高功率微波源

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高功率微波一般是指峰值功率在100MW以上，频率1GHz~300GHz，跨越厘米波和毫米波范围的电磁波，在定向能武器，电子对抗技术，冲击雷达，高能电子RF加速，等离子体加热等领域都有广泛的应用。

图1 美军车载定向能武器

高功率微波源是高功率微波系统的核心部件，被称为高功率微波系统的“心脏”。它通常分为超宽带高功率微波源（带宽大于25%）和窄带高功率微波源（带宽小于10%）。超宽带高功率微波源技术在上世纪九十年代中期就比较成熟,其特点是采用先进的开关技术直接形成一种脉冲宽度很短(ns~ps级)、上升前沿很陡(ps级)、辐射频谱很宽的冲击源。窄带高功率微波源则是通过电子束与波的相互作用产生高功率相干电磁波。近几十年来，在脉冲功率技术、相对论电子学、等离子体物理等学科的发展基础上，窄带高功率微波源快速发展。本文将对窄带高功率微波源进行简单的介绍，为方便起见，下文中的窄带高功率微波源都简称为高功率微波源。

一、高功率微波源的束-波互作用原理
在高功率微波技术的发展过程中出现了多种类型的高功率微波源，但无论哪一种微波源都是通过束-波互作用将电子束能量转化为电磁波能量。下面我们结合图2来简单介绍高功率微波源中的束-波互作用的原理。

（a）          （b）

图2 电子群聚过程

在不考虑电磁波对电子束影响的情况下，进入高频结构中的电子束在纵向是均匀分布的，如图2（a）所示；但考虑到微波在纵向方向上的正弦分布，电子束中一部分电子（如图2（a）中A所示）将处于加速电场中，从电磁波中吸收能量，速度变大，向前追赶之前发射的电子；一部分电子（如图2（a）中B所示）处于零电场处，速度保持不变；还有一部分电子（如图2（a）中C所示）处于减速电场中，部分动能转化为电磁波能量，速度减小，逐渐被后发射电子追赶上。所以在电磁波的作用下电子束会逐渐在零电场附近形成群聚块，如图2（b）所示。当电子的速度等于电磁波的相速度时，电子群聚块将处于零场强位置，电磁波与电子束没有静交换能量；当电子的速度略小于电磁波的相速度时，群聚块将落入加速电场中，电子束将从电磁波中吸收能量；当电子的速度略大于电磁波的相速度时，群聚块将落入减速电场中，电子束的部分能量转化为电磁波能量，电磁波能量得以放大。

以上介绍的束-波互作用是将电子纵向速度转换为电磁波的能量，对于真空器件还存在另一种互作用形式——回旋电子与圆极化的电磁波互作用。在电磁波的横向电场的作用下，电子束形成角向群聚，满足一定的相位关系后群聚块落入减速电场完成能量转换。基于这种互作用形式工作的有回旋管器件等。

二、常见高功率微波源介绍
在高功率微波技术的发展过程中，科研人员研制了多种类型的高功率微波源，由于篇幅原因本文仅挑选其中三种进行简单介绍。

1、虚阴极振荡器
虚阴极振荡器是是基于强空间电荷效应工作的器件，其基本结构和工作原理如图3所示。在电子束电流较小时，电子束对器件内的电势分布影响较小，电子可以顺利地通过器件；随着电子束电流的增大，电子束对器件内的电势分布的影响增大，会在阳极后形成势阱；当电子束电流大于某一电流后，电子束在势阱中的势能将增加到足以抵消电子的动能，从而使得大量电子聚集形成虚阴极。这一电流被称为空间电荷限制电流。

图3 虚阴极振荡器基本结构示意图

虚阴极的形成与发展是一个不稳定的非线性动态过程。一方面，虚阴极有一个与阴极相对于阳极大体相同的负电位，因此虚阴极区的电子会向阳极反射回去，而电子到达阴极附近后，又会被阴极反推回来，电子在阴极和虚阴极之间的来回运动会产生电磁辐射；另一方面，虚阴极区的部分电子被反射后，虚阴极区中电子密度减小，电势降低，虚阴极位置远离阳极，与此同时，阴极发射的电子又不断给虚阴极提供电子，虚阴极区电子密度增大，电势增大，位置向阳极靠近，从宏观上表现为虚阴极的位置随时间和空间振荡，形成电磁辐射。激励起的电磁波与被虚阴极调制过的电子束互作用将增大输出功率。

虚阴极振荡器具有结构简单，输出功率高（L波段的虚阴极振荡器的输出功率可达30~70GW），对电子束质量要求低的优点。但其工作电流大、效率低、频带宽、主频不稳定，输出功率不稳定等缺点限制了虚阴极振荡器的实际应用。

2、磁绝缘线振荡器
磁绝缘线振荡器在阴、阳极间径向电场作用下，阴极发射的电子束在向阳极运动的同时，会产生方位角向的自磁场。当发射电流足够强时，在径向电场与此角向磁场的共同作用下，阴极表面发射出来的电子束流不是直接到达阳极，而是在阴、阳极之间的空间沿方向做漂移运动。阳极圆柱内设置若干叶片形成的同轴波导慢波结构，这种周期结构中的高频场可分解为一系列空间谐波，当漂移电子束与某次空间谐波同步时，便发生束-波互作用。

图4 磁绝缘线振荡器轴线剖面图

磁绝缘线振荡器无须外加笨重的磁场系统，所以是目前脉冲能比（脉冲能比定义为微波脉冲能量除以器件质量）最高的器件。磁绝缘线振荡器可以在L、S、C等较低频段产生脉冲宽度几百ns的GW级微波。并且由于磁绝缘线振荡器的阻抗较小，所以可以在较低电压下获得较高的功率，这也有利于与低阻抗脉冲功率源的匹配。磁绝缘线振荡器的局限在性在于其效率低，一般只有10%左右。这一方面是因为磁绝缘线振荡器需要部分电子直接打在收集极上提供绝缘磁场，另一方面是由于结构原因导致的提取能量困难。

3、相对论返波管
相对论返波管振荡器主要由环形阴极、慢波结构（SWS）、截止颈和引导磁场系统构成。截止颈是一段半径小于器件平均半径的圆波导，防止微波进入二极管区，干扰电子发射。随着技术的发展，多数的截止颈已被反射腔所代替。SWS为相对论返波管的核心部件，一般情况下是一段内壁半径周期变化的波纹波导，它把微波的相速降低到小于真空中的光速，并使微波的相速与电子的速度同步，从而使得电子束与微波进行能量交换。引导磁场用于约束和引导电子束轴向运动。

图5 相对论返波管结构示意图

相对论返波管的工作过程如下：环形阴极发射相对论强流电子束，在引导磁场的约束下，电子束通过截止颈或反射腔进入SWS与结构波的-1次空间谐波互作用。由于-1次空间谐波的群速度（微波能量传输方向）与相速度方向相反，所以先进入SWS中的电子与空间谐波互作用后，微波向截止颈方向传播，后进入的电子与获得能量的电磁相互作用，所以空间谐波被快速放大。空间谐波到达截止颈或反射腔后被反射，最终从输出端输出。

相对论返波管具有高功率、高效率、适合重复频率工作的特点。相对论返波管的微波输出功率超过10GW，效率可达50%左右，可以在GW级输出功率水平下可实现百Hz重复频率工作。但由于相对论返波管需要较大的引导磁场，所以器件尺寸和重量都较大，不利于系统的小型化和轻质化。

三、高功率微波源的发展方向
随着高功率微波技术的发展，发展方向已经从单一追求功率增长转变为实用化研究。为提高高功率微波源的实用性，国内外科研人员对高功率微波源的研究主要有以下几个方面：

1、提高微波源的效率与输出功率。主要通过改进高频结构、注入微波信号对电子束进行预调制等手段来实现。

2、解决脉冲缩短问题，增大脉冲宽度，以提高脉冲微波能量。脉冲缩短问题是指微波输出脉冲宽度严重小于电子束脉宽的现象，是高功率真空电子器件中普遍存在的现象。脉冲缩短问题降低了高功率微波源的辐射能量。

3、重复频率工作。重复频率是高功率微波源实用化的一个重要方向。与单次工作的高功率微波源相比，重复频率工作的高功率微波源增加了三个新的技术难点：一是残余电子收集问题，需要设计收集极，否则大量残余电子打到管壁上会导致热沉积和二次电子发射，影响器件的正常工作。二是阴极工作重复性和寿命问题。三是长时间持续工作的强外加磁场问题。

4、提高装置的紧凑型，实现系统的小型化。对于需要外加磁场的高功率微波源而言，大且重的结构特征是它们实用化的障碍。降低磁场强度，减小器件尺寸和重量是这类器件的一个主要研究方向。

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