西安电子工程研究所 马世川 张 帆 金兆鑫

高功率微波源是高功率微波技术的核心器件，也是开展效应机理研究的基础部分。本文列举了国内外多种典型的高功率微波模拟源，着重介绍了西安电子工程研究所研制的宽带高功率微波模拟源，经过测试其远场辐射因子可达271kV，工作中心频率为300MHz，百分比带宽约为52%，是一种典型的宽带高功率微波辐射系统，可用于宽带高功率微波电磁环境的模拟。

高功率微波是强电磁脉冲的一种，其频率在300MHz～300GHz之间、峰值功率高于100MW。高功率微波自问世以来便受到世界各国的重视，对高功率微波技术的研究主要包括高功率微波源、高功率微波效应机理以及高功率微波武器系统，其中高功率微波源是高功率微波技术的核心器件，也是开展效应机理研究的基础部分，其按频谱划分一般可分为宽带高功率微波源和窄带高功率微波源，其中宽带高功率微波由于有较快的上升沿以及较宽的频谱范围（百分比带宽大于1%），故其易于与目标耦合和相互作用，对电子设备和系统造成降级或毁伤，因此本文以宽带高功率微波源为例进行叙述。

1 国外高功率微波模拟源

美国及欧洲军事强国非常重视其武器装备在高功率微波电磁环境中的承受能力，1997年美国国防部在进行了一系列高功率微波试验，目的在于探索高功率微波在现场发射试验与鉴定中的应用，建立和验证高功率微波试验设施中所需的基础设施，其中美国空军研究实验室研制的JOLT是典型的超宽谱型宽带高功率微波发生系统，如图1所示，该系统利用谐振变压器将50kv输入电压提高至1.1MV，辐射采用半抛物面冲击辐射天线（IRA），天线直径约为3m，系统输出远场辐射因子（辐射场主轴方向某点场强峰值与该点至辐射源距离乘积）可达5.3MV，重复频率可达200Hz。

图1 美国空军研究实验室研制的宽带高功率微波系统JOLT及其辐射波形

图2 美国APELC公司研制的可调式宽带高功率微波模拟器及其辐射波形

图3 德国DIEHL集团研制的手提箱式宽带高功率微波模拟源及其辐射电场波形

图4 瑞士armasuisse HPM Laboratory实验室高功率微波振荡器及输出波形

图5 小型超宽谱高功率微波辐射系统及输出波形

图6 Marx发生器结构示意图及输出波形

2010年美国APELC公司推出了Portable Effects Test Source，如图2所示，该模拟源工作中心频率有250MHz以及400MHz两种模式，可通过更换天线来实现这两种模式的互换，因此其输出远场辐射因子也可调节，其范围为20kV～250kV，其重复频率同样可以调节，其范围为0.1～200Hz。该公司具有系列化的各种紧凑型Marx发生器，可为宽带高功率微波环境提供脉冲驱动源。

德国长期注重于高功率微波技术的研究，最主要的是DIEHL集团，其研制成功了多种手提箱式宽带高功率微波模拟源，其Standard F型如图3所示，该模拟源的工作中心频率为350MHz，总重约32kg，体积500mm×410mm×200mm，在很多用户的宽带高功率微波效应研究中被应用。

瑞士在高功率微波模拟源方面的研究也颇有进展，其中armasuisse HPM Laboratory实验室研制了一款频率范围为400～600MHz、输出远场辐射因子最大值可达30kV的高功率微波源，它是由30kV左右直流电压源充电，然后通过闭合在振荡器左端的高压氮气开关来放电。图4所示为其振荡器模型及输出波形。

2 国内高功率微波模拟源

国内对宽带高功率微波环境模拟源的研究主要有中国工程物理研究院、国防科技大学、西北核技术研究所、电子科技大学、西安电子工程研究所等单位。西北核技术研究所具有很强的科研实力以及技术储备，是国内最早开始研究高功率微波技术的科研院所之一，在2001年自行研制成功峰值功率为为1GW的紧凑型Tesla高重频超宽带高功率微波辐射系统，于2013年研制出的小型超宽谱高功率微波辐射系统其中心频率为520MHz，输出远场辐射因子达到75kV，如图5所示，在2016年又研制成功了一种百kV级紧凑型Marx发生器。

图7 一种宽带高功率微波模拟器

图8 宽带高功率微波模拟源重复频率电场及频率处理波形

中国工程物理研究院研制出一种低阻抗紧凑型Marx直接驱动型高功率微波源，Marx发生器可获得600kV，50kA的脉冲输出，脉冲上升时间小于100ns，辐射的最大微波峰值功率约为400MW，微波脉冲半高宽约60ns，辐射频率为1.23GHz。如图6所示。

西安电子工程研究所为开展宽带高功率微波电磁环境模拟和效应试验，研制了一款宽带高功率微波模拟源，该模拟源主要由高压直流电源、自触发式Marx发生器、宽带谐振天线以及抛物反射面组成，如图7所示。基于系统未来满足不同频率辐射波形的考虑，该模拟源通过脉冲驱动源来直接激励宽带谐振天线，并使用不同频带的天线来实现不同频率范围的宽带高功率微波环境模拟，反射面天线直径1.2m，焦径比约为0.36，试验过程中宽带谐振天线的中心置于反射面的焦点处，系统采用220V交流供电，通过光纤在远程对系统的工作状态进行监控和调整。

在测试过程中，为了降低地面对辐射波形的影响，辐射系统离地高度约为1.5m，在距离辐射主轴10m处放置TEM喇叭天线，通过TEM喇叭天线对其辐射波形进行采集，TEM喇叭天线采集到的波形经屏蔽测试电缆、脉冲衰减器传输后记录到宽带示波器，利用示波器对其进行FFT运算分析，并在同一界面显示。图8所示为该模拟源在重复频率为20Hz的条件下连续工作200次的电场波形以及其FFT变换后的频谱波形，从图中可以看出，电场波形以及FFT变换后的频谱波形重合度均较好，由此可见该模拟源辐射性能稳定。该模拟源的远场辐射因子最大可达271kV，工作中心频率300MHz，百分比带宽约为52%，是一种典型的宽带高功率微波辐射系统，可用于高功率微波电磁环境的模拟，并且通过替换谐振天线，可实现辐射频段范围调整。

总结：作为高功率微波技术的核心器件，世界各国都十分重视对高功率微波源的研究工作，而实用、高效的微波源又是研究的重点。目前，高功率微波源发展的主要趋势为小型化、系统化以及实用化，世界各国都加快了新型高功率微波源的研制并展开效应试验研究。本文列举了国内外多种典型的宽带高功率微波模拟源，根据相关研究研制了一款宽带高功率微波模拟源，可用于高功率微波电磁环境的模拟。