什么是高功率微波技术?

什么是高功率微波技术?

[拼音]：gaogonglü weibo jishu

[外文]：microwave high-power technology

平均功率在千瓦以上或峰值功率在几百千瓦以上的微波信号的产生、传输、测量和应用等技术。微波技术从低功率到高功率的发展过程与微波管的发展密切相关。自20年代发明磁控管、30年代发明速调管以来，高功率微波技术有了相当的发展，已研制出很多基于不同原理、可产生或放大高功率微波信号的管种。

高功率微波能的产生

获得高功率微波能量有两种方式，即直接振荡式和放大链式。

微波振荡器

有微波三极管与四极管振荡器、磁控管振荡器、返波管振荡器和回旋管振荡器等，可将电源能量直接转变为微波能量。

微波放大器

由于应用场合和技术要求的不同，仅对频率稳定性和指标要求不高的系统采用直接振荡式高功率振荡器，而大多数微波系统均采用放大链式，因为单级放大器不能提供足够的增益，常用两级或多级放大器级联（图1），以足够的增益达到所需的功率电平。此外，还可采用功率合成技术（图2），将两个放大输出的等幅同相的微波信号通过微波电桥合成输出。

高功率脉冲微波技术

用脉冲调制器在脉冲雷达、高能加速等应用中形成高电压、大电流的脉冲，用来调制微波振荡器，使之产生高功率的微波脉冲信号。大功率脉冲调制器有长线储能式软性调制器、电容储能式刚性调制器和固态调制器等。所要求的脉冲高压与峰值功率有关，其值可达几万伏甚至几十万伏。

高功率微波能量的传输

常用同轴线或波导传输系统，其功率容量与截面的几何尺寸有关，截面尺寸越大，则功率容量越大。而对同一尺寸的传输系统，波长越接近截止波长，功率容量就越低。在常规环境条件下，系统所能安全传输的微波功率仅为系统功率容量理论值与安全系数的乘积，例如矩形波导的安全系数为1/3～1/2。

提高微波传输系统的功率容量，需要解决耐峰值功率的击穿问题和耐平均功率的温升问题。击穿与传输系统的气压、温度、湿度有关，传输系统的峰值功率容量近似地与气压的5/4次方成正比，与绝对温度平方成反比。因此，增加传输系统的气压、降低空气湿度、保持系统内干燥是提高耐功率的有效措施。若在传输系统内充以沸点低、无毒、无腐蚀性的气体，如SF6或CCl2F2等，可使传输系统的峰值功率容量提高3～5倍。系统内各种微波元件的匹配状况也影响峰值功率容量。在驻波比小于1.5的情况下，功率容量近似与驻波比成反比。此外，调制脉冲的占空系数也与峰值功率容量有关。重复频率越高，脉冲宽度越大，则峰值功率容量越低。温升问题可采用改善环境条件和强制冷却等办法解决。

高功率微波测量技术

高功率微波系统的主要技术指标为功率、效率、增益、频率稳定性、幅频特性、相频特性、频谱、寿命、稳定性和可靠性等，这些技术参数的测量大部分是通过耦合元件在低功率电平下进行的。

高功率负荷器

通常采用碳化硅或对高频能量吸收较大的金属材料作为吸收材料来制造高功率负荷器。随着微波功率的不断提高，特殊的高功率负荷器一般是在波导或同轴线内，用玻璃或其他介质材料做成能减小负荷的反射的楔形外壳，内充水、油或其他液体作为吸收微波能量的介质，通过外循环系统散热。

高功率的直接测量

在水负荷中，用热电偶检测进出水的温差，并测出水流量，按热力学公式P=4.18Q墹t来计算功率。式中P为功率(千瓦);Q为流量(升/秒)；墹t为温升(℃)。

微波固态功率技术

固态微波器件发展迅速，主要有微波硅三极管、砷化镓场效应管、体效应管、耿氏管和雪崩二极管等，可组成各类振荡器、放大器及放大链。它们在可靠性、长寿命等方面有明显的优点，但单管功率容量无法与兆瓦级的高功率器件相比。用几十个甚至上千个放大链组件可合成功率高达几十千瓦的微波系统。

参考书目

M.I.斯科尔尼克主编，谢卓译：《雷达手册》，国防工业出版社，北京，1978。(M.I.Skolnik，Radar Handbook，McGrawHill，Inc.，New York，1970.)