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反无人机研究领域:高功率微波 (HPM)技术

  微波应用方向

  磁控管、速调管、多腔磁控管、微波元器件、高功率微波管、微波电路和微波测量、微波接力通信、卫星通信。

  Phaser™ 高功率微波系统

  雷神公司Phaser™ 高功率微波系统使用定向能量以光速击落无人机(单个或成群)。操作员将一束宽阔的电弧能量束聚焦在无人机上,无人机会发出短暂的高功率电磁能量爆发,摧毁他们的电子设备并同时将它们从天上掉下来。

  1.高功率微波以光速传播——每秒 3 亿米

  2.高功率以产生足够的能量以电子方式破坏目标

  3.以锥形光束发射无线电频率

  4.发射成本低

  5.仅受电力供应的限制

  正在探索如何将高功率微波技术集成到飞机、巡航导弹、水面舰艇和地面车辆中,与高能激光配合使用,微波将为军事指挥官提供强大的定向能量。

  正如高功率微波使用集中的无线电能量一样,激光将光粒子束投射到目标上。但是,当激光烧入他们的目标时,高功率微波会攻击他们的电子设备。

  高功率微波 (HPM)技术

  HPM 是属于高功率电磁 (HPEM) 类的一个相对较新的研究领域,其中包括雷电电磁脉冲 (LEMP) 和核电磁脉冲 (NEMP)。

  HPM 源辐射的功率范围从几KW到几十GW(脉冲),频率范围从几十MHz到几GHz (图1)。

  真空管(磁控管或回旋管)是经典的 HPM 技术。

  VIRCATOR 是一种用于实现上述设备的创新技术,可实现更大的功率和显着减小的尺寸。

  图 1:典型 HPEM 在频谱密度和频率方面的比较

  主要元件是一个带有虚拟阴极的振荡器,它使用真空管技术制造,具有固有的振荡器操作(VIRCATOR:VIRCATOR:VIRTual CAthode oscillaTOR)。

  该元件可以在没有静磁感应场的情况下使用,就像同轴 VIRCATOR 的情况一样。这在易用性和尺寸方面具有显着优势。HPM 源由高压脉冲发生器(例如 MARX GENERATOR)、真空管、波导和最终天线组成,电磁能量将从该天线以直接方式辐射。HPM 的基本思想是通过在阴极和由电子渗透栅极组成的阳极之间施加大约 300KV-500KV 的电压来加速由阴极爆炸性发射的电子束的密集流动。许多电子穿过阳极并在阳极后面形成一个空间电荷区,称为“虚拟阴极”。在某些条件下,这个空间电荷区域可以在一定范围内的微波频率中振荡。

  由于其结构简单,该解决方案对于所提出的应用非常有吸引力。

  Vircator 是一种还可以提供 GW 脉冲功率的设备,频率低于10GHz。然而,效率相当低,目前最好的同轴Vircators达到10%。


  图 2:VIRCATOR 示例

  由于施加到阳极的数百 KV 电位的吸引,电子离开阴极。在阳极周围,它们达到这样的速度,即由于惯性,它们超过了制成为网格形状的阳极,并在阳极空间内由它们自己形成的空间电荷区域内保持约束一段时间。

  这种受到高电位影响的电子云会产生等离子体,该等离子体以(等离子体的)脉动振荡,由下式给出:

  随着虚拟阴极中电子密度的增加,离开阳极的电子运动受到阻碍,产生的电荷被迫保持靠近阳极。这种会使虚拟阴极富集的电荷缺乏导致后者变得贫乏,以至于从阳极出来的新电荷能够再次通过该势垒,从而产生电流脉冲以再次使虚拟阴极富集. 只要将电位施加到 Vircator 的 KA 端子,此循环就会重复。这些电子脉冲刺激连接到输出波导的空腔,并产生频率为 ω r的射频信号从波导输出。输出模式不是纯的而是由一个TM 01和TE 11组成。

  发展

  VIRCATOR 技术是才出现不久,迄今为止已经制造了一些演示器,但市场上还没有产品。取而代之的是采用经典磁控管或回旋管技术的产品,如下所示:德国公司展示了几种用于 C-IED 和反无人机应用的 HPM 产品。使用的技术是功率真空管技术,用于抑制距离源头 50m 到几百米的电子设备。

  代傲汽车集成 HPM 源

  代傲 HPM 源来对抗无人机

  代傲 HPM 源针对简易爆炸装置 (IED)

  英国公司也展示了几款基于真空管技术的HPM产品,传输功率在几兆瓦左右,主要用于 C-IED 和反无人机应用。同样在这种情况下,电子设备的最大停用距离不超过几百米。

  Teledyne汽车集成HPM源

  Teledyne 海事 HPM 源

  用于对抗无人机的 Teledyne HPM 源

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