高功率微波技術

高功率微波技術指平均功率在千瓦以上或峰值功率在幾百千瓦以上的微波信號的產生、傳輸、測量和套用等技術。

基本介紹

• 中文名：高功率微波技術
• 外文名：High power microwave technology
• 拼音：gāo gōng lǜ wēi bō jì shù
• 類型：微波技術

發展背景

微波技術從低功率到高功率的發展過程與微波管的發展密切相關。自20年代發明磁控管、30年代發明速調管以來，高功率微波技術有了相當的發展，已研製出很多基於不同原理、可產生或放大高功率微波信號的管種。

產生方式

高功率微波能的產生獲得高功率微波能量有兩種方式，即直接振盪式和放大鏈式。
微波振盪器

有微波三極體與四極管振盪器、磁控管振盪器、返波管振盪器和迴旋管振盪器等，可將電源能量直接轉變為微波能量。

微波放大器　

由於套用場合和技術要求的不同，僅對頻率穩定性和指標要求不高的系統採用直接振盪式高功率振盪器，而大多數微波系統均採用放大鏈式，因為單級放大器不能提供足夠的增益，常用兩級或多級放大器級聯（圖1）,以足夠的增益達到所需的功率電平。此外,還可採用功率合成技術（圖2），將兩個放大輸出的等幅同相的微波信號通過微波電橋合成輸出。

高功率脈衝微波技術　

用脈衝調製器在脈衝雷達、高能加速器等套用中形成高電壓、大電流的脈衝，用來調製微波振盪器，使之產生高功率的微波脈衝信號。大功率脈衝調製器有長線儲能式軟性調製器、電容儲能式剛性調製器和固態調製器等。所要求的脈衝高壓與峰值功率有關，其值可達幾萬伏甚至幾十萬伏。
高功率微波能量的傳輸

常用同軸線或波導傳輸系統，其功率容量與截面的幾何尺寸有關，截面尺寸越大，則功率容量越大。而對同一尺寸的傳輸系統，波長越接近截止波長，功率容量就越低。在常規環境條件下，系統所能安全傳輸的微波功率僅為系統功率容量理論值與安全係數的乘積，例如矩形波導的安全係數為1/3～1/2。
提高微波傳輸系統的功率容量，需要解決耐峰值功率的擊穿問題和耐平均功率的溫升問題。擊穿與傳輸系統的氣壓、溫度、濕度有關，傳輸系統的峰值功率容量近似地與氣壓的5/4次方成正比,與絕對溫度平方成反比。因此，增加傳輸系統的氣壓、降低空氣濕度、保持系統內乾燥是提高耐功率的有效措施。若在傳輸系統內充以沸點低、無毒、無腐蝕性的氣體,如SF6或CCl2F2等，可使傳輸系統的峰值功率容量提高3～5倍。系統內各種微波元件的匹配狀況也影響峰值功率容量。在駐波比小於1.5的情況下，功率容量近似與駐波比成反比。此外,調製脈衝的占空係數也與峰值功率容量有關。重複頻率越高，脈衝寬度越大，則峰值功率容量越低。溫升問題可採用改善環境條件和強制冷卻等辦法解決。
高功率微波測量技術 　

高功率微波系統的主要技術指標為功率、效率、增益、頻率穩定性、幅頻特性、相頻特性、頻譜、壽命、穩定性和可靠性等，這些技術參數的測量大部分是通過耦合元件在低功率電平下進行的。
高功率負荷器　

通常採用碳化矽或對高頻能量吸收較大的金屬材料作為吸收材料來製造高功率負荷器。隨著微波功率的不斷提高，特殊的高功率負荷器一般是在波導或同軸線內，用玻璃或其他介質材料做成能減小負荷的反射的楔形外殼，內充水、油或其他液體作為吸收微波能量的介質，通過外循環系統散熱。
高功率的直接測量　

在水負荷中，用熱電偶檢測進出水的溫差，並測出水流量，按熱力學公式P=4.18Q墹t來計算功率。式中P為功率(千瓦);Q為流量(升/秒)；墹t為溫升(℃)。
微波固態功率技術 　

固態微波器件發展迅速，主要有微波矽三極體、砷化鎵場效應管、體效應管、耿氏管和雪崩二極體等，可組成各類振盪器、放大器及放大鏈。它們在可靠性、長壽命等方面有明顯的優點，但單管功率容量無法與兆瓦級的高功率器件相比。用幾十個甚至上千個放大鏈組件可合成功率高達幾十千瓦的微波系統。

參考書目

M.I.斯科爾尼克主編,謝卓譯：《雷達手冊》,國防工業出版社,北京，1978。(M.I.Skolnik,Radar Handbook,McGrawHill,Inc.,New York,1970.)