高功率微波武器技术综述

高功率微波武器技术综述高功率微波武器是利用非核方式在极短时间内产生非常高的微波功率以极窄的定向波束直接射向目标雷达等微波电子设备，摧毁敌方雷达等微波电子设备和杀伤敌方人员的一种定向能武器。

高功率微波源一般采用虚阴极振荡器，能产生吉瓦以上的高功率微波，微波源产生的微波经天线发射出去。

一、驱动源技术（一）脉冲形成线脉冲形成线（PFL）是传输线的一种，主要用来将高电压静电储能转换为一定脉宽、一定幅值的高电压脉冲，与普通的传输线最大的区别在于其可以产生高电压脉冲。

PFL是脉冲功率装置的重要组成部分，它的发展与应用，与脉冲功率技术联系紧密。

早期的脉冲功率装置，由于受电感、电容的限制，输出脉冲的脉宽较长，上升时间也较长，功率较低，如果直接连接负载，不但得不到高功率，而且负载往往也不能正常工作。

因此，人们将传输线引入脉冲功率装置，得到了脉宽为十纳秒到百纳秒量级，上升时间为一纳秒到十纳秒量级的脉冲高电压。

匹配阻抗和输出脉宽是脉冲形成线的两个重要技术参数，设计脉冲形成线的难点是保证其在额定电压内不被击穿。

随着人们对脉冲功率技术研究的不断深入，PFL在民用和军事领域的应用价值也变得越来越重要。

目前，最常用的PFL是同轴PFL和螺旋PFL。

同轴PFL 又分为两种：单同轴PFL和双同轴PFL。

一般来说，单同轴PFL的同轴结构由两个互相绝缘的同轴直导体筒构成，其中外筒接地，内筒与充电电源相接；而双同轴PFL的同轴结构由三个相互绝缘的同轴直导体筒构成，其中外筒接地，内筒通过一定电感与外筒相接，中筒与充电电源相接。

双同轴PFL 也被称为Blumlein线。

如果将单同轴PFL的内筒或者Blumlein线的中筒（有时还包括Blumlein线的内筒），换成螺旋线或螺旋带绕制而成的螺旋线筒，其他部分仍旧使用直导体筒，同轴PFL就变成了螺旋PFL。

与普通的同轴PFL相比，螺旋PFL拥有较高的特征阻抗，可以产生较长的脉冲，因此，使用了螺旋PFL 的脉冲功率装置可以产生更长的脉冲高电压。

（二）Tesla变压器Tesla变压器是一种工作在双谐振模式下的脉冲变压器。

其原理如图所示，首先常规交流变压器T1将输入的市电升压对储能电容器C1充电；G为火花开关，当储能电容器C1上的电压达到一定值时，火花开关导通，通过Tesla变压器T2升压对次级电容器C2充电。

一般交流变压器T1将电压提升到12-50kV，Tesla变压器T2能够将电压再次提升到200kV-1MV。

Tesla变压器是由两个隔离的相互感应的相关振荡回路组成的系统，与一般脉冲变压器不同的是，该系统的初级储能和次级负载均为电容，且工作在自由振荡状态下，L1C1=L2C2使两个回路具有相等的固有振荡频率。

在脉冲功率技术中，Tesla变压器主要用来对脉冲形成线充电，以代替采用多级火花间隙开关的Marx发生器。

与Marx 发生器相比，Tesla变压器具有体积小，能量传输效率高，容易实现重复频率运行等特点。

目前，为提高脉冲功率系统的性能，脉冲变压器正向高功率、高电压、高变比的方向发展，同时还希望脉冲变压器具有重量轻、体积小、价格低、效率高和长寿命等特点。

（三）高功率开关高功率开关用于实现高功率电脉冲传输路径的切换。

它不仅对脉冲功率装置的输出特性具有决定性作用，甚至是脉冲功率系统成败的关键。

脉冲功率技术研究中，不仅要求高功率开关能够传输数十兆瓦到太瓦级的功率。

还要求其时间抖动在纳秒范围。

高功率开关通常工作在较高功率水平下，导通和关断过程均受控的全控开关通常仅在GW级以下的重复频率脉冲功率系统中有少量应用。

因此，通常按照其功能，将高功率开关分为两个大类：（1）闭合开关（closing switch）：初始状态，开关阻抗为高阻，阻断电流使其不能向负载传输；开关动作时，开关阻抗变换为低阻，使电流通过开关及其后的传输结构向负载馈送高峰值电流。

该类开关适用于电容储能电路。

（2）断路开关（opening switch）：初始状态，开关阻抗为低阻，使电流通过开关流过与负载并联的旁路放电回路，使其不能向负载传输；开关动作时，开关阻抗变换为高阻，是电流通过不能通过开关所在的放电旁路，切换进入负载所在的放电回路，向负载馈送高峰值电流。

该类开关适用于电感储能电路。

高功率开关通常包括电极、工作介质、壳体和引出结构三部分。

开关电极一般采用黄铜、不锈钢、铜钨合金等导电性能良好的金属或合金材料制成，一只高功率开关至少包含一对电极（通常简称主电极），部分电脉冲触发型开关还有触发电极（图1）。

多级开关使用多个电极，其两端与引出结构相连的电极称为主电极，其余夹持在两个主电极之间的电极称为中间电极。

高功率开关的工作介质是填充在电极之间的气体、液体或固体材料，真空也是高功率开关常用的一种工作介质。

对于闭合开关，工作介质初始状态是绝缘体或高阻抗介质；开关动作时，工作介质被击穿或由高阻抗状态转变为低阻抗状态。

开关壳体用于容纳工作介质，通常由绝缘材料制成，少数类型的断路开关采用电极作为壳体。

开关引出结构用于实现开关电极与电路的连接，采用导电性能良好的金属或合金材料制成。

二、微波源技术（一）磁绝缘线振荡器磁绝缘线振荡器（MILO）是一种新型相对论正交场器件，它可以看成是直线型相对论磁控管，但它与相对论磁控管不同的是，利用阴极大电流产生的自身磁场来阻止电子流直接打上阳极，而不需要借助外加磁场实现磁绝缘，因此它是一种自绝缘型器件，电子在电场和自身磁场作用下沿轴向漂移。

MILO的优点是阻抗较低，因此能够在相对低的电压下得到较高的功率。

MILO的这一特点还使它可以较好地与低阻抗脉冲功率源匹配；另外，由于MILO不再需要外加磁场，使得系统设计和制造得到了简化，降低了成本。

MILO的局限性在于它的效率低，这一方面是由于磁绝缘需要一定的电流直接打上收集极，这部分电流没有参与互作用，造成电流损失；另一方面是由于微波提取效率低，主要是因为从群速为零的模提取功率十分困难，微波能量是通过边缘场提取而不是通过波的纵向传输提取的，因而，当在慢波线最右端（下游）提取微波功率时，只有右端的几个腔对产生微波辐射有贡献，而与上游方向的腔的个数关系不大。

（二）相对论返波管返波管本质上是一种将电子束的动能转变为电磁能的微波源。

传统返波管由于功率小，基本上已被固体器件取代，而相对论返波管则相反，不仅得到了高度重视，成为相对论电子注器件最重要的一员，而且是最早出现的高功率微波源，1970年出现的相对论返波管标志着高功率微波时代的开始。

相对论返波管(简称RBWO)是一种利用环形相对论电子束与周期性慢波结构相互作用,产生自身振荡和放大的高功率微波器件，能够在厘米、毫米微波波段产生几百MW乃至超过1GW的微波脉冲辐射,并能够实现脉冲重复频率工作。

相对论返波管由于其高功率、高效率和适合重复频率工作等特点而受到人们的重视，它是输出功率能够超出10GW 以及在GW量级功率电平上能够实现100Hz-200Hz重复频率运行的少数高功率微波器件之一，因而在高功率微波技术中占有重要地位。

提高相对论返波管效率的方法可以是增加慢波结构输出段的波纹深度可以提高耦合阻抗；也可以同时使引导磁场在输出段沿轴向逐渐降低，使电子束更靠近慢波线内壁，进一步增加束波之间的耦合；还可以改变慢波结构的周期以逐渐降低波的相速，以保持与因不断使去动能而速度下降的电子束之间的同步。

理论和实验都证明，这些措施可以使相对论返波管的效率从15%提高到45%，甚至65%以上。

在返波管中，慢波线的电子枪端微波场最强，因而截止波导由于半径相对较小最易引起高频击穿。

为了避免这一现象的发生，人们提出可以用一个称为布拉格腔或布拉格反射器的谐振腔来代替截止波导。

该谐振腔对相对论返波管的工作模式（通常为TM01模）产生反射而在腔中激励起另外的模式，如TM02模，该模式还可以起到对电子束进行预调制的作用。

在相对论返波管中填充等离子体可以提高束波转换效率也已被实验所证实，在束流为70A-200A时，填充等离子体可使返波管的效率从20%提高到40%；将束流提高到2000A时，效率从5%提高到40%。

相对论返波管具有可以宽带调谐、谱线窄、功率大、效率高的特点，使它适合于雷达及电子干扰等应用，也可以作其他高功率微波放大器的推动源。

三、天线与馈线技术（一）天线技术工作于米波、厘米波、毫米波等波段的发射或接收天线，统称为微波天线。

微波主要靠空间波传播，为增大通信距离，天线架设较高。

在微波天线中，应用较广的有抛物面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线、透镜天线、开槽天线、介质天线、潜望镜天线等。

对工作于微波波段天线的要求：（1）机械强度及运用可靠性要高；（2）天线的尺寸和重量要小；（3）天线与馈线要匹配，而且易于调谐；（4）天线的制造和装配要简便，成本要低。

由于地形和环境地的影响，天线接收到的电磁波是有效直射波，还是反射绕射波或是它们的叠加，其结果决定了接收点处的场强幅度和相位，并直接影响天线的应用效果。

因此，对于天线的安装也有一定要求，选择天线架设位置通常应注意以下几个方面。

（1）天线的发射或接收方向应尽量避开障碍物：例如楼房、铁塔、桥梁等高大建筑物，以免因电磁波反射、折射造成对通信极易产生影响的多径干扰。

（2）天线架设地点应尽量远离干扰源：例如高压线、飞机航线、人口稠密区、公路等，减少或避免可能产生的对微波通信的干扰；也尽可能减少微波通信系统对外界的干扰。

（3）天线应尽量架设在附近的置高点：根据微波传输的特点，这样可以增加通信距离，并可以获得相对较好的通信质量。

（4）如有几副天线同在一个铁塔上工作，应特别注意它们之间左右和上下的间距以及工作频率，以防相互耦合影响系统性能。

（二）馈线技术馈线系统是在天线和收发信机之间用于传输信号的系统。

在微波接力通信站，为了保证信道的畅通，天线往往需要架设在楼顶或铁塔顶端。

这样，天线与收发信机之间，要采用数米乃至几十米的馈线来连接。

因为馈线传输的是微波信号，所以又可称其为微波传输线。

馈线系统定义：由波导、旋转关节、收发开关等各种微波部件连接组成的系统称为馈线系统。

馈线系统连接在发射机、接收机和天线之间。

馈线系统的作用是有效地馈送微波信号能量；当多波道公用天线时，还具有发端汇合、收端分离各波道微波信号的功能。

在发信端，发信设备输出的微波信号，经馈线系统输至发射天线，成为无线电波，沿指定方向发射出去。

在收信端，无线电波经接收天线输至馈线系统，成为微波信号，输至收信设备。

天线馈线系统包括天线和馈线、阻抗变换器、极化分离器、波道滤波器等。

馈线有同轴电缆型和波导型两种型式。

一般在分米波波段（2GHz），采用同轴电缆馈线。

在厘米波段（4GHz以上频段），因同轴电缆损耗较大，故采用波导型馈线。

波导馈线又分为圆波导馈线和矩形波导馈线两种。