CN113225048B - 一种gw级高功率微波脉冲产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种GW级高功率微波脉冲产生装置及产生方法。采用电真空器件高功率微波源技术产生峰值功率为十MW量级、脉冲宽度为μs量级的微波长脉冲，并通过对该微波长脉冲不同时刻相位及频率进行编码，利用大型金属腔体的多径效应将该脉冲宽度为μs级的微波长脉冲压缩成脉冲宽度为ns级的微波窄脉冲，获得百倍以上的功率增益，实现GW级高功率微波的获取。本发明提出的GW级高功率微波产生方法利用基于大型金属腔体的编码脉冲压缩技术实现，不采用微波开关，避免了微波开关带来的功率容量限制。

Description

一种GW级高功率微波脉冲产生装置及产生方法

技术领域

本发明属于高功率微波产生技术领域，具体涉及一种基于路径编码脉冲压缩技术的GW级高功率微波脉冲产生装置及产生方法，用以解决超高峰值功率、超宽频带的微波脉冲产生问题，同时降低系统硬件要求和技术难度。

背景技术

高功率微波具有重要的用途，长久以来各国都不吝投入重金开展相关的研究工作。长久以来，获取GW高功率微波的唯一手段是采用相对论器件，但这类器件通常的工作电压达到500kV以上，瞬时电流达到10kA量级，在获得GW量级功率条件下整体能量利用效率很难达到10％以上，且体积庞大，重量通常都在1吨以上。

相对来看，常规电真空器件的工作电压通常只有100kV左右，电流百A量级，其能量利用效率可达50％以上，但其不足在于输出的是微秒量级的长脉冲，脉冲功率通常只有几MW至几十MW量级。目前利用电真空器件产生高功率微波的方法，主要采用磁控管、速调管、行波管，回旋管等不同的电真空器件产生，但采用这些器件来产生脉宽为ns量级，功率GW量级的高微波脉冲几乎没有可能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于路径编码脉冲压缩技术的GW级高功率微波脉冲产生装置及方法，解决常规高功率微波产生技术难以实现超高峰值功率、超宽频带以及中心载频难以调整的技术问题，实现脉冲宽度为ns量级，峰值功率为GW量级的高功率微波脉冲产生。

本发明的技术解决方案是：

一种GW级高功率微波脉冲产生装置，包括计算机、任意波形发生器、大功率速调管微波源、脉冲压缩混响室和辐射天线；

计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据，并将波形文件数据发送给任意波形发生器，所述编码长脉冲的脉冲宽度为μs量级；

任意波形发生器将输入的波形文件数据转换成小功率微波长脉冲，并发送给大功率速调管微波源，所述小功率微波长脉冲的功率为mW量级；

大功率速调管微波源对功率为mW量级的小功率微波长脉冲进行功率放大，输出峰值功率为十MW量级的微波长脉冲，并将该峰值功率为十MW量级的微波长脉冲发送给脉冲压缩混响室；

脉冲压缩混响室为一个多径腔体，对输入的十MW量级的微波长脉冲进行压缩后，在其输出端口形成一个脉宽为ns量级的微波窄脉冲，其峰值功率为GW量级；

辐射天线用于将峰值功率为GW量级的微波窄脉冲进行辐射。

所述脉冲压缩混响室为一个大型矩形金属腔体，其长、宽、高均为1米量级，且所述脉冲压缩混响室具有GW级以上的功率容量，其作用是将十MW量级的微波长脉冲压缩成微波窄脉冲，实现100倍以上的功率增益，使微波脉冲峰值功率提高到GW量级。

所述大功率速调管微波源采用电真空器件实现，实现十MW量级的微波长脉冲输出。

辐射天线具有GW以上量级的功率容量。

计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

采用CST数值仿真软件建立一个与脉冲压缩混响室对应的仿真模型；

构造一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形微波窄脉冲信号；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

采用所述矩形微波窄脉冲信号对脉冲压缩混响室仿真模型的输入端口进行激励，在其输出端口处获取微波窄脉冲响应信号，将获取到的微波窄脉冲响应信号按时长T₁进行截取，并将截取的响应信号拆分成多段脉宽为T₀的子信号，按顺序对每一段脉宽为T₀的子信号进行相位及频率编码，使多段脉宽为T₀的子信号依次通过脉冲压缩混响室仿真模型的时间依次减少T₀；将编码后的多段脉宽为T₀的子信号合成一段时长为T₁的编码长脉冲信号发送给计算机；

计算机根据编码长脉冲信号得到编码长脉冲波形文件数据，所述时长T₁为微秒级时长。

计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

构建硬件高速采样系统，所述硬件高速采样系统包括计算机、任意波形发生器、大功率速调管微波源、脉冲压缩混响室和高速采样示波器；

计算机生成一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形窄脉冲波形文件数据；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

将矩形窄脉冲波形文件数据发送给任意波形发生器，得到小功率微波窄脉冲信号，所述小功率微波窄脉冲信号的功率为mW级；

该小功率微波窄脉冲信号经过大功率速调管微波源功率放大后，输入脉冲压缩混响室；由于脉冲压缩混响室的多径效应，在脉冲压缩混响室的输出端口得到一个脉宽展宽，功率震荡衰减的响应信号；

高速采样示波器对脉冲压缩混响室输出的响应信号进行采样，并截取预定长度T₁的一段信号，发送给计算机；所述时长T₁为微秒级时长；

计算机对截取的时长为T₁的响应信号进行时序颠倒处理以及信号半周期内归一化处理，得到编码长脉冲波形文件数据。

一种GW级高功率微波脉冲产生方法，包括如下步骤：

1)、计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据，并将波形文件数据发送给任意波形发生器中，产生路径编码小功率微波长脉冲信号，所述小功率微波长脉冲信号的功率为mW级；

2)、任意波形发生器产生的路径编码小功率微波长脉冲信号通过大功率速调管微波源进行功率放大，获得一个峰值功率为十MW量级的路径编码微波长脉冲；

3)、该十MW量级的路径编码微波长脉冲馈入脉冲压缩混响室后，脉冲压缩混响室对该十MW量级的路径编码微波长脉冲进行压缩，输出一个脉宽为ns量级、峰值功率为GW量级的微波窄脉冲；

4)、该GW量级的微波窄脉冲通过辐射天线进行辐射。

所述步骤1)中，计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

采用CST数值仿真软件建立一个与脉冲压缩混响室对应的仿真模型；

构造一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形微波窄脉冲信号；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

采用所述微波窄脉冲信号对脉冲压缩混响室仿真模型的输入端口进行激励，在其输出端口处获取微波窄脉冲响应信号，将获取到的微波窄脉冲响应信号按时长T₁进行截取，并将截取的响应信号拆分成多段脉宽为T₀的子信号，按顺序对每一段脉宽为T₀的子信号进行相位及频率编码，使多段脉宽为T₀的子信号依次通过脉冲压缩混响室仿真模型的时间依次减少T₀；将编码后的多段脉宽为T₀的子信号合成一段时长为T₁的编码长脉冲信号发送给计算机；

计算机根据编码长脉冲信号得到编码长脉冲波形文件数据，所述时长T₁为微秒级时长。

所述步骤1)中，计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

构建硬件高速采样系统，所述硬件高速采样系统包括计算机、任意波形发生器、大功率速调管微波源、脉冲压缩混响室和高速采样示波器；

计算机生成一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形窄脉冲波形文件数据；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

将矩形窄脉冲波形文件数据发送给任意波形发生器，得到小功率微波窄脉冲信号，所述小功率微波窄脉冲信号的功率为mW级；

该小功率微波窄脉冲信号经过大功率速调管微波源功率放大后，输入脉冲压缩混响室；由于脉冲压缩混响室的多径效应，在脉冲压缩混响室的输出端口得到一个脉宽展宽，功率震荡衰减的响应信号；

高速采样示波器对脉冲压缩混响室输出的响应信号进行采样，并截取预定长度T₁的一段信号，发送给计算机；所述时长T₁为微秒级时长；

计算机对截取的时长为T₁的响应信号进行时序颠倒处理以及信号半周期内归一化处理，得到编码长脉冲波形文件数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明采用常规电真空器件产生峰值功率十MW量级、脉宽为μs级的微波长脉冲，然后利用脉冲压缩技术将μs级的微波长脉冲压缩成ns级的微波窄脉冲。由于采用常规电真空器件高功率微波技术，相比采用相对论器件的GW级高功率微波产生技术，大幅降低了系统对高压绝缘、体积、重量的苛刻要求。

2)本发明利用大型金属腔体的多径效应，将μs级微波长脉冲压缩成ns级的微波窄脉冲，获得百倍以上的功率增益，实现GW级高功率微波的产生。该方法不采用微波切换开关，消除了微波切换开关的功率容限对脉冲峰值功率的限制，同时由于采用的大型金属腔体增大了尺寸，可有效将脉冲峰值功率容量提高至GW量级以上。

3)本发明产生的GW级高功率微波脉冲，可通过改变激励窄脉冲的脉宽灵活调整GW级高功率微波脉冲的脉冲宽度，且不改变系统结构。

4)本发明产生的GW级高功率微波脉冲具有中心载频，且中心载频可通过改变激励窄脉冲的载频灵活调整，可方便地在更多频段上产生GW级高功率微波脉冲信号。

附图说明

图1为本发明GW级高功率微波脉冲产生装置原理框图；

图2为本发明硬件高速采样系统原理框图；

其中：1-计算机，2-任意波形发生器，3-大功率速调管微波源，4-脉冲压缩混响室，5-辐射天线，6-高速采样示波器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步介绍。

本发明采用电真空器件高功率微波技术产生峰值功率为十MW量级、时长为μs量级的微波长脉冲，通过对该微波长脉冲不同时刻微波相位及频率进行编码，然后利用大型金属腔体的多径效应，将该脉宽为μs量级、峰值功率十MW量级的微波长脉冲压缩成ns量级的微波窄脉冲，获得百倍以上的功率增益，实现GW级高功率微波的产生。本发明提出的GW级高功率微波产生方法，不采用微波切换开关，避免了微波切换的功率容量带来的功率容量限制问题。

如图1所示，本发明所述的一种基于路径编码脉冲压缩技术的GW级高功率微波脉冲产生装置，包括计算机1，任意波形发生器2，大功率速调管微波源3，脉冲压缩混响室4，辐射天线5。

计算机1的输出端口OUT1与任意波形发生器2输入端口IN1相连。任意波形发生器2的输出端口OUT2与大功率速调管微波源3的输入端口IN2相连，大功率速调管微波源3的输出端口OUT3与脉冲压缩混响室4的输入端口IN3相连，脉冲压缩混响室4的输出端口OUT4与辐射天线5输入端口IN4相连。

本发明所述的路径编码脉冲压缩技术主要由脉冲压缩混响室实现脉冲压缩，将峰值功率为十MW量级、脉冲宽度为μs量级的微波长脉冲压缩成脉冲宽度为ns级的微波窄脉冲，获得百倍以上的功率增益，实现GW级高功率微波的产生。该脉冲压缩混响室的结构为一个矩形金属腔体，其长、宽、高为1m*1m*1.2m。

计算机1通过路径编码技术生成编码长脉冲信号波形文件数据，(脉宽μs量级)，发送给任意波形发生器2。任意波形发生器2的作用是将输入的波形数据转换成小功率(功率为mW级)的编码微波长脉冲，实现数字波形文件到小功率微波脉冲的转换。大功率速调管微波源3的作用是将任意波形发生器2输出的小功率编码微波长脉冲进行功率放大，产生峰值功率为十MW量级的编码微波长脉冲。脉冲压缩混响室4是一个大型金属腔体，其结构为一个矩形金属腔体，其长、宽、高为1m*1m*1.2m，作用是在其内部建立多径传输路径，当峰值功率为十MW量级的编码微波长脉冲馈入该脉冲压缩混响室后，在其内部经过多径传输后，不同路径传播的子脉冲将在输出位置同时到达，在输出端口便可得到一个脉宽变窄的微波窄脉冲(脉宽ns量级)，其峰值功率比输入功率提升100倍以上，达到GW量级。

在此过程中，路径编码长脉冲信号的获取是该GW级高功率微波产生技术的一个关键步骤。目前，路径编码长脉冲信号的获取主要有两种方法，一种是模拟数值法，另一种为硬件高速采样法。

1、基于模拟数值法产生路径编码长脉冲信号的具体实施步骤如下：

采用CST数值仿真软件建立一个与图1所示硬件装置的脉冲压缩混响室4对应的仿真模型。

构造一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形微波窄脉冲信号，中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级。该窄脉冲的中心载频f₀和脉宽为T₀可灵活设置。

采用所述矩形窄脉冲信号对脉冲压缩混响室4仿真模型的输入端口进行激励，在输出端口处获取窄脉冲响应信号。将获取到的窄脉冲响应信号按时长T₁进行截取，并拆分成多段宽度为T₀的子信号，按顺序对每一段宽度为T₀的子信号进行相位及频率编码，使多段脉宽为T₀的子信号依次通过脉冲压缩混响室4的时间依次减少T₀；将编码后的多段宽度为T₀的子信号合成一段时长为T₁的编码长脉冲信号，并生成编码长脉冲波形文件数据。所述时长T₁为微秒级时长。

2、基于硬件高速采样法产生路径编码长脉冲信号的具体实施步骤如下：

建立如图2所示的硬件高速采样系统，该系统由计算机1，任意波形发生器2，大功率速调管微波源3，脉冲压缩混响室4和高速采样示波器6组成。

1)、计算机1构造一个具有中心载频f₀(GHz级)、脉宽为T₀(ns量级)的矩形窄脉冲波形文件数据；将构造的矩形窄脉冲波形文件数据发送给任意波形发生器2，转换成小功率微波窄脉冲，实现数字波形数据到微波信号的转换。所述小功率微波窄脉冲信号的功率为mW级；

2)、该小功率微波窄脉冲信号经过大功率速调管微波源3功率放大后，馈入脉冲压缩混响室4，由于脉冲压缩混响室4的多径效应，则在脉冲压缩混响室4的输出端口得到一个脉宽展宽，功率震荡衰减的响应信号；

3)高速采样示波器6对脉冲压缩混响室4输出的响应信号进行采样，并截取预定长度T₁(μs量级)的一段信号，发送给计算机1；

4)计算机1对时长为T₁的响应信号进行时序颠倒处理以及信号半周期内归一化处理，获得路径编码长脉冲信号，并生成编码长脉冲波形文件数据。

本发明提出一种GW级高功率微波脉冲产生方法，通过上述模拟数值法或硬件高速采样法获取编码长脉冲波形文件数据后，构建图1所示的装置，将该编码长脉冲波形文件数据导入任意波形发生器，生成一个路径编码长脉冲小功率(mW级)微波信号，然后将该路径编码长脉冲小功率(mW级)微波信号通过大功率速调管微波源进行功率放大后，获取一个十MW级、时长μs级的编码微波长脉冲，利用大型金属腔体的多径效应实现脉冲压缩，将μs级的编码微波长脉冲压缩成ns级的微波窄脉冲，峰值功率提高百倍以上后，可在大型金属腔体的输出端口获取到GW级峰值功率的高功率微波脉冲，获取的GW级高功率微波脉冲由辐射天线进行辐射。

本发明不采用微波开关，除可实现超高峰值功率和超宽频带外，其中心载频和脉宽可灵活方便地调整，中心载频可在百MHz至几十GHz之间任意选择，能方便地在多频段上产生GW级高功率微波脉冲，且不改变系统的硬件结构。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种GW级高功率微波脉冲产生装置，其特征在于：包括计算机(1)、任意波形发生器(2)、大功率速调管微波源(3)、脉冲压缩混响室(4)和辐射天线(5)；

计算机(1)通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据，并将波形文件数据发送给任意波形发生器(2)，所述编码长脉冲的脉冲宽度为μs量级；

任意波形发生器(2)将输入的波形文件数据转换成小功率微波长脉冲，并发送给大功率速调管微波源(3)，所述小功率微波长脉冲的功率为mW量级；

大功率速调管微波源(3)对功率为mW量级的小功率微波长脉冲进行功率放大，输出峰值功率为十MW量级的微波长脉冲，并将该峰值功率为十MW量级的微波长脉冲发送给脉冲压缩混响室(4)；

脉冲压缩混响室(4)为一个多径腔体，对输入的十MW量级的微波长脉冲进行压缩后，在其输出端口形成一个脉宽为ns量级的微波窄脉冲，其峰值功率为GW量级；

辐射天线(5)用于将峰值功率为GW量级的微波窄脉冲进行辐射；

计算机(1)通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

采用CST数值仿真软件建立一个与脉冲压缩混响室(4)对应的仿真模型；

构造一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形微波窄脉冲信号；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

采用所述矩形微波窄脉冲信号对脉冲压缩混响室(4)仿真模型的输入端口进行激励，在其输出端口处获取微波窄脉冲响应信号，将获取到的微波窄脉冲响应信号按时长T₁进行截取，并将截取的响应信号拆分成多段脉宽为T₀的子信号，按顺序对每一段脉宽为T₀的子信号进行相位及频率编码，使多段脉宽为T₀的子信号依次通过脉冲压缩混响室(4)仿真模型的时间依次减少T₀；将编码后的多段脉宽为T₀的子信号合成一段时长为T₁的编码长脉冲信号发送给计算机(1)；

计算机(1)根据编码长脉冲信号得到编码长脉冲波形文件数据，所述时长T₁为微秒级时长。

2.根据权利要求1所述的一种GW级高功率微波脉冲产生装置，其特征在于：所述脉冲压缩混响室(4)为一个大型矩形金属腔体，其长、宽、高均为1米量级，且所述脉冲压缩混响室(4)具有GW级以上的功率容量，其作用是将十MW量级的微波长脉冲压缩成微波窄脉冲，实现100倍以上的功率增益，使微波脉冲峰值功率提高到GW量级。

3.根据权利要求1所述的一种GW级高功率微波脉冲产生装置，其特征在于：所述大功率速调管微波源(3)采用电真空器件实现，实现十MW量级的微波长脉冲输出。

4.根据权利要求1所述的一种GW级高功率微波脉冲产生装置，其特征在于：辐射天线(5)具有GW以上量级的功率容量。

5.根据权利要求1所述的一种GW级高功率微波脉冲产生装置，其特征在于：计算机(1)通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

构建硬件高速采样系统，所述硬件高速采样系统包括计算机(1)、任意波形发生器(2)、大功率速调管微波源(3)、脉冲压缩混响室(4)和高速采样示波器(6)；

计算机(1)生成一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形窄脉冲波形文件数据；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

将矩形窄脉冲波形文件数据发送给任意波形发生器(2)，得到小功率微波窄脉冲信号，所述小功率微波窄脉冲信号的功率为mW级；

该小功率微波窄脉冲信号经过大功率速调管微波源(3)功率放大后，输入脉冲压缩混响室(4)；由于脉冲压缩混响室(4)的多径效应，在脉冲压缩混响室(4)的输出端口得到一个脉宽展宽，功率震荡衰减的响应信号；

高速采样示波器(6)对脉冲压缩混响室(4)输出的响应信号进行采样，并截取预定时长T₁的一段信号，发送给计算机(1)；所述时长T₁为微秒级时长；

计算机(1)对截取的时长为T₁的响应信号进行时序颠倒处理以及信号半周期内归一化处理，得到编码长脉冲波形文件数据。

6.一种GW级高功率微波脉冲产生方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据，并将波形文件数据发送给任意波形发生器中，产生路径编码小功率微波长脉冲信号，所述小功率微波长脉冲信号的功率为mW级；

2)、任意波形发生器(2)产生的路径编码小功率微波长脉冲信号通过大功率速调管微波源(3)进行功率放大，获得一个峰值功率为十MW量级的路径编码微波长脉冲；

3)、该十MW量级的路径编码微波长脉冲馈入脉冲压缩混响室后，脉冲压缩混响室对该十MW量级的路径编码微波长脉冲进行压缩，输出一个脉宽为ns量级、峰值功率为GW量级的微波窄脉冲；

4)、该GW量级的微波窄脉冲通过辐射天线(5)进行辐射；

所述步骤1)中，计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

采用CST数值仿真软件建立一个与脉冲压缩混响室(4)对应的仿真模型；

构造一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形微波窄脉冲信号；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

采用所述微波窄脉冲信号对脉冲压缩混响室(4)仿真模型的输入端口进行激励，在其输出端口处获取微波窄脉冲响应信号，将获取到的微波窄脉冲响应信号按时长T₁进行截取，并将截取的响应信号拆分成多段脉宽为T₀的子信号，按顺序对每一段脉宽为T₀的子信号进行相位及频率编码，使多段脉宽为T₀的子信号依次通过脉冲压缩混响室(4)仿真模型的时间依次减少T₀；将编码后的多段脉宽为T₀的子信号合成一段时长为T₁的编码长脉冲信号发送给计算机；

计算机(1)根据编码长脉冲信号得到编码长脉冲波形文件数据，所述时长T₁为微秒级时长。

7.根据权利要求6所述的一种GW级高功率微波脉冲产生方法，其特征在于：所述步骤1)中，计算机通过路径编码技术生成编码长脉冲波形文件数据的实现步骤如下：

构建硬件高速采样系统，所述硬件高速采样系统包括计算机(1)、任意波形发生器(2)、大功率速调管微波源(3)、脉冲压缩混响室(4)和高速采样示波器(6)；

计算机(1)生成一个具有中心载频f₀、脉宽为T₀的矩形窄脉冲波形文件数据；所述中心载频f₀为GHz级，脉宽T₀为ns量级；

将矩形窄脉冲波形文件数据发送给任意波形发生器(2)，得到小功率微波窄脉冲信号，所述小功率微波窄脉冲信号的功率为mW级；

该小功率微波窄脉冲信号经过大功率速调管微波源(3)功率放大后，输入脉冲压缩混响室(4)；由于脉冲压缩混响室(4)的多径效应，在脉冲压缩混响室(4)的输出端口得到一个脉宽展宽，功率震荡衰减的响应信号；

高速采样示波器(6)对脉冲压缩混响室(4)输出的响应信号进行采样，并截取预定时长T₁的一段信号，发送给计算机(1)；所述时长T₁为微秒级时长；

计算机(1)对截取的时长为T₁的响应信号进行时序颠倒处理以及信号半周期内归一化处理，得到编码长脉冲波形文件数据。