生的能量转换成微波脉冲 以破坏大范围的电子设备 如上节所述 可以利用炸激励通量压缩产生器 fcg 驱动高功率微波源来做成微波弹 在各种微波源中 虚阴极荡器是做成微波弹的最佳选择 它小而结实 结构简单 能产生很强的宽频谱单脉冲微波 用fcg驱动虚阴极振荡器做成的一种微波弹如图5 31所示 这种微波弹可利岩飞机己人机深入敌后去破坏敌方的重要战争设备 如指挥控制中心 电视台和雷达系统 高功率微波定向能武器系统是一个复杂系统 有很多问题尚待解决或需要深入研究 为适应武器的要求 高功率微波源的性能还需进一步提高 高功率微波的传输与发射问题仍需进一步研究 高功率微波到达目标后 如何耦合进入敌方的电子系绕 这种耦合又分 前门 与 后门 耦合 前门 耦合的问题是解决通过目标上的电磁能接收器 如天线和传感器 如何经过保护电路而进入内部的电子系统 后门 耦合是指通过为其他目的而开的孔 缝 门窗和未屏蔽好的导线等进入内部系统 情况非常复杂 不同情况的差异义十分大 还有高功率微波对元器件与人员的损伤机制与破坏阈值的 效应 研究 对微波武器的有效性和可行性的研究也是关键 高功率微波发射的旁瓣和强局域场对自身电子设备和友军电子设备及人员的可能伤害的防护问题 微波加固 屏蔽 与反加固问题 装备的小型化以适应武器平台的要求等问题均需深入研究 武器的有效性演示实验 交战分析还需进行 尽管高功率微波定向能武器需要研究 解决的问题还很多 但是高功率微波定向能武器豫了具有一般定向能武器的优点 能够以接近光的速度进攻 被攻击的目标要躲避是不可能的 它们没有爆炸壳体的弹药消耗 工作依赖的是在战斗中不可能消耗掉的电源 外 它不像兼他两种定向能武器 激光武器与荷电粒子束武器 在大气层存在严重的传输问题及要求精确定点命中靶子 它瞄准与跟踪的精度要求相对较低 因此 它有很好的发展前景 受到高度重视 很有可能成为未来战争的一种杀手锏 5 6 2高功率微波拒止武器近年来 毫米波技术在军事上的应用日益广泛 美国 俄岁斯都对毫米波技术及其应用给予了高度重视 除了在雷达 电子战 通信等方面的应用外 毫米波非致命武器 生动拒l止武器 activedenialtechnology 就是应用的重要方面 美国军方透露正在研制这种新则非致命武器 它是将回旋管短脉冲毫米波 3mm 能量利用准光学传输系统通过天线射向人群 将皮肤外层的湿气加热到足够高温 造成人体皮肤剧烈疼痛而失去战斗力 波长3mm的毫米波束 能透人人体皮肤0 3mm深度 与痛觉神经的深度相同 人体的痛觉依赖于皮肤温度 从45 开始 随着温度升高 痛觉迅速增加 当皮肤温度达到55 时 痛觉达到极点 这种武器能使敌方人员暂时失去战斗能力 但不致命 该系统作用距离为800m左右 美国军方承认自20世纪80年代中期以来一直在研制各种此类机载 车载武器系统 最近已接近实川化这种武器除可用于前沿阵地 登陆滩头外 还可用于反恐 防暴 5 6 3高功率雷达和冲击雷达雷达是普通微波的一个主要应用 高功率微波源出现后 很自然就想到利用高功率微波来提高雷达的性能 如对于一个间样的目标 雷达作用距离与发射功率p 的1 4次方成比例 将雷达功率从imw提高至1gw 作用距离可提高1个数量级 但影响雷达作用距离的限制因素是地物和其他干扰因素造成的信噪比 因此 简单地增大功率来提高作用距离也受到很大限制 近几年 对一种超宽带的高功率冲击雷达开展了研究工作 不同于普通雷达的冲击雷达 其脉宽不大于几个高频周期 为纳秒量级 一个脉宽内 为提供与普通雷达给信号处理系统提供的相同的能量 要求冲击雷达有很高的峰值功率 一般 普通雷达脉宽约为1us 如脉冲峰值功率为1mw 一个脉宽内提供的辐射功率为ij 而对于ins脉宽的冲击雷达 要得到相同能量 需要1gw的辐射功率 由于冲击雷达的脉宽极短 雷达具有很高的测距分辨力 如假定角度分辨力刚样好 就对目标进行识别与成像 同时由于冲击雷达的超宽带 因而很难受到干扰 这就使此种雷达有很多可能的应用 以几厘米量级的高分辨力进行测距 对目标进行识别和成像 前苏联报道了高功率雷达的野外演示实验 这个雷达用了x波段相对论返波管 峰值功率为igw 脉宽为sns 重复频率为ioohz 他们用短的强脉在50km距离上探测飞机 可作为地下探测雷达 调查 探测地下资料 如地质层 地球土壤与冻土层 管状物 地下空洞和其他地下结构 军事上可用更大功率在长距离上穿透泥土与枝叶覆盖层探测隐蔽运输工具 炮位 燃料舱与地雷等 用于雷达杂物干扰的抑制 采用高测距分辨力 可将目标信号与杂物干扰信号分开这对海面掠行巡航导弹是很有用的 利用冲击雷达的超带宽特性 可对涂有微波吸收材料的难测目标 如隐形飞机等进行探测 由于击雷达具有高功率与宽带宽的特性 因此 它面临许多与普通雷达不同的技术问题从源来说需要发展极短脉宽的源 或采用脉冲压缩技术压缩较长脉冲 还需研究宽带宽的发射器 接收器与天线系统以及宽带宽的探测与信号处理问题 5 6 4超级干扰机超级干扰机是介于一般干扰机与具有照著破坏杀伤功能的高功率微波定向能武器之间的强力干扰装备 它所使用的商功牢微波源的功率 一般来说要比普通干扰机大得多 因而作用的有效距离也要比普通战场 f扰系统大得多 它用于干扰敌方通信系统 电子系统 微波接收系统或雷达设备 使之受到欺骗 失灵 渐时失效 甚至接近高功率微波定向能武器的功能 使敌方电子系统翻转 使数字电路系统 计算机系统丢失信息 从而使导弹迷失方向或造成战术通信混乱 也有人将超级于扰机归类于高功率微波定向能武器 认为它是高功率微波武器的初级形式 只不过作用距离小一些 破坏程度低一些 看来 在实现典型的高功率微波定向能武器之前 实现适用的超级干扰机就更加现实 5 6 5受控热核聚变等离子体加热随着生产的高度发展与生活水平的日益提高 作为动力燃料的石油 天燃气 煤等的消耗也越来越多 地球上的能源资源日渐枯竭 人们不得不寻求新的能源 受控热核聚变是新能源中最有希望的一种 它是利用氢的同位素氘在一定条件下进行可控热核聚变释放出的巨大能量来加以利用的 它所需要的核燃料 氘在水中有较丰富的含量 按目前世界能源消耗水平 如受控热核聚变能实现 t程应用 供给人类很多个世纪的能源需要是不成问题的 而且受控核聚变所造成的核及其他污染很少 不存在大气污染与温室效应问题 是一种 干净 的能源 它的诱人前景 使世界很多国家投入了大量人力与财力进行这项开拓性的工作 半个世纪以来 各国科学家从各个方面都在进行不懈的努力 现已取得了可喜进展 可望在21世纪实现这种新能源 受控核聚变主要有磁约束聚变与惯性约束聚变两种途径 磁约束等离子体受控热核聚变需要极高的温度 约为108k 因此需要对等离子体进行辅助加热利用高功率微波 特别是毫米波 对等离子体进行电子回旋谐振加热是行之有效的加热方法之一 随着高功率微波源的发展 回旋谐振加热已取得了很大进展 目前用于成计划用于回旋谐振加热的高功率微波源主要有三种 回旋管 在现有的回旋谐振加热的众多实验中 几乎都是采用的回旋管 回旋自谐振脉塞 它有希望在较小的t作磁场下产生高频 高功率 这种器件尚处在研究阶段 自由电子激光 它能以连续波或重复脉冲方式运行 峰值与平均功率均可达到很高 为了满足受控热核聚变等离子体电子回旋谐振加热的需要 研制高频率 长脉冲或连续波mw量级的高功率微波源 是今后高功率微波源发展的主要方向之一 最近即将启动的国际热核实验反应堆 iter 计划 需要一大批频率为170ghz 总功率为辩羽矿 连续波 脉