基于专利分析的高功率微波武器技术发展研究

2019-11-22王永芳于槟恺王凌云

航空兵器 2019年5期

王永芳，于槟恺，王凌云

(1.中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048；2.北京航天动力研究所，北京 100076)

0 引言

高功率微波武器也称射频武器或电磁脉冲武器，是利用高功率电磁波束攻击敌方电子设备目标和作战人员的一种定向能武器，其特点是全天候、光速攻击、精确打击、面杀伤、丰富的弹药、低成本，主要用于毁伤电子设备，瓦解敌方武器的作战能力，将在空间攻防对抗和信息对抗中发挥重要作用，对新军事变革产生深远的影响[1]。

为了更全面地了解国内外高功率微波武器技术发展情况，本文基于德温特世界专利数据库进行专利检索，共获取了337项相关专利，检索截止日期为2018年10月20日。通过对高功率微波武器全球专利分析，研究全球技术发展趋势、国家或地区技术优势，以及全球主要创新主体的专利申请情况，有助于国内科研单位了解全球高功率微波武器技术的发展动态，洞悉国外技术发展重点和发展方向，从而对国内高功率微波武器技术发展提供参考。

1 技术发展趋势分析

如图1所示，全球高功率微波武器专利申请时段可划分为两个阶段，分别为萌芽期(1977年～2003年)、发展期(2004年～2018年)。近年，在军事需求与技术进步的共同驱动下，高功率微波武器技术呈现快速发展趋势。

图1 高功率微波武器技术全球专利申请趋势Fig.1 Globe patent application trends of high power microwave weapon

1.1 萌芽期

在萌芽期(1977年～2003年)，高功率微波武器技术领域的专利申请较少，年平均申请量在4项左右。此阶段的专利申请涉及高功率微波源器件，主要来自于美国和俄罗斯(包括前苏联)。

在该阶段，俄罗斯高功率微波源技术取得了较大突破，并已经研制陆基高功率微波发射系统样机，其相关专利主要涉及磁控管和加速器的优化设计。

该阶段初期，美国专利主要来自于美国政府，涉及高功率微波系统总体技术。美国国防部从20世纪70年代开始研究微波武器，20世纪80年代，在美国国防部的高功率微波武器发展政策推动下，美国相关专利申请量开始上升。其中，美国在1985年制定的“战略防御倡议”和1987年国防部的“平衡技术倡议”中，均将高功率微波武器列为重点研究项目[2-3]；20世纪90年代，美国国防部还在一些纲领性文件中，将微波/电磁脉冲武器列入发展清单[4]。上述美国发展政策有力推动了高功率微波武器的技术发展，实现了高功率微波源和脉冲源器件的技术突破，促进了专利申请量的上升。

1.2 发展期

在发展期(2004年～2018年)，高功率微波武器技术领域的专利申请量呈现波动式增长趋势，年均申请量达到19项，该阶段的专利申请主要来自于美国、中国、德国和俄罗斯。

在21世纪初期，美国高功率微波武器研制开始从器件技术攻关向系统演示验证阶段过渡，研究部门从政府研究部门和大学转向以军方为主体。其中，美国空军在2004年开始与通用公司合作，研制机载主动拒止系统(ADS)，并制定了高功率微波武器发展规划[4]，于2008年启动CHAMP项目[5]；从2010年开始对老式战机进行改造，对其加载电磁脉冲源，使其可以作为微波武器使用[6]；美国海军在此阶段的试验验证项目包括固定式主动拒止系统和射频车辆制动器项目[7]；另外，美国在2006年完成了天基高功率微波武器系统的建模和仿真试验[8]。这一系列的美军高功率微波武器研制项目的推进，都促使微波武器技术领域的专利申请量上升。

中国从2006年开始出现相关专利申请，并在2012年以后呈现快速增长趋势。中国在该阶段内的高功率微波武器技术主要以器件技术攻关为主，涉及的创新主体主要为高校和研究院所，具体包括中国工程物理研究院、国防科技大学、西安交通大学和电子科技大学等。

德国该阶段的专利申请集中在高功率微波源领域，由德国DIEHL防务公司和德国莱茵金属公司提出，主要涉及无人机高功率微波武器应用。

俄罗斯在该阶段内的专利申请量出现下降，但从俄罗斯公开展示的微波武器Ranets-E和Rosa-E来看，俄罗斯依然十分重视微波武器的研制，且性能指标较高，可用于对抗敌方精确制导武器和雷达系统。该阶段俄罗斯专利申请量下降有可能是受技术保密限制的影响。

另外，2016年～2018年国内外的专利申请量下降，主要是受专利公开时间延迟的影响。其中，发明专利申请自申请日起18个月公布，而PCT专利申请可能自申请日起30个月才进入国家阶段，其对应的国家公布时间就更晚。

2 技术优势国家分析

图2是对各国家或地区的专利技术产出量进行的统计，以了解各国家或地区的技术创新实力。从分析结果来看，高功率微波武器技术领域的专利申请主要来源于中国、美国、欧洲和俄罗斯。

图2 全球区域专利分布分析Fig.2 Patents distribution of global regions

2.1 中国

中国的专利申请量排名第一，占总申请量的37%，共有124项。近年来，中国微波武器领域专利申请量呈现快速增长趋势。这一方面说明，国内技术研发单位在高功率微波技术方面实现了较大技术突破；另一方面，国内知识产权制度日益完善，也促使技术研发单位对技术创新的专利保护意识逐渐增强。

中国的专利申请主要以高功率脉冲功率源和高功率微波源技术为主，分别占中国高功率微波武器专利申请总量的30%和55%。从技术发展调研情况来看，近年来，中国工程物理研究院和电子科技大学作为主要的技术研发单位，在高功率脉冲功率源和高功率微波源方面取得了实质性突破，提升了国内高功率微波技术的研制水平。

2.2 美国

美国的专利申请量排名第二，占总申请量的25%，共有84项专利申请，且在俄罗斯、德国、日本等国家分布了近百件同族专利。

在高功率微波武器关键技术研究领域，高功率脉冲功率源和高功率微波源技术一直是美国陆、海、空各军种微波武器项目的重点研究方向，这两个关键技术领域的专利申请占美国专利申请总量的31%和43%。另外，在高功率微波传输与发射技术方面，美国也在大力推进高增益和高功率容量天线技术研制。

目前，美国的高功率微波武器技术处于世界领先水平。美国地基、海基和空基的高功率微波武器进行了相应试验验证，具备武器装备条件；在天基高功率微波武器方面，美国正处于技术试验验证阶段。

2.3 欧洲

近几年，欧洲的专利申请量上升速度较快，申请总量仅次于中国和美国，共有59项专利。

欧洲高功率微波武器的技术创新主要来自于德国和英国的军事防务公司，包括德国DIEHL防务公司、英国BAE公司，这两家公司均是世界领先的军工企业。其中，德国DIEHL防务公司从2004年到2017年申请了18项高功率微波武器技术专利，并在全球分布了114件同族专利，这些专利主要涉及防暴拒止微波武器和反无人机微波武器研制；英国BAE公司从2007到2017年共公开了19项专利，并在全球分布了53件同族专利，这些专利技术主要用于增强军用飞机的电磁攻击能力。

从技术成熟情况来看，欧洲的防暴拒止微波武器已有成熟产品供应市场[9-10]。其中，德国DIEHL防务公司开发的四个系列的防暴拒止微波武器产品，已出口至十几个国家。另外，欧洲军用微波武器技术也日趋成熟，德国DIEHL防务公司开发的反无人机高功率微波武器已经过试验论证，可用于军事要地防护；英国BAE公司的高功率微波攻击产品用于增强对美国军用飞机的微波攻击能力。

2.4 俄罗斯

在高功率微波武器技术领域，检索获取了43项俄罗斯专利。俄罗斯的技术创新主要集中在高功率微波源技术领域，尤其是高功率微波源器件，其高功率微波源技术领域的专利申请占俄罗斯微波武器专利申请总量的81%。

3 专利技术构成分析

如图3所示，高功率微波武器技术领域的专利申请主要涉及高功率微波源、高功率脉冲功率源、高功率微波传输与发射技术，以及微波武器总体技术。其中，高功率微波源和高功率脉冲功率源的技术储备最多，而高功率微波传输与发射技术则是未来技术突破方向。

图3 全球专利技术构成分析Fig.3 Technology distribution of global patents

3.1 高功率微波源

在高功率微波源技术方面，有195项相关专利申请，主要涉及高功率微波源器件、阴极材料、高功率微波合成技术和微波发生器总体技术。

其中，高功率微波源器件的专利申请量最多，共有124项，涉及相对论回旋管、相对论磁控管、相对论回波管、相对论速调管、磁绝缘振荡器和虚阴极振荡器等。全球的高功率微波源器件专利主要来自于中国和俄罗斯。中国在高功率微波源器件方面的专利申请主要来自于中国工程物理研究院、国防科技大学和电子科技大学，这三个创新主体的专利申请涉及虚阴极振荡器和各种相对论微波器件。俄罗斯的高功率微波源器件专利申请则以虚阴极振荡器和磁控管为主。

另外，用于微波发生器产生电子的阴极，也是高功率微波源的关键技术之一，有22项相关专利，主要来自于美国空军和美国海军。这些专利涉及阴极材料的制备，以及阴极结构设计，用于提高微波发生器的性能。

3.2 高功率脉冲功率源

高功率脉冲功率源的专利申请量排名第二，有87项，主要涉及脉冲功率源总体技术和高功率脉冲开关。

脉冲功率源总体技术的专利主要涉及脉冲形成网络改进、脉冲发生器结构和电路改进，用于提高脉冲功率源的脉宽范围、重复频率、脉冲波形可调性、结构紧凑性等性能。例如，专利US8018096B1利用电感性脉冲形成网络替换传统的电容脉冲形成网络，从而有效减小脉冲功率系统的质量和体积；专利US7989987B2采用光激发Marx型调节器，用于输出高重频、脉宽及波形可调的高压脉冲；专利US7830040B2采用多级传输线取代电容器作为储能元件，提高了脉冲发生器的重复频率、可靠性和结构紧凑型，可满足空基和天基高功率微波武器系统的小型化应用环境要求。

高功率脉冲开关专利涉及气体开关、固体开关、火花隙开关和光导半导体开关。这些专利技术主要用于实现脉冲压缩和提高脉冲重复频率，以满足高功率脉冲功率源的能量快速压缩和释放的需求。例如，专利CN105161979B提供了一种多级场畸变气体火花开关，可以在无吹气条件下高重复频率工作于兆伏级以上电压；专利CN104681646提供了一种碳化硅嵌入式电极平面型光导开关，可以有效提高光导开关的耐压能力，减小器件尺寸。

3.3 高功率微波传输与发射技术

高功率微波传输与发射技术是高功率微波武器的重要基础技术之一，但本项目仅检索到34项相关专利申请。这主要是由于微波武器的传输与发射系统基本上均由常规雷达系统天线经某种改进而成，微波武器的功率水平处于常规天线及传输线的功率容量的上限。但是，随着高功率微波武器实用化的推进，发射功率需要大幅提高，则传输与发射系统将会成为高功率微波武器实用化的瓶颈。在后续的研制过程中，应该将高功率微波传输与发射作为主要的技术突破方向。

3.4 高功率微波武器总体技术

高功率微波武器总体技术专利主要涉及用于定向能打击或非致命拒止的高功率微波武器系统，相关的创新主体包括美国能源部、德国DIEHL集团、雷神公司等。在1990年，美国能源部提出了最早的微波武器总体技术专利；1999年，德国DIEHL集团的专利GB2449220A，涉及一种非致命的电磁武器系统；2004年，雷神公司的专利US7126530B2涉及一种非相干高功率定向能系统及方法。

4 技术创新主体分析

如图4所示，高功率微波武器技术创新主要来自于美国、欧洲和中国。其中，在专利申请量排名前十的创新主体中，美国有3个，分别为美国军队、美国能源部和雷神公司；中国有4个，分别为中国工程物理研究院、国防科技大学、电子科技大学和西北核技术研究所；英国的创新主体为BAE公司，德国的创新主体为德国DIEHL防务公司，法国的创新主体为泰利斯集团。中国工程物理研究院的专利申请量排名第一，共有54项专利申请。作为中国的主要创新主体，中国工程物理研究院从20世纪90年代就开始了高功率微波产生及辐射关键技术研究，并在高功率脉冲功率源、微波源和微波辐射等技术领域取得了一系列的研究成果[11]。其中，在微波源技术领域，中国工程物理研究院大力推进超宽带和超短脉冲技术，在2011年公开报道了自主研制的超宽谱高功率微波辐射系统，该系统的技术指标与2003年美国空军研制的超宽谱高功率微波辐射系统的相关技术指标接近。另外，中国工程物理研究院在近几年采用了一系列改进技术用于设计结构紧凑、可靠性高的Marx发生器，于2014年研制成功了一种主要用于脉冲功率源前级触发用的Marx发生器，该Marx发生器工作范围宽、稳定可靠，很好地满足了高功率脉冲触发系统的要求。

用来挑选锆石的样品11D11-1采自金门水库旁岩体内接触带人工露头(采样点坐标：E 113°35′02″，N 24°16′36″)，岩性为花岗闪长岩。

图4 全球微波武器专利的主要申请人排名Fig.4 Ranking of global patent applicants

美国军队的专利申请量排名第二，共有25项专利申请，包括美国海军8项、美国空军8项和美国陆军7项。20世纪90年代以后，美国高功率微波武器研究部门从政府研究部门和大学转向以军方为主体，美国陆军、海军、空军都通过各自的研究计划开展相应的高功率微波武器技术研究[12]。其中，美国海军在2004年申请的专利US8018096B1，以及美国空军在2005年申请的专利US7245082B1和US7696696B2，在高功率脉冲功率源和高功率微波源研制中具有较大的应用价值。

BAE公司的专利申请量排名第三，共有19项专利申请。该公司在2010年参与了美国空军老式战机改造项目，其中重要的改造内容就是为战机加载电磁脉冲源，使其可以作为高功率微波武器使用。BAE公司在该项目的高功率微波武器系统设计过程中，在美国优先申请了一部分高功率脉冲功率源和高功率微波源相关专利，如专利US8232682B2和US20110084606A1等。

德国DIEHL防务公司的专利申请量排名第四，共有18项专利申请。其中，德国DIEHL防务公司的微波武器主要应用于防暴拒止领域，目前已开发了四个系列的防暴拒止微波武器产品，并已出口至十几个国家。

国防科技大学的专利申请量排名第五，在2011年～2016年共申请16项专利，近年其在高能微波源和高能微波传输与发射技术领域取得一些技术成果。其中，在高能微波技术领域，国防科技大学设计了一种高功率径向线相对论速调管放大器，克服了相对论速管调放大器在高频段应用的瓶颈问题；另外，国防科技大学设计的一种长脉冲切伦科夫振荡器，有效增加了输出脉宽且提高了微波源效率；在高能微波传输与发射技术领域，国防科技大学在缝隙阵列天线设计方面取得较大技术突破，有力促进了国内高功率微波发射天线结构紧凑和功率容量等性能的提高[13]。

俄罗斯核能研究中心和美国能源部的专利申请量并列排名第六，各有11项专利申请;法国泰利斯集团(Thales Group)是世界最大的军用电子产品生产厂商，也是欧洲第三大国防合同商，主营电子和防务系统产品，其在高功率微波武器技术领域申请了9项专利；中国的电子科技大学有8项相关专利，主要涉及高功率微波源。

中国的西北核技术研究所专利申请量与美国雷神公司并列处于第十位，分别有7项相关专利申请。其中，西北核技术研究所作为国内最早开始高功率微波技术研究的院所之一，具有很强的研究实力和技术储备。西北核技术研究所近些年在超宽带、超短脉冲技术，以及高功率微波驱动技术发面取得一些研究成果[14]，如：2001年研制成功了一种紧凑型Tesla超宽谱高功率微波源，2013年研制成功了一种小型超宽谱高功率微波辐射系统，2016年研制成功了一种百千伏紧凑型Marx发生器，相关专利包括CN105161979B 、CN103367852B 和CN103066368B等。

5 国外技术改进方向分析

以下基于美国和欧洲重点专利的分析结果，对国外发展高功率微波武器的技术改进方向进行梳理。

(1)通过脉冲形成网络改进、脉冲发生器结构和电路改进，提高脉冲功率源的脉宽范围、重复频率、脉冲波形可调性、结构紧凑性等性能。

美国海军专利US8018096B1公开了一种适用于高电流、高功率装置的电感型的脉冲形成网络，其利用电感储能代替了传统的脉冲形成网络中的高压电容储能，解决了高功率装置中电容性脉冲形成网络体积、质量庞大的缺点，有助于实现装置小型化设计；专利US20070159760A1通过对脉冲功率源不同模块的灵活设计满足装置脉冲宽度、输出电流、输出电压等参数的宽范围输出；专利US7989987B2提供了一种Marx型调制器，采用多组脉冲形成网络并联使用改善脉冲波形，提高了系统电流输出和能量转移能力，拓宽了负载适用范围；专利US7795758B2涉及一种体积更小、电路更简化的高功率微波产生与发射装置和方法，通过对Marx脉冲高压产生器的机械结构进行紧凑型设计，使Marx发生器本身具备高功率微波发生器和匹配发射天线的功能，不需要单独设计微波发生器和天线即可实现高功率微波的产生与发射，可将高功率微波装置的体积缩小至2/3；专利US7474017B提供了一种Marx型高压发生器，通过合理的结构设计和开关设计，在保证储能不降的前提下降低了高压源的内阻，提升了带载能力，同时在实现数十千瓦平均功率输出情况下能够高重复频率工作；专利US7830040B2提出的螺旋传输线高压脉冲发生器，仅通过多级螺旋传输线的并联充电、串联放电实现了高电压方波脉冲的输出，且通过优化螺旋传输线的制作工艺和安装结构，实现了整个装置的小型轻量化。

(2)对半导体开关和气体开关进行技术改进，提高开关重复频率、降低开关抖动时间，并可通过开关实现脉冲宽度、波形和输出电压调整。

专利US7989987B2的光激发Marx型调制器采用光导型可控半导体开关提高了开关使用寿命和重复频率，并通过控制开关的开通时间调节输出的脉冲宽度和波形；专利US7605632B2的高功率双极脉冲发生器采用线性模式的无源半导体光导开关取代雪崩模式半导体光导开关，使开关的抖动降至皮秒级，实现了对脉冲形状的精确控制以及高可重复性；专利US7474017B为提高开关的重复频率，采用气体管理装置将开关内离子态气体迅速移除，解决开关恢复时间长的缺点；专利CN105161979B提供了一种多级场畸变气体火花开关，可以在无吹气条件下高重复频率工作于兆伏级以上电压。

(3)通过阴极结构、发生器电路、内置电极结构等方面的改进，实现宽频带、高功率、一体化高功率微波源设计。

法国泰利斯集团的专利US20040245932A1提供了一种虚阴极微波发生器，其采用多注反馈型虚阴极，多个阴极能够发射足够多的电子，与传统虚阴极装置相比，可以实现高效率和高频率稳定性，输出脉冲宽度与电压脉冲宽度更加接近且便于调整，进一步提高了微波发生器的实用性；德国DIEHL防务公司的专利US7233084B2提供了一种微波发生器，其采用微波发生器阵列实现高能微波输出，通过调节分布式电容的参数实现不同频段高功率微波的产生；德国DIEHL防务公司的专利US7439677B2提供了一种高功率超宽谱微波发生器，通过在内置电极的顶端连接一个锥形金属结构，实现高能微波辐射，且该微波发生器采用一体化结构设计，有利于微波发生器小型化；德国DIEHL防务公司的专利US8358176B2涉及一种宽频带高功率微波源，其采用多点的放电缝隙结构，并在内部电极的顶端增加一个圆锥状的金属结构，可用于产生并辐射高功率微波；法国原子能和替代能源委员会(CEA)的专利US9496114B2提供了一种采用虚阴极和开放式反射器的微波发生装置，为同轴虚阴极振荡器设计了多级开放式反射器，并通过优化反射器个数、半径以及间距等参数，使微波输出效率随发射器个数的增多而增大。

(4)对相对论磁控管和虚阴极振荡器进行结构改进，提高微波发生器的输出功率和功率转化效率。

美国空军的专利US7245082B1提供了一种用于相对论磁控管的pi模优选阴极结构，通过阴极结构改进，提升磁控管输出功率和能量转换效率；美国空军的专利US7696696B2提供了一种采用透明阴极的相对论磁控管，采用固定在同一半径圆周上的数条平行细棒代替传统的圆筒阴极，可以实现更高的输出功率和转换效率；英国BAE公司的专利US20110084606A1提出了一种同轴虚阴极振荡器的设计方法，其外围、阴极和阳极均采用同轴圆柱筒结构，提高了微波输出功率和效率，可用于产生百纳秒脉宽高功率微波。

(5)采用气囊式天线或可重构天线，实现高功率容量微波发射天线的小型化设计。

德国莱茵金属公司和德国DIEHL防务公司申请的多个专利涉及高功率微波发射天线小型化设计，具体技术方案类型包括：一是通过采用充气气囊方式实现小型化和轻质化设计，并在气囊展开后实现大增益和高功率容量微波发射，如德国莱茵金属公司的专利US6819298B2；二是采用可重构天线密布缝隙波导天线实现高容量、小型化微波发射天线设计，具体利用波导缝隙天线单位长度内缝隙数目多、每个缝隙分配耦合功率相对较低的特点，达到高功率容量设计，同时利用其缝隙开于宽边、波导窄边可以相对较小的特点，实现天线小型化设计，例如德国DIEHL防务公司的专利US8982010B2。