高功率微波功率合成技术概述

高功率微波功率合成技术概述

张金恒1应征2

1.江南机电设计研究所，贵州贵阳，550009
2.空装驻贵阳第一军代表室，贵州贵阳，550000

摘要：随着高功率微波在微波定向能、核聚变等离子体加热、无线电能传输等多领域的应用不断扩大，更高功率的高功率微波产生技术亟需发展。由于传统的单个高功率微波源存在内部场强击穿造成功率容量受限的问题，难以实现单个高功率微波源产生几十GW的高功率微波，功率合成将是唯一可选择的技术途径。本文主要阐述两种高功率微波功率合成技术，即通道功率合成技术和空间功率合成技术，通过分析两路微波源功率合成时幅值比和相位差对合成效率的影响，得出在两路微波源等幅同相时合成效率最高。通过分析该技术的应用前景，阐述功率合成技术攻关情况和存在的技术瓶颈问题。

关键词：高功率微波；功率合成技术

1　前言

高功率微波（High Power Microwave, HPM）技术是20世纪70年代以来随着脉冲功率技术发展产生的一门新兴学科，是脉冲功率技术与等离子体物理及电真空技术结合的产物。HPM通常是指峰值功率高于100 MW，频率在100 MHz-300 GHz的电磁脉冲，通常产生这种电磁波的源是一种运行在相对论电子束条件下的装置。HPM的若干应用要求在相当远处获得高场强，既希望获得尽可能高的总功率，又希望获得尽可能高的有效辐射功率。由于单个微波源的输出功率及器件本身功率容量限制，必须采用多个相干源进行功率合成的技术途径。从脉冲功率源的角度来看，单个器件其阻抗较高，需要多个源并联工作以便与低阻抗脉冲功率源相匹配；另外单个天线面积有限，希望利用多个相干辐射源组成天线阵列以获得更高的等效辐射功率。

2　高功率微波功率合成技术

功率合成可分为通道合成和空间合成两种。将两方法联合使用，可称为混合合成。通道功率合成系指在天线辐射之前，将若干个微波源进行功率合成，合成后的微波功率一起送到天线发射出去，如图1（a）所示；空间功率合成则是每个微波源按幅相调节后，分别送给每个天线元，在空间进行辐射功率合成，如图1（b）所示。

图1　功率合成原理示意图

以上两种功率合成方式都是需要两个及以上的微波源作为输入，若在输入的多个微波源的频率和相位相同条件下的功率合成称为相干功率合成，反之称为非相干功率合成。其中非相干功率合成机制的HPM源技术研究较早，具有不需要锁相、风险低、成本可控等优点。相干功率合成机制的HPM源研究起步相对较晚，且总体功率水平较低，需要锁相，较难达到超过单管功率3GW输出水平，调制器、HPM源数量多，成本相对较高。相干功率合成需要各个微波源的频率和相位一致，合成效率通常高于非相干功率合成的效率，能够长时间稳定工作。

当两路信号在同频情况下功率合成时，合成效率和两路信号的相位差、幅度比可由下式表示:

（1）

式中：

——两路微波能量合成效率；

——两路微波信号幅值比；

——相位差；

由式（1）知，合成效率主要受两路信号相位差和幅度比的影响。所以，与传统微波合成输出技术相比，HPM合成输出在频率和相位稳定性、功率幅度和持续时间等方面的需求还具有较大不同。HPM源输出的频率和相位受多种因素影响，较难输出稳定的频率和相位；产生HPM的电脉冲通常在数十到百ns左右，对比微波脉宽，HPM源高压气体开关的触发具有较大的抖动，难于实现完全同步；HPM耦合输出装置在过模波导下工作，需具有足够高的功率容量。

表1　相应幅相差下功率合成效率

3　技术应用前景

高频率与高峰值功率是HPM领域不断追求的目标。目前，基于各类不同束-波互作用机制的HPM产生器件，例如契伦科夫器件、正交场器件、渡越时间效应器件和自由电子激光等，都可以实现脉宽十几到几百纳秒，峰值功率GW级甚至十几GW级的HPM输出。其中，俄罗斯研制的X波段多波契伦科夫发生器与美国研制的L波段相对论速调管放大器都获得了15 GW的微波输出，是已公开报道的单个HPM产生器件的最大输出功率。但是，由于HPM产生的物理机制、器件工艺结构及材料性能等因素的制约，在向更高频率、更高峰值功率进一步迈进时，这些典型的HPM器件都存在强电场击穿、输出微波脉冲缩短等物理障碍，制约了单管HPM器件峰值功率的进一步提高。单个HPM器件受物理性能和加工工艺限制，其辐射功率存在上限，而

HPM在实际应用中需要愈来愈高的辐射能量，需进一步提高功率合成器合成效率、输出功率容量，扩展工作带宽，提高工作频率。为满足实际应用需求，进一步提高输出微波功率，将多个HPM产生器件的输出微波进行功率合成成为HPM技术发展的重要方向之一。

4　结论

随着HPM技术的发展和对更高功率的HPM的应用需求，HPM合成技术近年来己受到国内外学者的广泛关注。本文分析了HPM通道合成技术和空间合成技术的原理，通过原理提取了目前HPM合成技术中相干合成技术和非相干合成技术的难点和关键技术攻关情况，结果表明：由于HPM非相干合成技术涉及的过模波导滤波合成技术和微波强场击穿机理研究和HPM相干合成技术涉及的锁频锁相控制技术仍是具有挑战的领域。因此，HPM合成中仍有许多涉及到传输发射领域亟待解决的瓶颈问题，需要对物理机制深化理解和研究分析。若能突破功率合成技术瓶颈问题，将对更高功率的高功率微波源发展具有重大意义。

参考文献

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