西電簡明微波大作業(yè)2課件

高功率微波技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用劉源范亞男一、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1~300GHz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HPM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)、HPM定向發(fā)射和傳輸技術(shù)以及HPM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。它極大地促進了高功率雷達、超級干擾機、等離子物理和HPM武器等的發(fā)展。HPM源是HPM的關(guān)鍵器件HPM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0.5~17GHz,頻率在1GHz時,峰值功率已超過20GW,輸出單脈沖能量達1kJ以上,但效率較低,最好的僅達15%左右。由于這種器件可用束流大、電子注電壓電流范圍廣,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,達到100GW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,若脈寬達微秒量級則可望達到100kJ的單脈沖能量。(2)強流相對論速調(diào)管(RKA)美國海軍實驗室研制的RKA,其工作電壓為1MV,束流20kA,脈寬160ns。在1.3GHz時,輸出功率達15GW,效率達50%,單脈沖能量超過1kJ,增益15dB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200MW,在中心頻率為219GHz時實現(xiàn)10%的瞬時帶寬。(3)多波切倫科夫振蕩器俄羅斯強流電子學研究所采用U=118~210MV,I=13~15kA的電子束在3cm波段獲得15GW的峰值功率,脈沖寬度60~70ns,單脈沖能量已接近1kJ。結(jié)構(gòu)上與其類似的繞射振蕩器,在46GHz得到了315GHz的峰值功率。(4)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7GW,重復(fù)頻率的相對論磁控管工作于L波段(1.1GHz),在重復(fù)頻率100Hz時峰值功率達1GW,平均功率為4.4kW;在重復(fù)頻率250Hz時峰值功率達600MW,平均功率為6.3kW;俄羅斯研制的長脈沖的磁控管脈寬為1us,脈沖功率為100MW。(5)相對論返波管

俄羅斯已研制出8~12.5GHz,脈寬

60ns,脈沖功率15GW,轉(zhuǎn)換效率達50%的

單脈沖返波振蕩,其輻射能量可達10kJ;脈寬為

20ns,重復(fù)頻率10Hz、脈沖功率1GW、轉(zhuǎn)換效率30%的返波振蕩器。(6)回旋管

常規(guī)回旋管已達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100GHz工作頻率獲得2.1MW的

峰值功率,脈寬100us,效率達30%。在工作頻率167GHz時獲得

0.5MW的峰值功率,脈寬為1ms,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(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500kV,電流為500A。(8)自由電子激光(FEL)

在8mm波段的峰值功率已超過1GW,效率達34%。(9)等離子輔助慢波振蕩器美國休斯公司研制出一種新型的等離子輔助慢波振蕩器,1*10^5V的電子束能產(chǎn)生3~5MW的脈沖功率,脈寬大于100us,每個脈沖能輻射300~500J的能量,電子束轉(zhuǎn)換效率為15%~25%。(10)SUPPER-RELTRON美國TITANSPECTRON公司研制成一種高效、高功率微波管,稱之為SUPPER-RELTRON。這種管子工作在1GHz時,功率大于400MW,效率50%左右;工作在3GHz時,功率大于300MW,效率為50%,脈寬為幾百毫微秒。(11)非相對論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60MW,電壓低于120kV,效率60%以上,重復(fù)頻率10Hz,每微秒脈沖的總能量為

1kJ。

(12)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SLAC5045工作在

S波段,脈沖功率150MW、脈寬3Ls、重復(fù)頻率60Hz,每個脈沖能量為450J;XL系列工作在X波段(1114GHz),峰值功率50MW、脈寬1.5Ls、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300MW,脈寬800ns。現(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,研究的目標為:電子注數(shù)目10個,輸出功率2GW,脈寬2Ls,重復(fù)頻率10Hz。美國馬里蘭大學正在研制100MW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150MW、脈寬為750ns。研究HPM源過程中遇到的問題1.微波脈沖縮短問題從目前各種高功率微波源的研究結(jié)果來看,當微波的功率進一步提高時,微波的脈沖寬度會明顯縮短。其主要物理機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.微波的提取問題當高功率微波產(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,需要仔細認真地設(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)制器等元件進一步完善,是這一領(lǐng)域研究人員今后應(yīng)當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在相當一部分高功率微波源中都需要相當規(guī)模的脈沖功率設(shè)備作為它的驅(qū)動源。在當今的脈沖功率技術(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。俄羅斯的科學家在這方面做出了出色的工作。當然,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)。HPM的應(yīng)用前景1HPM武器它是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,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高功率雷達它可將雷達功率從1MW提高到1GW,作用距離可提高一個數(shù)量級,可用于超遠程雷達。近年來,對一種超寬帶的高功率沖擊雷達開展了研究工作,其脈寬為納秒量級。一個脈寬內(nèi),為提供給與普通雷達信號處理相同的能量,要求沖擊雷達有很高的峰值功率。由于沖擊雷達的脈寬極短,雷達具有很高的測距分辨力。同時由于沖擊雷達的超寬帶,因而很難受到干擾。并能對隱形飛機進行有效的探測。3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)已成為保證雷達的戰(zhàn)斗力和生存能力的重要課題HPM可能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,其工作原理是:先用該雷達實現(xiàn)正常的對反輻射導(dǎo)彈的捕獲、識別和跟蹤,然后使雷達無慣性地變到長脈沖(準連續(xù)波)大功率的工作狀態(tài),如峰值功率為10MW或更高,脈沖持續(xù)時間為0.1~1s,于是1~10MJ的脈沖能量射向目標,經(jīng)目標的天線或孔道接收,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,可大大提高雷達的生存能力4高能射頻(RF)加速進行高能物理的研究要借助于高能加速器,目前,加速器發(fā)展的目標是產(chǎn)生能量為1TeV(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HPM源產(chǎn)生加速電子的電場。

5等離子加熱為了實現(xiàn)磁約束等離子體受控熱核聚變所需的溫度(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)能夠達到高的比泵浦功率。

7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1300m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

25Kps

i

巖石構(gòu)造來說,目前的鉆頭已達到其強度極限。在動