高功率微波及源器件
高功率微波___概述说明以及解释
高功率微波概述说明以及解释1. 引言1.1 概述高功率微波（High-Power Microwaves，简称HPM）是一种特殊频率范围内的电磁波，具有较高的功率输出。
随着科技的不断发展，高功率微波技术在多个领域得到了广泛应用。
本文将对高功率微波进行深入的概述、分析和解释。
1.2 文章结构为了系统地介绍高功率微波技术相关内容，本文按以下结构进行论述：第2部分：高功率微波概述：包括其定义和背景、发展历程以及应用领域；第3部分：高功率微波原理解析：涵盖电磁波特性、辐射与传输过程、以及功率放大原理；第4部分：高功率微波技术进展：讨论高功率微波源技术改进、辐射与控制技术发展，以及解决该系统问题的新方法与思路；最后一部分：结论，总结了文章主要观点，并强调未来研究的方向与挑战。
1.3 目的本文的目的是全面介绍和阐述高功率微波技术方面的知识，旨在增加读者对该技术的了解。
通过对高功率微波的概述、原理解析以及技术进展的分析，我们可以深入认识它的重要性和应用前景，并为未来的研究提供方向与思路。
通过本文的阅读，读者将能够对高功率微波技术有一个全面而清晰的认识。
2. 高功率微波概述2.1 定义和背景高功率微波（High Power Microwave, HPM）是指具有高的能量密度和较大功率输出的微波信号。
它是一种电磁辐射形式，主要由频率范围在300MHz至300GHz之间的无线电波组成。
高功率微波技术源于对电磁辐射的研究和应用探索，对现代科学、工程技术和国防安全等领域具有重要作用。
2.2 发展历程高功率微波技术的研究与应用始于20世纪中叶。
最早期的发展集中在军事领域，用于雷达系统、导弹防御以及电子战等方面。
随着科学技术的进步，高功率微波逐渐扩展到其他领域，如通信、医疗、飞行器激光推进等。
2.3 应用领域高功率微波在众多领域具有广泛应用。
首先，在军事领域，它可被用于电子侦察与打击、无线电干扰以及雷达干扰等任务。
其次，在通信领域，高功率微波可以提供高速数据传输和远距离通信，被广泛应用于卫星通信、雷达系统和无线电波干扰等方面。
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。
第5章_高功率微波源
冲功率与连续波功率
5.2.1 发展概况及基本原理
电子回旋脉塞期间包括一大类器件,这 类期间又称为回旋管系列,属于快波器件. 电子回旋脉塞器件能以各种方式在跨越 厘米波,毫米波甚至亚毫米波的范围内产 生高脉冲功率与连续波功率
电子回旋脉塞发展历史
电子回旋脉塞起源于50年代末期,但是有3位学者开始进行电 子回旋脉塞互相作用产生微波的理论研究.
第五章 高功率微波源 Development and Appling of High Power Microwave(HPM)
5.1 引言
5.2 电子回旋脉塞及回旋管系列
5.3 相对论普通微波管系列 5.4 其他高功率微波器件
电磁波谱及主要产生方式
1 高功率微波(high power microwave-HPM)
如果高频场的角频率与电子回旋频率相等,受加 速的电子数等于受减速的电子数 如国高频场的角频率小于电子回旋频率.电磁波 场的旋转速度略慢于电子的旋转速度,则电子的 群聚落入加速场,有更多的电子受到加速而从波 场获得能量,场被电子吸收能量而衰减. 如国高频场的角频率大于电子回旋频率,电磁波 场的旋转速度略大于电子的旋转速度,则电子的 群聚落入波场的减速区.在场的一个周期内,减 速的电子数大于加速的电子数.净效果是电子注 失去能量,将能量交给高频场,波场得到增强,于 是产生微波振荡或放大.
非致命武器1美国陆军实验室正在研制的地面车辆制动装置就是利用微波源产生的脉冲波爆使远处的正在高速行驶的汽车失灵甚至报废2电力分配弹药epdmelectricpowerdistributionmanition当其飞抵目标上方时爆炸释放出大量松散的传导性碳纤维缠丝随风飘落缠绕在高能电缆上使电子设备严重短路3目前正在研制中的隐蔽式眩目激光武器是使用荧光技术其发射出的紫外光照射眼睛后眼睛会产生荧光感应出现视线模糊使人致晕但无致人失明的危险
微波芯片 元器件等级标准
微波芯片元器件等级标准
微波芯片电容器和薄膜电路等作为微波高频领域的关键电子元器件产品仍处于国外厂商占据主导地位的市场格局。
受复杂多变的国际政治经济环境影响，部分国家采取技术封锁、出口管制、贸易制裁等手段限制我国高端制造业和高新技术产业的发展，在关键电子元器件上实现自主可控、提高电子元器件的国产化率，成为相关行业迫切需要解决的问题。
具体来说，微波芯片电容器产品的销售金额在国内市场内资企业排名第二，亦是具有薄膜电路、薄膜无源集成器件规模量产能力的供应商之一，部分产品已在国防重大装备或国家航空航天重点工程中应用。
因此，发行人通过独立上市，可以较快扩大市场知名度，增强发行人的行业地位和综合竞争能力，为加快关键电子元器件的国产化替代进程做出应有的贡献。
因此，在微波芯片元器件等级标准上，由于国内市场尚处于发展阶段，标准可能尚未完全统一。
不过，随着国内技术的不断发展，以及国家对高新技术产业的支持，相信未来微波芯片元器件等级标准会逐渐完善和统一。
第5章 微波元件
螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件 , 它 是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件, 如图 5 - 7 所示。 螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件, 使用时为了避免波导 短路击穿, 螺钉都设计成容性, 即螺钉旋入波导中的深度应小于 3b/4(b为波导窄边尺寸)。 由第1章的支节调配原理可知：多个 相距一定距离的螺钉可构成螺钉阻抗调配器, 不同的是这里支 节用容性螺钉来代替。
波导连接头除了法兰接头之外, 还有各种扭转和弯曲元件 (如图 5 - 4 所示)以满足不同的需要。当需要改变电磁波的极 化方向而不改变其传输方向时，用波导扭转元件; 当需要改变 电磁波的方向时，可用波导弯曲。波导弯曲可分为E面弯曲和 H面弯曲。 为了使反射最小, 扭转长度应为(2n+1)λg/4, E面波 导弯曲的曲率半径应满足R≥1.5b, H面弯曲的曲率半径应满足 R≥1.5a。
(b) 所示 , 它们的有效短路面不在活塞和系统内壁直接接触处 ,
而向波源方向移动λg/2的距离。
第5章 微波元器件
这种结构是由两段不同等效特性阻抗的 λg/4 变换段构成 , 其工作原理可用如图 5 - 1(c)所示的等效电路来表示, 其中cd段
相当于λg/4终端短路的传输线 , bc 段相当于λg/4终端开路的传
第5章 微波元器件
第5章 微波元器件
5.1 连接匹配元件 5.2 功率分配元器件 5.3 微波谐振器件
5.4 微波铁氧体器件Leabharlann 返回主目录第5章 微波元器件
第5章 微波元器件
无论在哪个频段工作的电子设备, 都需要各种功能的元器件, 既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等无源 元器件, 以实现信号匹配、 分配、 滤波等; 又有晶体管等有源
氮化镓微波功率 器件
氮化镓微波功率器件
氮化镓微波功率器件是一种利用氮化镓半导体材料制造的微波功率放大器或开关等器件。
这些器件在高频率范围内（通常在数GHz 到几十GHz之间）工作，并能够提供高功率输出。
以下是氮化镓微波功率器件的一些详细信息：
材料特性：氮化镓半导体具有优异的电子传输特性，包括高电子迁移率和高饱和漂移速度。
这些特性使得氮化镓在高频率和高功率应用中表现出色。
器件类型：氮化镓微波功率器件包括功率放大器、开关、混频器等。
其中功率放大器是最常见的应用，用于增强微波信号的功率。
而开关则用于控制微波信号的传输路径。
工作频率范围：氮化镓微波功率器件通常在数GHz到几十GHz 的频率范围内工作，适用于各种高频通信和雷达应用。
功率密度：由于氮化镓具有优异的热传导性能和耐高温性，因此氮化镓微波功率器件能够提供较高的功率密度，同时保持较低的工作温度。
功耗和效率：与传统的硅基微波功率器件相比，氮化镓微波功率器件通常具有更低的功耗和更高的效率，这使得它们在一些需要高性能和低能耗的应用中更具优势。
总的来说，氮化镓微波功率器件具有优异的性能特性，广泛应用于通信、雷达、卫星通信和军事等领域，为高频微波系统的性能提升提供了强大支持。
1。
高功率微波武器概述
高功率微波武器概述摘要：随着战争形式逐渐由机械化向信息化转变，未来条件下的战争必将是新形势下高度信息化的战争。
获取信息优势成为决定战争胜负的重要因素之一，在这种条件下，高功率微波武器应运而生,高功率微波武器是利用强电磁毁伤目标的定向能新概念武器,是正在研究发展的高新技术武器之一，具有作战效率高；作战效费比高；响应速度快；隐蔽攻击，低附带损伤等特点。
由于装载平台不同，高功率微波武器分为陆基、空基、天基三种。
本文将简单介绍高功率微波武器的原理，与传统武器的优势，关键技术，以及后续高功率微波武器的发展方向。
关键词：高功率微波武器；高功率微波源；脉冲驱动源1高功率微波武器原理高功率微波武器作为新概念武器，具有独有的技术特点，简单来说，高功率微波武器（HPMW）是通过发射峰值功率达到GW级、频率为1到300 GHz的强微波脉冲来毁坏敌方电子设备、烧毁武器结构和杀伤作战人员的一类新机理武器系统。
一般高功率微波武器由初级能源、脉冲功率源、强流电子束发生器、高功率微波器件和发射天线等组成，由跟踪瞄准引导设备进行定向，并由作战平台进行运载。
这种电磁波经高增益的定向发射天线变成高功率微波波束发射到目标表面后，通过“前门耦合”和“后门耦合”两种途径渗透到目标系统内部并影响其工作。
“前门耦合”是指通过目标的传感器或者天线系统进入其内部的情况；“后门耦合”泽室指感应电流通过孔、缝、窗口、单管、线缆等一切可能的途径渗透到目标系统内部的情况。
无论是前门何种耦合途径，都是要讲高功率微波能量导入到目标系统内部，破坏电子元器件，达到使元器件产生状态反转、被击穿，出现误码、抹掉存储信息的目的。
图1高功率微波武器对电子信息设备中电子系统的攻击表1 高功率微波对电子元器件的毁伤阈值2高功率微波武器的性能优势高功率微波武器的性能优势主要体现在以下方面：（1）打击速度快微波武器以光速攻击目标，从发射到击中目标所需要的时间极短，可在瞬间击毁空中的飞机和导弹。
高功率微波NEPTUNE程序中的并行计算及几何建模
高功 率微 波ＮＥ Ｔ ＮＥ Ｐ Ｕ 程 序 中的并 行计 算 及 几何 建模
在 高功率微波 源器 件研 究 中，利 用数值 模拟 方法对 微波 源器件 进行 定量 设计 ，可 以有 效地节 省开发成 本 。由于源 器件具 有 复杂 的三 维几 何结构 ，同时可能 存在一 些细 小结 构 ，因此 需要 高精度 计算 。本 文采用
［】 Ｃｈ ｎ Ｊ ｎ Ｄｏ ｇ Ｙ ， ａ ｇＷｅ ｙ ａ ． ｒ ｅｄｍｅ ｓ ｎ ｌｐ ｒｌ ｌｅｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｏ ｅｗｉ ｏ ｌｘ ｇ ｏ ｔ ［ ／ １ Ｉ Ｅ ２ ｅ ｕ ， ｎ ｅ Ｙ ｎ ｎ ｕ ｎ Ｔｈｅ —ｉ ｎ ｉ ａ ａａｌ ｌｃｒｍａ ｎ ｔ ｃ ｄ ｔ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｍｅｒ Ｃ］／ ０ ＥＥ ｏ ｅ ｃ ｈ ｙ
以应用 到其它相 关研 究 中 ，具 有借 鉴意义 。
展 望
下一 步 的工 作包 括完 善方法 、 改善性 能 、推 广应 用等 。
参 考பைடு நூலகம்文 献
【】 陈 ｌ 军，董 烨 ，杨温 渊 ，等 ．高 功 率微 波 三 维 全 电磁 ＰＣ并 行 模 拟 【】 Ｉ Ｊ．电子 学 报 ， ０ ９３ （２： ８ ５２ ４ ． ２ ０ ， ７１ ）２ ４ ．８８
（） 分 布 ａ块
（） ｂＮ格 片 分 布
图 １ “ 一 块 网格 片 ”并 行 区域 分 解 策 略 （ ８个 处 理 机 核 为示 例 ） 以
２ 网格重 构
模 拟初始 ，生成 网格 为覆盖整 个计 算区域 的三 维长 方体 网格 。由于器件 具有 复杂几 何 结构 ，实 际计算
氮化镓微波功率器件
氮化镓微波功率器件
氮化镓微波功率器件是一种利用氮化镓材料制作的微波功率放大器或开关器件。
氮化镓具有优异的热稳定性、高电子迁移率和较大的饱和漂移速度，使其成为高功率、高频率微波电子器件的理想材料。
氮化镓微波功率器件可以用于各种微波应用，如通信、雷达、无线电、广播和卫星通信等领域。
它具有高功率和高频率操作的能力，能够提供更大的输出功率和较高的工作频率。
此外，氮化镓材料还具有较低的损耗和较高的工作温度能力，因此能够在各种苛刻的环境条件下工作。
一种常见的氮化镓微波功率器件是氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）。
HEMT是一种由氮化镓材料构成的场效应晶体管结构，其中氮化镓层用作电子传输通道。
HEMT具有较高的电子迁移率和较低的电子散射率，使其能够实现高功率和高频率的操作。
另一种氮化镓微波功率器件是氮化镓双极晶体管（HBT）。
HBT是一种具有双极结构的晶体管，其中氮化镓材料用于制作基区和集电区。
HBT具有高电流增益和较低的饱和漂移速度，因此适用于需要高电流增益和中等功率输出的应用。
除了HEMT和HBT之外，氮化镓还可用于制作其他类型的微波功率器件，如氮化镓基片上的谐振器、磷化铟/氮化镓混合集成电路等。
总之，氮化镓微波功率器件由于其优异的性能和能力，在微波
和射频领域具有广泛的应用前景。
它们可以提供更高的功率和更高的工作频率，同时具有较低的损耗和较高的工作温度能力，有助于推动微波和射频技术的发展和应用。
微波器件的分类_微波器件的应用介绍
微波器件的分类_微波器件的应用介绍
什么是微波器件是指工作在微波波段（频率为300～300000兆赫）的器件，称为微波器件。
微波器件按其功能可分为微波振荡器（微波源）、功率放大器、混频器、检波器、微波天线、微波传输线等。
通过电路设计，可将这些器件组合成各种有特定功能的微波电路，例如，利用这些器件组装成发射机、接收机、天线系统、显示器等，用于雷达、电子战系统和通信系统等电子装备。
微波器件的分类微波器件按其工作原理和所用材料、工艺不同，又可分为微波电真空器件、微波半导体器件、微波集成电路（固态器件）和微波功率模块。
微波电真空器件包括速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等，利用电子在真空中运动及与外围电路相互作用产生振荡、放大、混频等各种功能。
微波半导体器件包括微波晶体管和微波二极管，具有体积小、重量轻、可*性好、耗电省等优点，但在高频、大功率情况下，不能完全取代电真空器件。
微波集成电路是将具有微波功能的电路用半导体工艺制作在砷化镓或其他半导体材料芯片上，形成功能块，在固态相控阵雷达、电子对抗设备、导弹电子设备、微波通信系统和超高速计算机中，有着广阔的应用前景。
微波器件的作用1．终端负载元件：为一端口互易元件，主要包括短路负载、匹配负载和失配负载
1）短路负载，要求：
（1）保证接触处的损耗小，
（2）当活塞移动时，接触损耗变化小；
（3）大功率时，活塞与波导壁间不应产生打火现象。
可用作调配器，纯电抗元件
结构方式：接触式、扼流式（金属片）
2）匹配负载。
高功率微波工作原理
高功率微波工作原理
高功率微波（HPM）的工作原理是利用微波的高频率和高功率来实现高效
的能量传输。
微波是一种电磁波，其频率范围在300MHz到300GHz之间。
高功率微波技术利用微波的高频率和高功率，通过天线、波导、微带线等传输介质将微波能量传输到目标位置。
高功率微波源是高功率微波技术的核心部件，其工作原理是通过电子束、固态器件或者激光等方式产生微波信号，并通过毫米波电路进行放大和辐射。
其中，电子束器件例如磁控管和行波管常用于大功率雷达等应用；而固态器件如晶体管和半导体器件则适用于通信、生物医学以及材料加工等领域。
高功率微波源的关键技术主要包括频率稳定性、功率调节、脉冲输出等方面。
频率稳定性要求源的输出频率在稳定范围内保持一致，以确保可靠的通信和检测；功率调节则能够根据实际需求进行动态调整，提高系统的灵活性；而脉冲输出技术则使得高功率微波源在雷达、电子战等领域发挥重要作用。
高功率微波源在多个领域有着广泛的应用。
在通信领域，高功率微波源可用于卫星通信和宽带无线网络传输，为实现高速、稳定的数据通讯提供支持。
在材料加工行业，高功率微波源的大功率辐射能力可用于快速加热、焊接和
表面处理等工艺。
此外，高功率微波源还在生物医学、环境监测和安全检测等领域发挥着独特作用。
微波有源器件
当工作于谐振限制空间电荷模 式（resonant limited spacecharge (LSA) mode）工作频率 可到100GHz，脉冲工作、占 孔系数10%时，脉冲功率输出 到几百瓦。
有源器件旳选择对射频与微波电路设计极其主要
接受、发送系统一般由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、振荡器、倍频 器、混频器以及开关电路、功率合成与分配电路等基本旳射频与微波电路模 块构成。 构成这些模块旳更基本单元就是各类有源器件与无源器件。 首次进行射频与微波电路设计，感到最难入手旳就是有源器件旳选择。 选择有源器件要考虑旳原因诸多，首先要满足收发机对诸如振荡器、放大器、 混频器等基本模块旳指标要求，还要考虑可用技术与实现成本。 怎样选择有源器件没有固定旳程式。经验，对有源器件资料旳掌握，对整个 收、发系统指标旳了解是选择有源器件旳主要根据。 射频与微波电路常用旳有源器件可分为两类，即二极管类型和三极管类型。 微波二极管：
图2-13 PIN管中杂质空 间电荷及电场分布
PIN二极管—工作特点
③直流偏压和微波信号等同作用下
旳PIN管
PIN管在正、负偏压下旳电阻变化与 一般半导体PN管没有多大区别，也 即对直流、低频有单向导电性。显
v nL L n（nV2.1V）E E
平均电子迁移率
nLL
n（nV2.2V）
L
nV nL
1 nV
V
nL 显然， ，当E增长，nV 增长， 降低。
nL
D
dv dE
0, Eth
E
Eb
D为微分迁移率，在Eth<E<Eb时，为负值。电流密度j = E， = neD，E = V / L，故 J = neD V/L，V为外加电压，L为n型砷化镓长度，这阐明砷化镓在一定电场范围内 （一般E在3103~2104伏/厘米），具有负电子迁移率，也就是负阻特征。
微波元器件与集成电路
1、波导式匹配负载
大功率匹配干负载 出
体积式吸收体 大功率匹配水负载
片式吸收体 水
散热片 入
2、同轴线 式匹配负载
吸波材料
同轴匹配干负载
3、微带线式匹配负载 • 渐变式
导体带 介质 薄膜电阻
• 匹配阻抗式
开路
g 4
• 半圆式
二、短路器：
提供尽量大的反射系数；
○ 最好可自由移动； ○ 可移动短路活塞：接触式：物理接触
用低阻抗线实 现并联电容：
低阻抗段
l
在传输线上并联一个或多个支节，这些 支节等效于串联或并联谐振回路。
5、并联在传输线上的谐 振回路：
6、微带线 中的串联 电阻：
高阻金属薄膜，吸收电磁能量 R
9.2 微 波 滤 波 器
将所需其他滤波器的衰减 特性通过频率变换， 得到对应的低通滤 波器衰减特性；
g 4
• 多孔定向耦合器（频带较宽）
3
2
1
2
3
4
N
1
单孔定向耦合器
理想状态下，隔离端 口应当没有输出，但 实际上仍有一定输出， 因此应在隔离端口接 匹配负载，吸收这一 部分功率。
用高阻抗微带短线实现串联电感
Zc
Z c
Zc
Zc Zc
l 高阻抗段 环形电感 圆形螺旋电感 方形螺旋电感 为加大电感值，将高阻 抗线弯曲、螺旋，增加 匝数：
3、串联在传输 线上的谐振回 路：
L C C L
4、并联电容、电感：
Z Z Z c用并联的终端c 开路支节实c现并联电容或并联电感；
Zc Zc
L2
L4
L6
C1
C3
C5
• 微带电路实现方案
高功率微波及源器件
4 HPM研究方法
特点（1）HPM器件中波-束相互作用很复杂，很难进行精确的解析分析 （2）高功率微波源的实验设计和研制费用很高
HPM源研究的重要手段是计算机模拟。
随着HPM源技术的发展，HPM的研究人员越来越要求计算物理学家能用 计算机定量设计HPM源，使其满足特定的性能要求
在HPM源的二维和三维设计中，用的最广的是PIC（particle in cell）。用
PIC方法，美国和俄罗斯等国已研制了许多可用于高功率微波源数值模拟 的、相对成熟的软件
美国 加州大学的面向对象（object-oriented）的OOPIC和XOOPIC；
空军实验室（AFRL）研制的ICEPIC 圣地亚国家实验室（SNL）研制的OUICKSILVER和 TWOQUICK
俄罗斯 KARAT
场方程-Maxwell方程
1 E j c t
“求和过程”
B
电子方程 牛顿定律
E
B 0 t E /
B 0
ρ ，j
dp e( E v B) dt
边界条件
HPM 相互作用示意图
对于大多数高功率微波(HPM)源，波的增长总是伴随着这种或那种方式
O
型
M
型
空间电荷
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。 特点：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 vd | E B | / | B |2 与波的相速度vp 相等 特点：阻抗低，输入电压和电流可以很高，但往往效率很低。
高功率微波器件的初步优化设计
２ ０ １ ３年 １ ２ 月
太 赫 兹科 学 与 电子信 息 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ．Ｔ ｗｏ ＨＰＭ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ － Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ Ｉ ｎ ｓ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｌｉ ｎ ｅ ０ｓ ｃ ｉ １ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｆ ＭＩ Ｌ ０）ａ ｎ ｄ Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ
（ 北 京 应用 物 理 与 计 算 数学 研 究 所 ，北 京 １ ０ ０ ０ ９ ４ ）
摘 要 ：将遗 传算 法 与全 电磁 粒 子模拟 算法 有机 融合 ，研 制 出二 维全 电磁 粒子模 拟 并行优 化 程 序 。据 此对 高 功 率微 波源器 件——磁 绝 缘线振 荡 器（ ＭＩ Ｌ Ｏ ） 和 超辐 射返 波 管（ Ｓ Ｒ Ｂ ＷＯ ） 进 行 优 化 设
ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ａ ｍ－ ｗａ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｓ ｓ ｅ ｔ ａ ｓ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｏ ａ ｌ ， ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ＭＩ ＬＯ ｉ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ ａ ｌ ｏ ｎ ｅ ｂ ｙ ３ ８ ＿ ８ ％ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｌ ｍｏ ｓ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｅ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｐｏ ｗｅ ｒ ；ｗｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐｅ ａ ｋ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｉ ｓ ｓ ｅ ｔ ａ ｓ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｏ ａ １ ．ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ａ ｋ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｏ ｆ Ｓ Ｒ ＢＷ Ｏ ｈａ ｓ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ３ ７ ． ５％ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ａ ｍ—ｗａ ｖ ｅ
微波有源器件设计与制作
微波有源器件设计与制作微波有源器件是现代通信领域中不可或缺的关键元器件，具有极高的工程应用价值。
其设计与制作是微波通信领域的重要研究课题之一。
微波有源器件包括放大器、稳频振荡器、混频器、开关等，它们可以在微波通信、电子对抗、雷达等领域发挥重要作用。
微波有源器件有许多设计方法和制作技巧，其目的是达到可重复、稳定、可靠的电特性。
我们需要考虑其频率范围、噪声系数、功率饱和度、线性度、稳定性等方面。
微波有源器件的设计与制作通常需要经历多步骤，如原理分析、参数计算、仿真设计、工艺选择、器件制作、测试验证等。
放大器是微波有源器件中最基础的一种。
其作用是将输入的微弱信号放大到一定幅度以便进行后续处理。
放大器的性能指标有增益、噪声系数、带宽、线性度等。
可使用微波管、晶体管、集成电路等不同器件进行实现。
其中，晶体管是应用最广泛的选择之一。
在微波有源器件中，稳频振荡器是产生微波信号的重要器件之一，其通过反馈回路控制正放大器产生谐振状况。
稳频振荡器的性能指标有频率稳定度、功耗、相噪声等。
简单的稳频振荡器采用RC振荡器，而高性能稳频振荡器通常使用石英晶体振荡器或采用PLL锁相环技术实现。
混频器是实现微波信号调制和解调的器件。
其原理是将射频信号与本振信号进行混合，得到中频信号后进行后续处理。
混频器的性能指标有转换损耗、隔离度、LO抑制度等。
混频器的设计通常采用单倍频、倍频、反相器等方式实现。
开关是微波有源器件中广泛使用的器件之一，其通常用于开/关微波信号的通路，或者进行信号控制选择。
开关的性能指标有插入损耗、隔离度、控制电压等。
其设计中需要考虑负载匹配、控制电路等方面。
开关的实现可以使用PIN二极管、混合器等多种器件进行。
微波有源器件的制作需要灵活选择不同的工艺流程，包括悬浮基片工艺、HTES（新型高温共烧电路技术）、集成电路工艺等。
其中，集成电路工艺具有成本低、可重复性好等优点，但需要使用先进的工艺设备。
而使用新型高温共烧电路技术可以实现高性能的微波有源器件，其成本相对较低且具有良好的适应性。
典型半导体器件的高功率微波效应研究
典型半导体器件的高功率微波效应研究典型半导体器件的高功率微波效应研究近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，对高功率微波器件的需求也越来越高。
在这个背景下，典型半导体器件的高功率微波效应研究引起了广泛的关注。
本文将着重探讨典型半导体器件在高功率微波环境下的行为和性能。
首先，我们来介绍一下什么是典型半导体器件。
典型半导体器件包括二极管、晶体管、场效应管等。
这些器件都是由半导体材料构成的，并且在电路中起着重要的作用。
在高功率微波环境中，典型半导体器件所受到的能量和压力将显著增加，因此其行为和性能也会发生变化。
在高功率微波环境中，典型半导体器件的第一个重要问题是能量吸收和散热。
当高功率微波信号经过半导体器件时，一部分电磁能量将被器件吸收，而吸收的能量会被转化为热能。
因此，器件的温度会升高，如果温度过高，就会导致器件的损坏甚至失效。
因此，提高典型半导体器件的散热性能成为了研究的重点。
除了能量吸收和散热问题，典型半导体器件在高功率微波环境中还面临着其他问题。
例如，器件的非线性特性会受到电磁场的影响，导致输出信号的失真。
此外，高功率微波信号还会引起器件的非平衡效应，使得器件的电路特性发生变化。
这些都给典型半导体器件的设计和应用带来了很大的挑战。
针对典型半导体器件的这些问题，研究者们采取了多种方法来解决。
一方面，他们通过改进材料的热导率和散热结构，提高器件的散热性能。
另一方面，他们利用器件的非线性特性和非平衡效应，设计出更加适应高功率微波环境的电路结构。
此外，一些新型器件材料的引入和微纳加工技术的应用也为典型半导体器件的高功率微波效应研究带来了新的思路和方法。
总体来说，典型半导体器件的高功率微波效应研究具有重要的理论和应用价值。
通过深入研究器件在高功率微波环境中的行为和性能，可以为半导体器件的设计和应用提供更准确的参考和指导。
此外，对典型半导体器件的高功率微波效应研究还可以为高功率微波技术发展提供技术支持和创新思路。
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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
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 HPM通信：
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
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 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。 合成孔径雷达：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
峰值功率超过100MW 频率范围在0.3－300GHz之间 波长跨越厘米波和毫米波的脉冲电磁辐射
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）
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Pavf2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
MILO的基本结构
相互作用区域中的电子除了沿轴向运动外，还有从阴极到阳极的一个横
向漂移运动
2 vz c( E B) / B c Er 0 / B 0 Er / B 0 vz 0 vz
由于结构上的差异，演化方程和电子运动方程与O型器件是不同的
微波的，所以等离子体研究中的波-粒相互作用理论可直接 运用HPM研究 HPM文化更接近于等离子体文化，而不是普通微波文化
将电子的动能转换成微波电磁能的过程一般发生在
波导
谐振腔
波导作用：以某种方式把场的频率和空间结构调整到最适宜
从一定的电子振荡固有模式中提取能量
不同尺寸和形状的波导可以传播不同模式(TM或TE模)的波， 波的特性由色散关系来描述
HPM的发展与应用
HPM源器件分类及其基本理论基础
世界工作简单评介
定向能武器（DEW）
未来目标和发展
洛斯阿拉莫斯科国家实验室研制的ISIS 英国 原子能管理局（AEA）研制的MAGIC 和MAGIC3D；
科学应用国际公司（SAIC）研制的MASK和 ARGUS
这些软件在美国和俄罗斯的高功率微波源的发展过程中起到了关键的作 用。 目前国内已引进一些高功率微波源的模拟软件，其中主要是MAGIC和 KARAT软件等。这些软件在我国的高功率微波源的研制中发挥了积极 的推动作用。 研制越来越好的HPM模拟软件的关键： 实验与数值模拟协同工作，以交替的方式共同发展。 只有理论、数值模拟和实验紧密配合，才能有助于HPM源的研究
d j dt j t v jz j q q vE v E 2 2 jz z z mc mc
(s)
(s)
场方程
电子能量方程
电子相位方程 演化方程
d j dt
j t
v jz
j z
kv jz
Id vg E * (rb ) exp(i j ) pz t z u
2 2 k z2c 2
截止频率
•任何一个具有截止频率低于入射信号频率的模式都可以携带波能量
场方程-Maxwell方程
1 E B j c t
“求和过程”
电子方程 牛顿定律
B E 0 t E /
B 0
4 接受天线、5 高频电磁波整流器 6 变电设备 7 有线电网
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
环保工程等方面都有广泛的应用前景
HPM的发展与应用
HPM源器件分类及其基本理论基础
世界工作简单评介
定向能武器（DEW）
未来目标和发展
1 HPM源器件的分类
HPM的发展原动力主要来自于军事需求
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 wa展应用简介 Development and Appling of High Power Microwave(HPM)
HPM的发展与应用
HPM源器件分类及其基本理论基础
世界工作简单评介 定向能武器（DEW） 未来目标和发展
电磁波谱及主要产生方式
1 高功率微波(high power microwave-HPM)
其结构和物理特性的研究引起人们愈来愈多的兴趣和关注
目前MILO已经成为所有HPM器件中单脉冲比微波能量输出最高的器件 之一
利用全电磁方法，通过方法的改进，其基频由L波段可以提高到C波段，
若同时加大阴极半径，利用高次谐波在X波段可获得270MW的输出功 率 已有报道，磁绝缘传输线振荡器(MILO)在L波段已获得1.5GW的峰值功 率和300J的微波能量
jz v jz c E pr 4 1 exp(i j ) c.c. B 0
MILO管中电子轮辐的模拟
MILO的主要缺点是效率不高，只有2%的输入功率可用来参与RF能量
交换 近年来，国内从事磁绝缘传输线振荡器(MILO)研究的队伍日渐壮大，
MILO与其它器件不同之处：不需外加磁场，其直流磁场是由通过管子的 器件内部电流提供的，这个直流磁场与正交的直流电场一起决定了电子 的漂移速度，这样磁绝缘传输线振荡器(MILO)自身产生的直流磁场可抑
制电子从阴极到阳极的发射，这种自绝缘机制和低阻抗性质可杜绝引阳
极之间的电子击穿，并允许管子操作非常大的输入输出功率。
O
型
M
型
空间电荷
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。 特点：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：
2 的漂移速度 vd | E B | / | B | 与波的相速度vp 相等
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
特点：阻抗低，输入电压和电流可以很高，但往往效率很低。
2 HPM研究的理论基础
等离子体物理和相对论电动力学 HPM器件的两种工作状态
放大器(Amplifier)
振荡器(Oscillator)
HPM器件：通过电子束与电磁场的相互作用来产生高功率
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
1 电源 2 电磁波发生器 3 发射天线
微波武器
定向能武器（DEW）
激光武器 微波或射频武器 荷电粒子束武器
HPM武器的优点：
（1）不存在严重的传输问题 （2）全天候 随着微波技术与器件的发展，现代武器及军用设备都包含越来越多的电子元器 件，它们很容易遭 到高能 量脉冲功率的伤害； 随着微电子技术的发展，一个芯片上集成的元器件超过3亿个，使其受损阈值 大大降低
4 HPM研究方法
特点（1）HPM器件中波-束相互作用很复杂，很难进行精确的解析分析 （2）高功率微波源的实验设计和研制费用很高
HPM源研究的重要手段是计算机模拟。
随着HPM源技术的发展，HPM的研究人员越来越要求计算物理学家能用 计算机定量设计HPM源，使其满足特定的性能要求
在HPM源的二维和三维设计中，用的最广的是PIC（particle in cell）。用
ρ ，j
dp e( E v B ) dt
边界条件
HPM 相互作用示意图
对于大多数高功率微波(HPM)源，波的增长总是伴随着这种或那种方式
的电子群聚 ，电子束的群聚就是电子的相位被调制，群聚迫使所产生 的波具有相干性。
3 基本原理
切仑可夫 (Cherenkov) 器件（ O型）
由于HPM具有比普通微波功率大、能量强、频率高的特点，所以它在 通信、雷达和其它民用领域的应用也非常广阔。
通信
在信息量方面，信息容量与频带宽度和中心频率成正比，信息量越大越复杂，就 需要越宽的频带和越高的频率。HPM通信可以载负更多的信息量，满足当今社会 信息容量极度膨胀、信息速度迅速增长的需要。 微波通信：
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
随着制作加工技术的提高，行波管(TWT)和返波管（BWO）在结构设计和手段 上不断推陈出新：
用一个均匀波导将周期结构分成两部分 以抵消反射，或在结构上增加反射腔 ， 用于进行预群聚，目的是增加了输出效率和功率