高功率微波模擬源研究現(xiàn)狀

西安電子工程研究所 馬世川 張 帆 金兆鑫

高功率微波源是高功率微波技術(shù)的核心器件，也是開展效應(yīng)機理研究的基礎(chǔ)部分。本文列舉了國內(nèi)外多種典型的高功率微波模擬源，著重介紹了西安電子工程研究所研制的寬帶高功率微波模擬源，經(jīng)過測試其遠(yuǎn)場輻射因子可達(dá)271kV，工作中心頻率為300MHz，百分比帶寬約為52%，是一種典型的寬帶高功率微波輻射系統(tǒng)，可用于寬帶高功率微波電磁環(huán)境的模擬。

高功率微波是強電磁脈沖的一種，其頻率在300MHz～300GHz之間、峰值功率高于100MW。高功率微波自問世以來便受到世界各國的重視，對高功率微波技術(shù)的研究主要包括高功率微波源、高功率微波效應(yīng)機理以及高功率微波武器系統(tǒng)，其中高功率微波源是高功率微波技術(shù)的核心器件，也是開展效應(yīng)機理研究的基礎(chǔ)部分，其按頻譜劃分一般可分為寬帶高功率微波源和窄帶高功率微波源，其中寬帶高功率微波由于有較快的上升沿以及較寬的頻譜范圍（百分比帶寬大于1%），故其易于與目標(biāo)耦合和相互作用，對電子設(shè)備和系統(tǒng)造成降級或毀傷，因此本文以寬帶高功率微波源為例進(jìn)行敘述。

1 國外高功率微波模擬源

美國及歐洲軍事強國非常重視其武器裝備在高功率微波電磁環(huán)境中的承受能力，1997年美國國防部在進(jìn)行了一系列高功率微波試驗，目的在于探索高功率微波在現(xiàn)場發(fā)射試驗與鑒定中的應(yīng)用，建立和驗證高功率微波試驗設(shè)施中所需的基礎(chǔ)設(shè)施，其中美國空軍研究實驗室研制的JOLT是典型的超寬譜型寬帶高功率微波發(fā)生系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)利用諧振變壓器將50kv輸入電壓提高至1.1MV，輻射采用半拋物面沖擊輻射天線（IRA），天線直徑約為3m，系統(tǒng)輸出遠(yuǎn)場輻射因子（輻射場主軸方向某點場強峰值與該點至輻射源距離乘積）可達(dá)5.3MV，重復(fù)頻率可達(dá)200Hz。

圖1 美國空軍研究實驗室研制的寬帶高功率微波系統(tǒng)JOLT及其輻射波形

圖2 美國APELC公司研制的可調(diào)式寬帶高功率微波模擬器及其輻射波形

圖3 德國DIEHL集團(tuán)研制的手提箱式寬帶高功率微波模擬源及其輻射電場波形

圖4 瑞士armasuisse HPM Laboratory實驗室高功率微波振蕩器及輸出波形

圖5 小型超寬譜高功率微波輻射系統(tǒng)及輸出波形

圖6 Marx發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖及輸出波形

2010年美國APELC公司推出了Portable Effects Test Source，如圖2所示，該模擬源工作中心頻率有250MHz以及400MHz兩種模式，可通過更換天線來實現(xiàn)這兩種模式的互換，因此其輸出遠(yuǎn)場輻射因子也可調(diào)節(jié)，其范圍為20kV～250kV，其重復(fù)頻率同樣可以調(diào)節(jié)，其范圍為0.1～200Hz。該公司具有系列化的各種緊湊型Marx發(fā)生器，可為寬帶高功率微波環(huán)境提供脈沖驅(qū)動源。

德國長期注重于高功率微波技術(shù)的研究，最主要的是DIEHL集團(tuán)，其研制成功了多種手提箱式寬帶高功率微波模擬源，其Standard F型如圖3所示，該模擬源的工作中心頻率為350MHz，總重約32kg，體積500mm×410mm×200mm，在很多用戶的寬帶高功率微波效應(yīng)研究中被應(yīng)用。

瑞士在高功率微波模擬源方面的研究也頗有進(jìn)展，其中armasuisse HPM Laboratory實驗室研制了一款頻率范圍為400～600MHz、輸出遠(yuǎn)場輻射因子最大值可達(dá)30kV的高功率微波源，它是由30kV左右直流電壓源充電，然后通過閉合在振蕩器左端的高壓氮氣開關(guān)來放電。圖4所示為其振蕩器模型及輸出波形。

2 國內(nèi)高功率微波模擬源

國內(nèi)對寬帶高功率微波環(huán)境模擬源的研究主要有中國工程物理研究院、國防科技大學(xué)、西北核技術(shù)研究所、電子科技大學(xué)、西安電子工程研究所等單位。西北核技術(shù)研究所具有很強的科研實力以及技術(shù)儲備，是國內(nèi)最早開始研究高功率微波技術(shù)的科研院所之一，在2001年自行研制成功峰值功率為為1GW的緊湊型Tesla高重頻超寬帶高功率微波輻射系統(tǒng)，于2013年研制出的小型超寬譜高功率微波輻射系統(tǒng)其中心頻率為520MHz，輸出遠(yuǎn)場輻射因子達(dá)到75kV，如圖5所示，在2016年又研制成功了一種百kV級緊湊型Marx發(fā)生器。

圖7 一種寬帶高功率微波模擬器

圖8 寬帶高功率微波模擬源重復(fù)頻率電場及頻率處理波形

中國工程物理研究院研制出一種低阻抗緊湊型Marx直接驅(qū)動型高功率微波源，Marx發(fā)生器可獲得600kV，50kA的脈沖輸出，脈沖上升時間小于100ns，輻射的最大微波峰值功率約為400MW，微波脈沖半高寬約60ns，輻射頻率為1.23GHz。如圖6所示。

西安電子工程研究所為開展寬帶高功率微波電磁環(huán)境模擬和效應(yīng)試驗，研制了一款寬帶高功率微波模擬源，該模擬源主要由高壓直流電源、自觸發(fā)式Marx發(fā)生器、寬帶諧振天線以及拋物反射面組成，如圖7所示。基于系統(tǒng)未來滿足不同頻率輻射波形的考慮，該模擬源通過脈沖驅(qū)動源來直接激勵寬帶諧振天線，并使用不同頻帶的天線來實現(xiàn)不同頻率范圍的寬帶高功率微波環(huán)境模擬，反射面天線直徑1.2m，焦徑比約為0.36，試驗過程中寬帶諧振天線的中心置于反射面的焦點處，系統(tǒng)采用220V交流供電，通過光纖在遠(yuǎn)程對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。

在測試過程中，為了降低地面對輻射波形的影響，輻射系統(tǒng)離地高度約為1.5m，在距離輻射主軸10m處放置TEM喇叭天線，通過TEM喇叭天線對其輻射波形進(jìn)行采集，TEM喇叭天線采集到的波形經(jīng)屏蔽測試電纜、脈沖衰減器傳輸后記錄到寬帶示波器，利用示波器對其進(jìn)行FFT運算分析，并在同一界面顯示。圖8所示為該模擬源在重復(fù)頻率為20Hz的條件下連續(xù)工作200次的電場波形以及其FFT變換后的頻譜波形，從圖中可以看出，電場波形以及FFT變換后的頻譜波形重合度均較好，由此可見該模擬源輻射性能穩(wěn)定。該模擬源的遠(yuǎn)場輻射因子最大可達(dá)271kV，工作中心頻率300MHz，百分比帶寬約為52%，是一種典型的寬帶高功率微波輻射系統(tǒng)，可用于高功率微波電磁環(huán)境的模擬，并且通過替換諧振天線，可實現(xiàn)輻射頻段范圍調(diào)整。

總結(jié)：作為高功率微波技術(shù)的核心器件，世界各國都十分重視對高功率微波源的研究工作，而實用、高效的微波源又是研究的重點。目前，高功率微波源發(fā)展的主要趨勢為小型化、系統(tǒng)化以及實用化，世界各國都加快了新型高功率微波源的研制并展開效應(yīng)試驗研究。本文列舉了國內(nèi)外多種典型的寬帶高功率微波模擬源，根據(jù)相關(guān)研究研制了一款寬帶高功率微波模擬源，可用于高功率微波電磁環(huán)境的模擬。