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XCPS® |高功率微波及其发展应用

发表时间:2024-04-17 09:14
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特点:

1、峰值功率超过100MW;

2、频率范围在0.3-300GHz之间;

3、波长跨越厘米波和毫米波的脉冲电磁辐射;

4、高功率微波源分:高平均功率源(宽带源)、高峰值功率源(窄带源);

5、性能指标:品质因子Pavf²(Pav为平均功率,f为频率)。


在热核聚变、等离子体加热、先进的高能粒子加速器和对撞机、高效通信和RF武器等需求的强大驱动力下,微波器件的品质因子Pav以每十年增长一个数量级的速度增长,从实际需求看,当今和未来HPM技术正向着高功率、高效率、宽频带的目标发展。


发展原动力


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(traveling wave tube,简称TWT)、返波振荡器(backward wave oscillator,简称BWO)的发明。
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本世纪60年代,由于核武器效应模拟和高能物理理论和技术的发展,促进了脉冲功率(pulsed power)技术的引入,能量接近于电子静止能量(510kev)的强流(I>MA)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(relativistic klystron)、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(Free Electron Laser,简称FEL)等。


发展重点:


1、提高功率和能量并达到更宽的频段;

2、器件的效率和平均功率;

3、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﹪,未来希望平均功率达到100kW水平。


应用


军事需求仍然是目前高功率微波(HPM)理论和技术发展的主要驱动力。比普通微波功率大、能量强、频率高等特点。
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一、方向:

1)微波武器,定向能武器(DEW)——激光武器、微波或射频武器和荷电粒子束武器。

2)通信:快速实现无线宽带接入功能、建设局域微波通讯网提供多种网络服务,覆盖范围广、通信距离远。传送话音、数据、视频和图象等各种信号,且具有很强的通用性、高效传输、高信息量、高保密性。

3)雷达:高功率可以提高雷达的作用距离,高重复速率可以改善雷达的分辨率高、高灵敏性、超距离雷达正在航天遥感和卫星导航以及空对地探测等领域发挥重大作用,可以预言,高功率微波必将把雷达代入一个更高的技术水平和崭新的发展领域。例如合成孔径雷达(SAR):是一种在距离向采用脉冲压缩,方位向采用合成孔径原理的高分辨雷达。基本原理:相当于一个二维脉冲压缩滤波器,它将雷达从用于“探测”目标提高到用于目标“成像”,应用领域也从军事侦察扩大到经济、资源和高科技信息等方面。对信号的特殊处理方式也使SAR具有很强的抗干扰性和相对较低的被侦察截获概率,从而使得对SAR系统干扰技术的研究随之成为现代军事信息对抗研究中一个非常迫切的重要课题。

4)无线输电:微波源或激光器、发射与接受天线、微波或激光整流器组成。其中最关键的器件是将微波(或激光)能量转变为直流电的整流器,主要应用领域:加电给低轨道军用卫星、给一些难于架线或危险的地区供应电能、保证天基定性向能武器系统的电力、传送卫星太阳能电站的电能、在月球和地球之间架起能量之桥等。

5)其它方面:高能RF加速器、磁约束等离子体受控热核聚变、材料加工、激光泵浦等。

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二、优点:

1)不存在严重的传输问题;

2)由于高效率和光速攻击,所以不受天气影响,近于全天候使用;

3)控制杀伤力,使波束虽能致人失明或心肺功能衰竭,但不致人死亡;

4)微波波束较宽,不需精确瞄准目标即能杀伤目标;

5)小的微波源适于隐蔽使用,攻击不留痕迹。


HPM元器件分类:


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慢波(Vp<C)

快波(Vp>C)

O型

返波振荡器

行波管

表面波振荡器

多波契仑科夫发生器

相对论衍射发生器

相对论速调管等

自由电子激光器

回旋管

回旋返波振荡器

回旋行波管

回旋速调管

回旋自谐振脉塞等

M型

相对论磁控管

交叉场放大器

磁绝缘传输线振荡器等

脉动场磁控管


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。它的特点包括频率稳定、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。它的特点包括阻抗低,输入电压和电流可以很高,但往往效率很低。


世界发展的主要装置介绍:


美国开展HPM在国防军事方面的研究主要由路军、海军、空军三大军方实验室承担。
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1海军实验室(NRL):反舰艇导弹防御(ASMD)、指挥控制作战系统(C2W)的应用。爆炸驱动的、适合舰艇的较大的高电压装置、毫米波亚毫米波辐射源等。具体装置:相对论速调管、回旋共振脉塞和自由电子激光器等。

2陆军实验室:传感器和电子装置(高功率真空射频源)。包括:行波管(TWT)、返波管(BWO)、需阴极振荡器(Vircator)、微波功率模件、毫米波模件和正交场放大器等。

3空军实验室:超宽带(UWB)和窄带源、击穿和天线、等离子源的研究和诊断技术。主要研究装置:UMB阵列源和天线、回旋-WBO、虚阴极振荡器(VIrcator)和MIILO空军实验室对MIILO具有丰富和先进的研究经验,在世界上处于领先地位其引导MIILO成为当前的一个研究热点。


美国HPM研究的主要技术成就:(1)稳步提高了等离子体加热回旋管的性能,并推进了源的创新方法;(2)为实现FEL输出功率和效率的提高,对锥型摇摆器进行了实验验证;(3)探索研究了多项锁相技术。
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俄罗斯研究自由电子激光、回旋管等快波器件等。主要成就是:(1)在等离子加热用的回旋管方面达到了高平均功率;(2)在多波契伦柯夫发生器(MWCG)、多波衍射发生器(MWDG)和相对论衍射发生器(RDG)方面达到了高峰值功率;(3)研制了驱动高峰值功率和高平均功率源的小型重复脉冲功率源;(4)开发了用于回旋管的高效耦合。


示例


VIRCATOR是一项用于实现上述设备的创新技术,可以获得更大的功率并显着减小尺寸。主要元件是具有虚拟阴极的振荡器,采用真空管技术和固有振荡器操作制成(VIRCATOR:VIRtual CAthode oscillaTOR)。
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该元件可以在没有静磁感应场的情况下工作,这在易用性和尺寸方面具有显着的优势。HPM源由高压脉冲发生器(例如MARX GENERATOR)、真空管、波导和天线组成,电磁能将从该天线直接辐射。HPM的基本思想是通过在阴极和由电子渗透栅组成的阳极之间施加300KV-500KV量级的电压来加速阴极爆炸发射的电子束的密集流。许多电子穿过阳极并在阳极后面形成空间电荷区域,称为“虚拟阴极”。在某些条件下,该空间电荷区域可以在一定范围的微波频率内振荡。仅利用空间电荷密度的变化就可以在宽频带内调谐HPM器件。


关于XCPS®

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XCPS®是一种独特的交联聚苯乙烯热固性塑料,这种材料优势特性是其在不同频率范围内具有稳定的电气性能,并具有出色的声音传输性能、良好的物理性能、优异的电气性能(包括低损耗和稳定的介电常数)相结合。
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适用于微波透镜和精密部件、微波电路、天线、同轴电缆连接器、声音传感器、卫星天线、声纳透镜、无损材料检测装置、监控设备、雷达窗、雷达罩和导弹制导系统外壳及大型能源装备、高功率脉冲装备等。