西电简明微波大作业2

1、刘源 范亚男 一、高功率微波的概念 二、高功率微波的产生原理及关键技术 三、目前常用的高功率微波源 四、研究HPM源过程中遇到的问题 五、HPM的实际应用 六、HPM的发展趋势 峰值功率在100MW以上 工作频率为1 300 GHz内 无线电电磁波 高功率微波 ( HPM ) ？ HPM 技术是近年来为了 获得和应用H PM而发展 起来的一门新兴技术, 它包括高功率电磁脉冲 产生技术、 相对论强 流电子束产生与维持技 术、HPM元器件技术、 H PM定向发射和传输技 术以及HP M 应用技术 等领域。 HPM 的崛起是由近代 微波理论和技术的迅 速发展而推动起来的。 它极大地促进了高功 率雷达

2、、超级干扰机、 等离子物理和 H PM 武器等的发展。 HPM源是HPM的关键器件 H PM 产生原理与关键技术产生原理与关键技术 目前可用于HPM的微波器件主要有:回旋管、强相对论微 波器件、虚阴极振荡器、多波切伦科夫振荡器以及等离 子体辅助慢波振荡器等。 ( 1) 虚阴极器件虚阴极器件 美国、俄罗斯和其他国家均有大量的关于虚阴极器件的报 道, 我国也在开展这一项研究工作, 目前的研究水平为: 频率从 0.5 17 GHz , 频率在 1 GHz时, 峰值功率已超过2 0 GW, 输出单 脉冲能量达1kJ以上, 但效率较低, 最好的仅达15%左右。由于 这种器件可用束流大、 电子注电压电流范

3、围广, 结构简单, 也 不断有一些新方案出现, 可改善效率、 提高功率。预计在将 来, 达到 100 GW 也不会有太大的困难。考虑到这类器件在长 脉冲方面也很有潜力,若脉宽达微秒量级则可望达到 100 kJ 的 单脉冲能量 。 ( 2) 强流相对论速调管强流相对论速调管( R KA ) 美国海军实验室研制的 RK A, 其工作电压为 1M V ,束流 20 k A, 脉宽 160 ns。在 1.3 G H z 时,输出功率达15 GW, 效率 达50 % ,单脉冲能量超过1 k J,增益15 dB 左右。国际物理公 司已研制出一个大功率、S波段频率捷变相对论速调管,该 管峰值功率200 MW

4、, 在中心频率为 219 GHz 时实现1 0%的 瞬时带宽 。 ( 3) 多波切伦科夫振荡器多波切伦科夫振荡器 俄罗斯强流电子学研究所采用U = 11 8 21 0M V , I = 13 1 5 kA的电子束在3 c m波 段获得15 GW的峰值功率, 脉冲宽度60 70 ns,单脉冲能量已接近 1 k J。结构上与其类 似的绕射振荡器, 在46 GHz 得到了 31 5 GH z的峰值功率。 ( 4 ) 相对论磁控管相对论磁控管 美国国际物理公司研制的相对论磁控管,在S 波段单脉冲输出功率达7 GW, 重复频率的相对论 磁控管工作于L 波段 ( 1.1 GH z) , 在重复频率100H

5、z 时峰值功率达1 GW,平均功率为 4.4 k W;在重复频 率250 Hz时峰值功率达600 MW, 平均功率为6.3 k W; 俄罗斯研制的长脉冲的磁控管脉宽为 1us, 脉冲 功率为100 MW。 ( 5 ) 相对论返波管相对论返波管 俄罗斯已研制出8 12.5 GHz, 脉宽 60 ns,脉冲功率15 GW, 转换效率达50% 的 单脉冲返波振荡,其辐射能量可达10 kJ; 脉宽为 20 n s, 重复频率10Hz、脉冲功率1 GW、转换效率 30% 的返波振荡器。 ( 6 ) 回旋管回旋管 常规回旋管已达到非常高的平均功率和长脉冲功率,俄罗斯应 用物理研究所研制的回旋管在100GH

6、z工作频率获得2.1 MW的 峰值功率,脉宽100 us,效率达30 %。在工作频率167 GHz时获得 0.5 MW的峰值功率,脉宽为1 ms ,效率30%。相对论回旋管在毫 米波段的峰值功率已超过 7GW。 ( 7 ) 回旋自谐振脉泽回旋自谐振脉泽( CARM ) 俄罗斯应用物理研究所研制的电子回旋脉泽波长 为1.9cm,输出峰值功率80MW, 效率 30 % , 电压为500 kV ,电流为5 00 A 。 ( 8 ) 自由电子激光自由电子激光( FEL ) 在 8 mm波段的峰值功率已超过1 GW, 效率达34 % 。 ( 9 ) 等离子辅助慢波振荡器等离子辅助慢波振荡器 美国休斯公司

7、研制出一种新型的等离子辅助慢波振荡器, 1*105V 的电子束能产生3 5 MW的脉冲功率,脉宽大于 100 us, 每个脉冲能辐射300500 J的能量, 电子束转换效 率为 15 % 25% 。 ( 1 0) SUPPER - RELT RO N 美国 T I T AN SPECT RON 公司研制成一种高效、高功率微 波管, 称之为 SU PPER - REL T RON 。这种管子工作在1 GH z 时, 功率大于 4 00 M W, 效率50 % 左右; 工作在3 GHz 时, 功率 大于 300 M W, 效率为 50% , 脉宽为几百毫微秒。 ( 1 1) 非相对论磁控管非相对论

8、磁控管 美国瓦里安联合公司研制出一种非 相对论磁控管, 由多个锁相 S 波段 磁控管构成, 其功率为60M W, 电压 低于 1 20 kV , 效率 60% 以上, 重复 频率 10Hz , 每微秒脉冲的总能量为 1 kJ 。 ( 12) 弱流相对论速调管弱流相对论速调管弱流相对论速调管即常规 结构的速调管, 目前已推进到相对论性的水平。美国斯 坦福线性加速器中心研制的多注速调管 SLA C5045 工作在 S 波段,脉冲功率 150MW、脉宽 3 L s、重复频率60Hz, 每个脉 冲 能 量为 450 J; XL 系列工作在 X 波段 ( 111 4GHz) , 峰值功率50 M W、脉

9、宽 1.5 L s、重复频率 180Hz, 已投入运行, 正在制造采用行 波谐振环的 X 波段高功率管, 峰 值功率 3 00 M W, 脉宽 80 0 ns。现 已计划研制 GW 级多注速调 ( GMBK ) , 拟采用周期永磁聚焦代替螺 旋管聚焦, 研究的目标为: 电子注数目 10 个, 输出 功率 2 GW, 脉宽 2 L s, 重复频率 10Hz。美国马里兰大学正在研制 100 M W 的回旋速调管。 俄罗斯正在研制一种速调管工作频率为 14GHz, 峰值功率为 150 MW、 脉宽为 7 50 ns。 研究研究HPM源过程中遇到的问题源过程中遇到的问题 1.微波脉冲缩短问题微波脉冲缩

10、短问题 从目前各种高功率微波源的研究结果来看, 当微波 的功率进一步提高时,微波的脉冲宽度会明显缩短。 其主要物理机制是高功率微波会在微波源内部产生等 离子体、电场击穿,使电子束意外漂移和扩散等。这 是目前制约高功率微波器件发展的重要问题之一 ,各 国研究 人员在设计和优化器件时都已考虑这一问题, 但目前仍然没有得到很好的解决。 2.微波的提取问题微波的提取问题 当高功率微波产生之后,需要将微波从微波 管或腔中提取和发射出来。常见的方法是“ 轴向”提取和“侧向”提取,但对于相当一部 分高功率微波源,由于所产生的模式过于复杂, 其微波能量总是不能十分有效地被提取和发 射出来。另外,提取窗口也会反

11、过来影响微波 的产生,从而使得这一问题变得难以有效地解 决,需要仔细认真地设计并考虑微波源的电磁 结构。 3.稳定性和可靠性问题稳定性和可靠性问题 对于许多单脉冲高功率微波源来讲,每 一次脉冲的微波功率和频率都有所不同,有 时离散性还较大。严格讲,这种现象并不是 微波源本身的电磁结构问题,而是电子束驱 动源的问题,因此着手解决这一问题的出发 点应当从脉冲功率源下功夫,使其所产生的 电子束脉冲相对稳 定和可靠,不过这并非容 易的事情,这涉及到脉冲功率源的开关、调 制器等元件进一步完善,是这一领域研究人 员今后应当解决的重要问题之一。 4.脉冲功率的小型化和能量高效率传输问题脉冲功率的小型化和能量

12、高效率传输问题 在相当一部分高功率微波源中都需要相当规 模的脉冲功率设备作为它的驱动源。在当今的脉 冲功率技术领域存在的重要问题之一就是脉冲功 率源的小型化和能量高效率传输问题。小型化问 题涉及到创新性概念的提出、高新技术的应用以 及工程、工艺等复杂问题的解决;而能量高效率 传输则主要依赖于能量传输的载体结构问题,同 时也制约高功率微波技术的发展。俄罗斯的科学 家在这方面做出了出色的工作。 当然,在高功率微波技术领域还有许 多问题有待解决,例如高功率微波的 传输、发射及其与目标耦合等,各国 研究人员都在发挥自己的优势攻克这 些难关。 HPMHPM的应用前景的应用前景 1 HPM 武器武器 它是

13、利用强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。 高功率微波武器是将高功率微波经高增益定 向天线辐射,将能量汇聚在窄波束内,以极高的强度 辐照目标,起到破坏敌方武器系统和防卫系统的电 子设备,杀伤敌方人员。 2 高功率雷达高功率雷达 它可将雷达功率从它可将雷达功率从1 M W提高到提高到1 GW,作用距作用距 离可提高一个数量级离可提高一个数量级, 可用于超远程雷达。近可用于超远程雷达。近 年来年来, 对一种超宽带的高功率冲击雷达开展了对一种超宽带的高功率冲击雷达开展了 研究工作研究工作, 其脉宽为纳秒

14、量级。一个脉宽内其脉宽为纳秒量级。一个脉宽内, 为为 提供给与普通雷达信号处理相同的能量提供给与普通雷达信号处理相同的能量, 要求要求 冲击雷达有很高的峰值功率。由于冲击雷达的冲击雷达有很高的峰值功率。由于冲击雷达的 脉宽极短脉宽极短, 雷达具有很高的测距分辨力。同时雷达具有很高的测距分辨力。同时 由于冲击雷达的超宽带由于冲击雷达的超宽带, 因而很难受到干扰。因而很难受到干扰。 并能对并能对 隐形飞机进行有效的探测。隐形飞机进行有效的探测。 3 反辐射导弹反辐射导弹 使用反辐射导弹已成为现代战争的主要手段之一, 因此研究对抗反辐射导弹技术已成为保证雷达的战 斗力和生存能力的重要课题HPM 可能

15、是一种比较理 想的对抗反辐射导弹的设备。已提出的一种用于摧 毁反辐射导弹的HPM 装置称为双模高功率雷达,其工 作原理是: 先用该雷达实现正常的对反辐射导弹的捕 获、识别和跟踪,然后使雷达无惯性地变到长脉冲(准 连续波) 大功率的工作状态, 如峰值功率为10 MW或 更高, 脉冲持续时间为0.1 1 s,于是1 10 M J的脉冲 能量射向目标, 经目标的天线或孔道接收, 使它的制 导系统破坏或阻塞。使用这种高电磁能量的微波炮 以光速对付反辐射导弹,可大大提高雷达的生存能力 4 高能射频高能射频( RF) 加加 速速 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

16、量为 1Te V ( 1000GeV )的电子束,产生这种束流 的加速器将是RF加速器,其中的RF或HP M 源产生加速电子的电场。 5 等离子加热等离子加热 为了实现磁约束等离子体受控热核聚 变所需的温度(约为108K ) ,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。 6 激光泵浦激光泵浦 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。 7 在采油工业中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1300 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。HPM采油是将HPM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。 8 微波辅助破碎坚硬岩石 对于大于 25 Kps i 岩石构造来说, 目前的钻头