进，其行为特性有很大的改善；另一方面，涌现出了许多像
相对论速调管(relativistic klystron)、虚阴极振荡器(vircator) 等一大批依赖强电流的高压运行器件，同时也随之出现了一 些专门以相对论效应为基础的器件，如我们所熟悉的回旋管 (grotron)、切仑可夫器件(Cherenkov)、自由电子激光(Free Electron Laser，简称FEL)等
快速实现无线宽带接入功能、建设局域微波通讯网提供多种网 络服务
覆盖范围广、通信距离远 HPM通信：
传送话音、数据、视频和图象等各种信号，且具有很强的通用 性
高效传输、高信息量、高保密性
雷达
高功率可以提高雷达的作用距离， 高重复速率可以改善雷达的分辨率高 可以预言，高功率微波必将把雷达代入一个更高的技术水平和崭新的发展领域。 合成孔径雷达：是一种在距离向采用脉冲压缩，方位向采用合成孔径 原理的高分辨雷达。基本原理：相当于一个二维脉冲压缩滤波器
峰值功率超过100MW 频率范围在0.3－300GHz之间 波长跨越厘米波和毫米波的脉冲电磁辐射
高功率微波源分
高平均功率源（宽带源）
高峰值功率源（窄带源）
性能指标：品质因子Pavf2(Pav为平均功率，f为频率)
在热核聚变、等离子体加热、先进的高能粒子
加速器和对撞机、高效通信和RF武器等需求的
强大驱动力下，微波器件的品质因子Pavf2以每 十年增长一个数量级的速度增长，从实际需求 看，当今和未来HPM技术正向着高功率、高效 率、宽频带的目标发展
MILO的基本结构
相互作用区域中的电子除了沿轴向运动外，还有从阴极到阳极的一个横
向漂移运动
2 vz c( E B) / B c Er 0 / B 0 Er / B 0 vz 0 vz
由于结构上的差异，演化方程和电子运动方程与O型器件是不同的
微波的，所以等离子体研究中的波-粒相互作用理论可直接 运用HPM研究 HPM文化更接近于等离子体文化，而不是普通微波文化
将电子的动能转换成微波电磁能的过程一般发生在
波导
谐振腔
波导作用：以某种方式把场的频率和空间结构调整到最适宜
从一定的电子振荡固有模式中提取能量
不同尺寸和形状的波导可以传播不同模式(TM或TE模)的波， 波的特性由色散关系来描述
HPM的发展与应用
HPM源器件分类及其基本理论基础
世界工作简单评介
定向能武器（DEW）
未来目标和发展
洛斯阿拉莫斯科国家实验室研制的ISIS 英国 原子能管理局（AEA）研制的MAGIC 和MAGIC3D；
科学应用国际公司（SAIC）研制的MASK和 ARGUS
这些软件在美国和俄罗斯的高功率微波源的发展过程中起到了关键的作 用。 目前国内已引进一些高功率微波源的模拟软件，其中主要是MAGIC和 KARAT软件等。这些软件在我国的高功率微波源的研制中发挥了积极 的推动作用。 研制越来越好的HPM模拟软件的关键： 实验与数值模拟协同工作，以交替的方式共同发展。 只有理论、数值模拟和实验紧密配合，才能有助于HPM源的研究
d j dt j t v jz j q q vE v E 2 2 jz z z mc mc
(s)
(s)
场方程
电子能量方程
电子相位方程 演化方程
d j dt

j t
v jz
j z
kv jz
Id vg E * (rb ) exp(i j ) pz t z u
2 2 k z2c 2
截止频率
•任何一个具有截止频率低于入射信号频率的模式都可以携带波能量
场方程-Maxwell方程
1 E B j c t
“求和过程”
电子方程 牛顿定律
B E 0 t E /
B 0
4 接受天线、5 高频电磁波整流器 6 变电设备 7 有线电网
其它方面 高能RF加速器 磁约束等离子体受控热核聚变 材料加工
激光泵浦
环保工程等方面都有广泛的应用前景
HPM的发展与应用
HPM源器件分类及其基本理论基础
世界工作简单评介
定向能武器（DEW）
未来目标和发展
1 HPM源器件的分类
HPM的发展原动力主要来自于军事需求
1937年
第一个腔型器件－速调管(klystron)诞生，随之而来
的是第二次世界大战期间的的科技大爆炸，战争的 需求导致了 磁控管(magnetron)、 行波管(traveling wave tube，简称TWT) 返波振荡器(backward wa展应用简介 Development and Appling of High Power Microwave(HPM)
HPM的发展与应用
HPM源器件分类及其基本理论基础
世界工作简单评介 定向能武器（DEW） 未来目标和发展
电磁波谱及主要产生方式
1 高功率微波(high power microwave-HPM)
其结构和物理特性的研究引起人们愈来愈多的兴趣和关注
目前MILO已经成为所有HPM器件中单脉冲比微波能量输出最高的器件 之一
利用全电磁方法，通过方法的改进，其基频由L波段可以提高到C波段，
若同时加大阴极半径，利用高次谐波在X波段可获得270MW的输出功 率 已有报道，磁绝缘传输线振荡器(MILO)在L波段已获得1.5GW的峰值功 率和300J的微波能量
jz v jz c E pr 4 1 exp(i j ) c.c. B 0
MILO管中电子轮辐的模拟
MILO的主要缺点是效率不高，只有2%的输入功率可用来参与RF能量
交换 近年来，国内从事磁绝缘传输线振荡器(MILO)研究的队伍日渐壮大，
MILO与其它器件不同之处：不需外加磁场，其直流磁场是由通过管子的 器件内部电流提供的，这个直流磁场与正交的直流电场一起决定了电子 的漂移速度，这样磁绝缘传输线振荡器(MILO)自身产生的直流磁场可抑
制电子从阴极到阳极的发射，这种自绝缘机制和低阻抗性质可杜绝引阳
极之间的电子击穿，并允许管子操作非常大的输入输出功率。
O
型
M
型
空间电荷
O型器件：
相对论电子束漂移方向与外加磁场（波的相速度）同向， 利用轴向 慢波结构实现电子束的群聚和波-束相互作用。 特点：频率稳定、波-束相互作用效率高、起振快 但它的高阻抗性质限制了功率的产生和提高，外加高磁场限制了器件 的小型化。
M型器件：
2 的漂移速度 vd | E B | / | B | 与波的相速度vp 相等
相对论电子束的漂移方向垂直与正交电磁场，电子在电磁场作用下
特点：阻抗低，输入电压和电流可以很高，但往往效率很低。
2 HPM研究的理论基础
等离子体物理和相对论电动力学 HPM器件的两种工作状态
放大器(Amplifier)
振荡器(Oscillator)
HPM器件：通过电子束与电磁场的相互作用来产生高功率
无线输电
微波源或激光器、发射与接受天线、微波或激光整流器组成。
其中最关键的器件是将微波（或激光）能量转变为直流电的整流器 主要应用领域：
加电给低轨道军用卫星、
给一些难于架线或危险的地区供应电能、 保证天基定性向能武器系统的电力、 传送卫星太阳能电站的电能、 在月球和地球之间架起能量之桥等
1 电源 2 电磁波发生器 3 发射天线
微波武器
定向能武器（DEW）
激光武器 微波或射频武器 荷电粒子束武器
HPM武器的优点：
（1）不存在严重的传输问题 （2）全天候 随着微波技术与器件的发展，现代武器及军用设备都包含越来越多的电子元器 件，它们很容易遭 到高能 量脉冲功率的伤害； 随着微电子技术的发展，一个芯片上集成的元器件超过3亿个，使其受损阈值 大大降低
4 HPM研究方法
特点（1）HPM器件中波-束相互作用很复杂，很难进行精确的解析分析 （2）高功率微波源的实验设计和研制费用很高
HPM源研究的重要手段是计算机模拟。
随着HPM源技术的发展，HPM的研究人员越来越要求计算物理学家能用 计算机定量设计HPM源，使其满足特定的性能要求
在HPM源的二维和三维设计中，用的最广的是PIC（particle in cell）。用
ρ ，j
dp e( E v B ) dt
边界条件
HPM 相互作用示意图
对于大多数高功率微波(HPM)源，波的增长总是伴随着这种或那种方式
的电子群聚 ，电子束的群聚就是电子的相位被调制，群聚迫使所产生 的波具有相干性。
3 基本原理
切仑可夫 (Cherenkov) 器件（ O型）
由于HPM具有比普通微波功率大、能量强、频率高的特点，所以它在 通信、雷达和其它民用领域的应用也非常广阔。
通信
在信息量方面，信息容量与频带宽度和中心频率成正比，信息量越大越复杂，就 需要越宽的频带和越高的频率。HPM通信可以载负更多的信息量，满足当今社会 信息容量极度膨胀、信息速度迅速增长的需要。 微波通信：
本世纪60年代 由于核武器效应模拟和高能物理理论和技术的发展，促进了 脉冲功率(pulsed power)技术的引入，能量接近于电子静止
能量(510kev)的强流(I> MA)相对论电子束和电压为数兆伏
或更高的高压脉冲的产生已成为现实，这使得高功率微波的 范围得到了扩大。一方面，传统的微波器件在结构上得以改
随着制作加工技术的提高，行波管(TWT)和返波管（BWO）在结构设计和手段 上不断推陈出新：
用一个均匀波导将周期结构分成两部分 以抵消反射，或在结构上增加反射腔 ， 用于进行预群聚，目的是增加了输出效率和功率