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