简明高功率微波技术

1.这是一本介于科普与专业技术之间的书籍，理论性偏浅、更加强调工程实践，可兼顾专业技术人员和初学者的多重需要； 2.书中既介绍了高功率微波的科学技术概念，又涵盖了当前国内外的实际应用，并兼顾了今后的技术发展； 3.作者具有坚实的理论基础和丰富的工程经验； 4.书中涉及多种技术的应用，覆盖国防、航天、生物等多个领域，并提出了一些独到见解。

高功率微波技术、强激光技术和粒子束技术并称为三大定向能技术，是一个庞大而复杂的高新技术领域。本人虽然从事该技术领域研究近30 年，但从来没有奢望要编写一部有关高功率微波技术方面的著作。因为在这个领域大家云集，就我个人的学术能力而言，与这些大家相比相去甚远，窃以为虽然有很多心得体会需要总结，但还是不要班门弄斧为好。可2020 年的第一场春雪触动了我脆弱的神经，因为又一位关心我、爱护我、教育我的长辈伴随着洁白的雪花离开了，他就是我国著名核物理学家陈雨生将军，是他把我推荐给他的朋友范如玉研究员，由范如玉研究员和刘国治院士共同把我引入高功率微波这一技术领域，虽然我硕士研究生导师不能署上陈将军的名字，但在我心中他就是我的老师，而他也始终认为我就是他的学生，无论是在后来的学习还是工作中，他都给予了我无微不至的指导与帮助。陈将军的离世使我想起了我博士研究生的导师乔登江院士，这又是一位平易近人的学术大师，他的音容笑貌这些年来时刻萦绕在我的心头。我知道两位长者对我期许甚多，他们多次鼓励我将自己的研究成果甚至学习心得发表交流，认为学术水平有高下之分，但学术成果都是客观的结果，应当在条件允许的情况下尽量与大家分享，哪怕是失败的教训也是极有意义的。在陈将军及乔院士的鼓励下，我的博士论文主要研究成果《集成电路高功率微波效应手册》以专刊的形式得以发表，但由于当时定为秘密级，所以能够共享的研究人员有限。十余年过去了，这份手册早已解密，可限于印刷数量较少且按照当时保密要求大多已经销毁，至今仍然很难在公开渠道获得相关数据，这也成为我心中多年的遗憾。因此，本打算在工作之余对该手册进行重新整理并补充部分最新研究成果，以更加完备的状态呈现给大家以供参考，但两位长者的相继离世深深地触动了我，我决定挑战自己的极限，编写整理一部有关高功率微波技术的专著以纪念两位长者，回馈他们多年对我的教导与关爱。
《简明高功率微波技术》的具体定位是一部介于科普与专业技术之间的书籍。当前出版的有关高功率微波总体技术的专著总共有两部：一部是我的老师刘国治院士组织翻译的美国学者Robert J. Barker 及Edl Schamiloglu 编著的《高功率微波源与技术》，另一部是我的老师江伟华研究员翻译的美国学者James Benford、John A. Swegle 及Edl Schamiloglu 编著的《高功率微波》。其他著作的内容均为高功率微波专项技术，如中国工程物理研究院周传明研究员编写的《高功率微波源》及军事科学院常超研究员编写的《高功率微波系统中的击穿物理》等。这些著作普遍理论性偏强，适合于从事相关技术研究的专业人员作为参考，但对于非该专业领域的学者及欲入门开展高功率微波技术相关研究的学生则显得过于深奥。当前，在诸多大的技术论证领域，可能涉及多个专业技术方向，非专业人士了解高功率微波技术原理及发展现状的需求越来越多，因此编写一部理论性偏浅且更加强调工程实践的有关高功率微波技术的类科普书籍是极有必要的。本人从事高功率微波技术研究工作20 多年来，先后在高功率微波脉冲压缩、高功率微波效应及高功率微波传输与发射等技术方向开展过研究工作，对高功率微波技术有较为全面的了解，因此决心对该技术领域进行系统的梳理与学习，将学习心得以专著的形式提供给各位读者，以期能够在相关论证及研究中提供高功率微波技术领域的专业技术支撑。因此，与其说这是一部有关高功率微波技术的专著，不如称之为一本专业人士的高功率微波技术学习笔记更为恰当。
本书共分10 章：第1 章为概述，简略地介绍了高功率微波基本定义及研究范畴；第2章和第3 章主要介绍了高功率微波产生技术；第4 章是一个单独章节，重点介绍了一种非常规高功率微波产生方法，即高功率微波脉冲压缩技术；第5～8 章重点介绍了高功率微波效应；第9 章主要介绍了高功率微波武器的系统组成及可能应用；第10 章是一个单独章节，简要介绍了高功率微波告警及防护技术。
全书由方进勇编写并统稿，彭凯参与了第2 章部分内容的编写，铁维昊参与了第3 章和第9 章部分内容的编写，吴江牛参与了第4 章部分内容的编写，薛沛雯参与了第6～8 章部分内容的编写，李奇威参与了第10 章部分内容的编写，秦子浩参与了第1 章部分内容的编写并对全文进行了校对。在此，特别致敬我的老师刘国治院士，是他引领中国高功率微波技术领域取得重大进展；致敬我所熟知的高功率微波技术领域开拓者—西北核技术研究院黄文华研究员、宁辉研究员、樊亚军研究员，中国工程物理研究院周传明研究员，西南交通大学刘庆想教授，电子科技大学蒙林教授，国防科技大学张建德教授和舒挺教授等，他们都是我在学术研究中的良师益友，向他们表示衷心的感谢。特别感谢我的好友彭建昌博士及张冠军教授对本书全文的仔细审阅和宝贵建议。本书的编写还得到了空间微波技术国家重点实验室基金的资助，在此一并表示感谢。
本书在编写过程中参考和引用了大量国内外文献，本书的完成离不开这些文献作者的开创性工作，在此表示深深的谢意。他们的许多表述都几近经典，编著者如果刻意避免抄袭之嫌而有意改变其表述纯属画蛇添足，因此在参考与引用过程中部分论述几乎原文呈现以体现本书笔者对原作者的尊重。科研工作者发表论文的初衷就是利于自己的科研成果能够为其他研究人员提供参考及借鉴，本书对相关参考与引用已经竭尽全力进行了详细标注，绝无任何侵犯诸位同仁知识产权的恶意，如有疏漏或标注不当，敬请提出异议并及时与我取得联系，我将虚心接受并在未来的版本中予以修正，同时也向您表示深深的歉意。
虽然竭尽全力，但囿于理解水平及能力，书中难免有不妥之处，敬请广大读者不吝批评指正。

编著者
2021 年12 月

方进勇，博士（后），中国空间技术研究院西安分院研究员、博士生导师，西安交通大学兼职教授，国家某重大专项（载荷系统）首席专家，长期从事空间安全、空间环境和高功率微波技术等领域的研究工作。主持完成“863”项目、“973”项目、航天科技集团公司重点预研项目等10余项。先后获国家科技进步二等奖1项，部级科技进步一等奖1项、二等奖6项和三等奖4项。发表学术论文50余篇，出版《集成电路HPM效应手册》《空间粒子束技术应用概论》《空间人工环境概论》等专著，获国家发明专利50余项。

高功率微波（HPM）技术与强激光技术、粒子束技术并称为三大定向能技术，其在军事上有着特殊的用途，是当今国际上研究的热点技术领域之一。
本书围绕高功率微波技术的主要研究内容，分为六部分进行论述。第一部分为第1 章，介绍了高功率微波的基本定义及研究范畴；第二部分由第2 章和第3 章组成，介绍了高功率微波产生技术；第三部分为第4 章，重点介绍了高功率微波脉冲压缩技术；第四部分由第5~8 章组成，重点介绍了高功率微波效应；第五部分为第9 章，主要介绍了高功率微波武器的系统组成及可能应用；第六部分为第10 章，简要介绍了高功率微波告警及防护技术。
本书作者系统总结了当前HPM 技术领域相关研究进展及成果，对未来技术发展提出了建设性看法。本书是一部介于科普与专业技术之间的综合性HPM 技术专著，可作为HPM 技术领域相关技术研究人员和工程技术人员的参考书，也可为相关定向能武器总体论证人员提供必要的专业技术参考。

第1章 概述  001
1.1 高功率微波基本定义及研究范畴  001
1.2 高功率微波产生技术  002
1.2.1 窄带高功率微波产生技术  002
1.2.2 超高功率超宽带高功率微波产生技术  003
1.2.3 超高重复频率超宽带高功率微波产生技术  004
1.2.4 高功率微波脉冲压缩技术  004
1.3 高功率微波效应  005
1.3.1 电子器件高功率微波效应  005
1.3.2 电子系统高功率微波效应  007
1.3.3 生物高功率微波效应  009
1.4 高功率微波武器及应用  009
1.5 高功率微波防护技术  010
1.6 小结  011
参考文献  011

第2章 窄带高功率微波产生技术  013
2.1 窄带高功率微波源系统组成  013
2.2 高功率微波脉冲功率驱动源  015
2.2.1 高功率微波脉冲功率驱动源发展概况  015
2.2.2 Marx 型高功率微波脉冲功率驱动源  025
2.2.3 Tesla 型高功率微波脉冲驱动源  033
2.2.4 SOS 型高功率微波驱动源  048
2.2.5 其他类型高功率微波驱动源  054
2.3 窄带高功率微波器件  059
2.3.1 窄带高功率微波器件发展概况  059
2.3.2 典型窄带高功率微波器件设计要点  084
2.4 小结  108
参考文献  109

第3章 超宽带高功率微波产生技术  115
3.1 超高功率超宽带高功率微波产生技术  115
3.1.1 超高功率超宽带高功率微波源发展概况  115
3.1.2 基本原理与关键技术  123
3.1.3 超宽带高功率源设计示例  143
3.2 超高重复频率超宽带高功率微波产生技术  147
3.2.1 固态高重频高功率脉冲源发展概况  147
3.2.2 固态高重频超宽带高功率微波源设计示例  151
3.3 小结  158
参考文献  159

第4章 高功率微波脉冲压缩技术  161
4.1 高功率微波脉冲压缩技术基本原理及发展概况  161
4.1.1 脉冲压缩技术基本原理  162
4.1.2 发展概况  166
4.2 开关储能切换型高功率微波脉冲压缩技术  169
4.2.1 谐振腔技术  170
4.2.2 输入输出耦合技术  181
4.2.3 开关技术  185
4.2.4 SES 型脉冲压缩系统设计示例  199
4.2.5 SES 型脉冲压缩相关技术探索  204
4.3 路径编码脉冲压缩技术  214
4.3.1 路径编码脉冲压缩技术基本原理及其实现方法  214
4.3.2 路径编码脉冲压缩获取具有中心载频超高重频超宽带高功率微波  220
4.3.3 采用路径编码脉冲压缩技术获取GW 级高功率微波  225
4.4 小结  228
参考文献  228

第5章 高功率微波效应总论  231
5.1 高功率微波效应分类  231
5.2 高功率微波效应通用研究方法  232
5.3 高功率微波对目标作用方式  234
5.4 高功率微波对目标损伤效应机理概述  235
5.4.1 高功率微波对电子器件损伤效应机理  235
5.4.2 高功率微波对电子系统损伤机理  238
5.5 高功率微波效应模拟及预测评估  243
5.6 小结  244
参考文献  245

第6章 电子器件高功率微波效应  246
6.1 分立器件高功率微波效应  246
6.2 集成电路器件高功率微波效应  247
6.2.1 集成电路高功率微波效应实验方法及实验装置  248
6.2.2 集成电路高功率微波效应实验结果  250
6.2.3 集成电路高功率微波效应实验结果分析  252
6.2.4 集成电路微波易损性简化评估模型  263
6.2.5 集成电路高功率微波效应小结  266
6.3 微波类器件高功率微波效应  267
6.3.1 限幅器高功率微波效应  267
6.3.2 滤波器高功率微波效应  282
6.3.3 放大器高功率微波效应  284
6.3.4 混频器高功率微波效应  301
6.4 小结  306
参考文献  306

第7章 电子系统高功率微波效应  308
7.1 电子系统高功率微波效应实验方法与实验装置概述  308
7.2 计算机高功率微波效应  310
7.3 雷达高功率微波效应  321
7.3.1 雷达接收机常用器件高功率微波效应规律概述  322
7.3.2 雷达接收机整机高功率微波效应  327
7.4 电子侦察接收机高功率微波效应  330
7.5 卫星通信系统高功率微波效应  333
7.5.1 通信卫星接收机高功率微波效应  334
7.5.2 通信卫星转发器高功率微波效应  338
7.5.3 卫星通信系统其他相关效应研究成果  338
7.6 卫星导航接收机高功率微波效应  339
7.6.1 卫星导航概述  339
7.6.2 卫星导航接收机结构组成  340
7.6.3 导航接收机效应研究  342
7.7 反辐射导弹高功率微波效应  343
7.8 无线电引信高功率微波效应  346
7.8.1 引信及引信效应方法简介  346
7.8.2 电磁感应近炸引信高功率微波效应  347
7.8.3 多普勒无线电近炸引信高功率微波效应  349
7.8.4 电容近炸引信高功率微波效应  352
7.8.5 引信高功率微波效应小结  355
7.9 无人机高功率微波效应  355
7.10 小结  358
参考文献  358

第8章 生物高功率微波效应  360
8.1 生物高功率微波效应概述  360
8.2 神经系统高功率微波效应  361
8.3 视觉系统高功率微波效应  365
8.4 生殖系统高功率微波效应  369
8.5 免疫系统高功率微波效应  372
8.6 心脏高功率微波效应  373
8.7 肝脏及脾脏高功率微波效应  377
8.8 小结  379
参考文献  380

第9章 高功率微波武器系统  382
9.1 高功率微波武器应用概述  382
9.2 窄带高功率微波武器系统及其关键技术  387
9.2.1 窄带高功率微波武器系统组成  387
9.2.2 窄带高功率微波武器关键技术  389
9.3 超宽带高功率微波武器系统及其关键技术  402
9.4 小结  403
参考文献  404

第10章 高功率微波防护技术  406
10.1 防护需求  406
10.2 传统防护技术  407
10.2.1 前门防护技术  408
10.2.2 后门防护技术  421
10.3 高功率微波告警技术  428
10.4 高功率微波防护技术发展趋势  430
10.5 小结  431
参考文献  431