1、大功率微波技术重点实验室建设项目申请书一、 实验室名称、学科分类、承担单位 2二、 需求背景 4三、 研究方向、主要研究内容以及与相关工作的关系 18四、 已具备的条件 24五、 建设规模 41六、 建设经费概算 46七、 建设进度及保障措施 46八、 投资效果初步分析 47九、 管理措施 48十、 主要结论及需要说明的问题 48一、 实验室名称、学科分类、承担单位 1 实验室名称：大功率微波技术2 学科分类：电子科学与技术3单位名称：电子科技大学所有制性质：全民所有制建设地点： 隶属关系：教育部法人代表： 单位总资产：324196.09万元（截止2006年11月30日）单位固定资产原值：11
2、8712.82万元（截止2006年11月30日）单位固定资产净值：118712.82万元（截止2006年11月30日）电子科技大学于年由 院校的电子类学科合并创建。年列为全国重点大学，是我国最早的7所重点国防院校之一。年成为首批“211工程”重点建设的大学。年月，教育部、省人民政府签署了重点共建电子科技大学的协议，学校进入了建设国内外知名高水平大学的行列。 学校现有6个国家重点学科，25个部、省级重点学科，7个博士后流动站，6个学科有博士学位一级学科授权点。学校现有3个国家级重点实验室、39个部省级重点实验室，其中一些实验室装备精良，具有国内领先水平。现有教职工3000余人，其中中国科学院院士
3、5人，中国工程院院士1人，国务院学科评议组成员4人，长江学者11人，国家杰出青年科技基金获得者9人，新世纪“百千万人才工程”入选8人，新世纪“优秀人才支持计划”入选者29人，博士导师185人，教授274人，副教授612人。青年教师绝大部分具有博士、硕士学位。在校各类全日制普通学生29000余人，其中博士和硕士研究生10000余人。学校设有13个学院和体育部，29个系，41个本科专业，46个硕士点，MBA和工程硕士两种专业学位点（含11个工程领域），25个博士点，初步形成了以电子信息科学技术为核心、以工为主、理工渗透、理工管文协调发展的学科体系。科学技术研究特色鲜明，始终保持在电子信息科学技术领
4、域从材料元器件到整机系统，从软件到硬件的整体综合优势。“七五”以来，学校科研经费以平均每年20以上的速度不断递增，2006年达到3.3亿元。近年来，学校鉴定科技成果近千项，其中80以上达到国内领先或国际先进水平，获国家级成果奖28项，国内外专利200余项，部省级成果奖500余项，发表论文专著万余篇（部）。在2005年公布的2004年度中国科技论文统计结果中，学校进入2004年参加国际会议并发表论文数最多的前10所高校，名列第八。2006年我校第二次通过质量体系监督审核，并成功地通过了“武器装备科研生产二级单位保密资格审查认证”，成为西南地区唯一一所取得军工科研生产“三证”的高校。2006年“9
5、85工程”预算通过教育部评估，“十五”“211工程”通过国家验收。二、 需求背景1、立项的必要性和依据为了满足国防建设和国防科技发展的战略需求，落实国家中长期科学和技术发展规划纲要和国防科技工业“十一五”发展纲要，国防科工委提出，在十一五期间，针对武器装备和新兴技术领域发展需要，优先在十个领域补充新建国防科技重点实验室，而大功率微波技术就是其中的一个领域。这说明国家领导机关已经清醒地认识到我国国防在大功率微波技术领域需求的迫切性和与国际先进水平的差距。21世纪的战场是高技术条件下的战争，制信息权是克敌致胜的重要手段之一。微波技术则是制信息权的重要手段。大功率微波、毫米波技术电子战在现代战争中的
6、作用愈来愈突出，主要应用于如下的几方面：1) 雷达现代的雷达系统，其核心部件是大功率电真空微波、毫米波器件，部分系统也采用了固体器件。其工作波段已从常规微波波段扩展到毫米波波段。微波、毫米波器件的功率水平决定着雷达系统的探测距离，而波长决定着探测目标的分辩率。2) 制导鉴于精确制导武器的作战效率高，杀伤效果大，各国对于反精确制导武器技术，特别是反毫米波精确制导武器给予了极大的关注。目前，非常需要大功率宽带的毫米波源来对精确制导武器的核心制导系统进行电子干扰，从而达到反制目的。3) 通讯通信系统是C4ISR系统的重要组成部分，微波通信技术是其重要的组成部分，稳定、成熟的微波源技术是其应用重要的基
7、础。4) 干扰干扰机是反敌方雷达侦察、制导武器攻击的重要手段。5) 定向能武器高功率微波武器具有光速、全天候攻击，大面积覆盖、跟踪与瞄准简单、成本低廉等系列特点，被认为是三大定向能武器之一，受到世界各国的重视，我国也已将高功率微波技术列为国家“863计划”的重要研究内容。从国际上近年发生的局部高技术战争分析，一体化联合作战武器装备体系如具有探测和攻击对方电子设备的多功能雷达系统，其核心部件仍然是大功率微波、毫米波源。为使下一代雷达、电子战、通信系统具有更大的威力，对宽带大功率微波源的需求已成为武器装备和国防科技中长期发展规划的重要组成部分。高功率微波武器是将高功率微波经高增益定向天线辐射，将能
8、量汇聚在窄波束内，以极高的强度辐照目标，起到破坏敌方武器系统和防卫系统的电子设备，杀伤敌方人员。现代战争中高科技武器的核心是现代化的电子设备，因而高功率微波武器可以有效攻击现代化武器装备，如雷达、导弹、飞机、卫星等。由于微波以光速传播，辐照面较大，功率密度高，因而打击范围大，跟踪、瞄准要求精度低，能对近距离目标实施瞬时打击。高功率微波源是未来防御和高效武器的关键技术，可以预见在强大的需求推动下，高能微波武器前景广阔。微波武器可攻击的目标也十分广泛，从太空中邀游的卫星到跨洲越洋的洲际导弹，从巡航导弹、飞机到雷达，从指挥机构到通信设施，从武器装备到战斗人员，以及城市电力设施、工业设备等。其主要特点
9、： 一是能有效杀伤高速目标。微波射束以光速传输，躲避其攻击非常困难，高速飞行的目标(如导弹)也不例外。 二是具有全天候作战能力。高功率微波武器靠发射到空中的强电磁波杀伤和破坏目标。在大气中，这种电磁波不存在严重的传输衰减问题，全天候运用能力较强。 三是具有“致命”和“非致命”双重性。对杀伤人员而言，高功率微波武器的“非热效应”能使战斗人员丧失作战能力或神经错乱，属“非致命”性，而“热效应”则能致人死亡。 四是能杀伤多个目标和隐身武器。高功率微波武器发出的强电磁波波束较宽，可淹没一定范围的目标区，也就是说能打击的是一个“面”，因而可同时杀伤多个目标。值得一提的是，微波武器的射束较宽，且能量衰减慢
10、，作用距离比激光武器和粒子束武器更远，可打击范围较大的目标区。同时，由于吸收电磁波是当前各类飞机、导弹等为提高隐身效果而广泛采用的“招数”，微波的热效应还可能成为隐身武器的“杀手”。 五是对瞄准精度要求不高。微波由定向天线发射，形成具有方向性的波束，其波束又较宽，可弥补跟踪与瞄准精度不高的缺陷。 制信息权是克敌致胜的重要手段之一。基于超大规模集成电路而发展起来的军事专用集成系统获得了广泛应用，使得通信、雷达、导航以及各种指挥、控制、识别、定位系统实现了灵巧化与智能化。但微电子器件比电子设备更容易受到干扰和烧毁。大大降低了军事电子系统对强电磁脉冲（雷电脉冲，核电脉冲和高功率微波）的防护能力。近二
11、十年来，高功率微波(HPM)的发展取得了长足进步，各种性能优良的器件不断涌现，高功率微波武器的实用化也日益成熟。高功率微波武器是利用定向辐射天线向目标辐射高功率电磁信号，通过“前门”或“后门”耦合进入目标，达到干扰乃至毁伤目标电子系统性能作用。为了开发新型灵巧、高效的电子干扰和毁伤技术，开展针对器件和电路的电子效应与机理研究是基础和前提。效应与机理研究结果可为高功率微波武器的总体概念设计和发展方向提供依据，同时为武器电子系统加固技术研究提供关键技术。国内外对此都非常重视，已经开展或正在开展大量研究。宽带大功率速调管是一种宽频带、大功率的微波电真空器件，可以提供几百kW-MW的峰值功率电平下，相
12、对瞬时带宽达到10%以上。它用于国土防空雷达发射机的末级功率放大，是雷达的核心器件，在现代军事上发挥着重要作用，也是大功率微波重点研究领域。随着雷达技术的发展，对速调管提出了越来越高的要求，不仅要求其峰值功率较低，以缩小系统的体积、降低成本、提高机动性和可靠性，而且还要求其具有足够的工作带宽，以提高雷达的频率捷变能力，从而有效地躲避敌方的攻击。宽带大功率速调管在科学研究、聚变等离子态加热及通讯电视上有着重要应用。海湾战争以来，微波功率组件由于具有体积和重量与全固态整机相近，比全固态整机的输出功率高，可靠性好，频带宽等优点而受到重视并得以快速发展。美国国防部把1992年至1997年发展计划的附加
13、资金追加为研制微波功率组件专用资金，并将微波功率组件列为1994年国防关键技术的关键子项，这说明它对未来的军事装备有重要影响。大功率行波管微是微波功率组件核心。大功率行波管多采用全金属耦合腔结构，散热效果好，工作电压高，因而功率很大，在电子对抗和常规大功率雷达的最大用户。等离子体加载微波管，如等离子体加载相对论返波管、回旋管、FEL及非相对论等离子体加载普通微波管的研究工作也取得了引人注目的进展，目前两类等离子体加载行波管均达到很高的水平。他们具有一些独特的优点，在功率、带宽、频率等综合性能上优于同类型真空微波管，并可降低或取消笨重的外加聚焦磁场。在重量、尺寸较紧凑的军用微波系统，尤其是捷变频
14、电子战雷达、通讯系统以及大功率干扰机中有重要的应用价值和潜力。在精确制导技术发展中，由于毫米波更能适应复杂的战场环境和恶劣的气象条件（与红外相比），探测目标精度更高（与微波相比），毫米波雷达可改善跟踪精度和命中率，提高抗无源干扰的能力和对多目标的分辨能力，以及低空和超低空作战能力；毫米波雷达导引头能够有效地捕捉和跟踪隐身目标，使得毫米波成像制导技术成为精确制导武器的重要发展方向，并随着毫米波主动雷达导引头技术的迅速发展，获得越来越广泛的应用。为了满足军事战略与战术通信需求，军事强国相继发射许多军用通讯卫星，随着技术的发展，卫星的测控与通讯链路已扩展到毫米波波段，如美国的宽带填隙卫星WGS，可以
15、提供单项的Ka波段广播业务与新的双向军用Ka波段业务，它将成为美国国防部功能强大的通讯卫星系统。第二代跟踪与数据中继卫星TDRSS的卫星中继测控链路也扩展到了Ka波段。因此发展在Ka波段的反卫星通讯武器，研制Ka波段的卫星通讯干扰机具有非常重要的意义。因此研制大功率、宽频带、高效率和高可靠的毫米波特别是大气窗口波段（8mm，3mm）行波管的任务十分重要和迫切，对满足我国军事电子系统的急需，具有重要的现实意义。毫米波固态功率源随着频率升高，单个固态器件的功率输出就会迅速减少。就当前国内的情况而论，现已列装的毫米波武器，如双35火控雷达（兵器206所），YJ-83，YJ-8A导弹中的末制导雷达，以
16、及已进入型号的YJ-83K末制导雷达和YJ-12红外-毫米波复合制导雷达，发射机主控振荡器都由磁控管或行波管那样一些电真空器件承担。其缺点是所需电压高、质量重、体积大、供电复杂而且还带磁路，从而导致复杂的电磁兼容问题。在毫米波频段，单个固态器件的输出功率尚不能满足工程系统的要求。因此，提高器件的输出功率电平，以获取这些器件在毫米波系统中的小尺寸、轻质量、高可靠性等诸多优点就成为当今毫米波系统发展的关键问题之一。虽然从单个器件中可能提供的功率存在一些基本限制，但通过组合若干个相干工作器件或通过叠加分离器件功率的办法就可明显增大可能获得的功率电平。这种想法可以用三种方法来实现：器件合成、电路合成和
17、空间合成，也可采用器件和电路合成的混合形式。近年，空间功率合成技术得到空前发展。美国，日本、韩国、台湾等国家和地区，在空间功率合成技术方面已取得长足进步。这种合成方式，除可用于发射机主振荡器外，还可供波束扫描天线作单个阵元的功率放大。据报导，Ka频段在34GHz目前的实验室水平为25W连续波输出功率（美国洛克希德马丁公司与北卡罗林纳州立大学）。在这些工作中，器件合成是空间合成的基础。即器件合成输出功率愈大，空间合成就可组合出更高的功率。空间功率合成技术由于可有效地在毫米波频段实现高多路合成效率（80以上），利用该技术有望研制出可作为中低功率行波管替代品的固态高功率毫米波放大器，从而较好地满足军
18、用系统对体积、重量、可靠性等方面的要求，为全固态毫米波发射机的研制奠定可靠的技术基础。高功率毫米波具有波束窄、分辨率高、能量密度高、抗干扰能力强，具有测量复杂结构、探测、识别、跟踪多批量小目标及空间碎片的能力，是新概念定向能武器研究、高功率毫米波预警雷达、相干雷达及相控阵雷达、强力电子干扰和对抗的理想毫米波源，同时随着功率的不断提高，利用高功率毫米波束也较容易作成高能量密度的强力干扰机和定向能武器系统。毫米波干扰机的部件包括大功率发射机、天馈系统、信号接收处理系统、干扰信号产生系统、伺服系统等，其中核心的部件是大功率的毫米波发射机微波管。因而高功率毫米波源是军事强国竞相发展的军备技术。为了提高
19、我国的国际地位，增强国防实力，打赢高科技战争，急需发展这类高功率毫米波武器系统及高功率毫米波源-回旋速调管放大器。高功率毫米波回旋速调管放大器的研究不仅有重要的军事应用前景，而且随着它推广应用，将有巨大的经济效益和社会效益。电磁波时域资源的开发与应用，是全面影响整个电子学各个领域的重大事件，权威专家评价为 “超宽带的今天就是1993和1994年的Internet (Ultra-wideband is today where the internet was in 1993 and 1994) ”; “是一种对无线通信基本概念提出挑战的技术（A technology that challenge
20、s a basic concept of the wireless industry）”；“超宽带的发明和晶体管一样重要（an invention that might be as important as transistor）”。超宽带电磁学理论与实验研究的新进展已将超宽带通讯、超宽带雷达、电子战、光通讯、THz理论与技术、瞬态测试、半导体技术、精密同步技术、高功率微波等一系列学科融合起来，形成一个具有前沿性、综合性和带动性的研究领域，是影响若干军用、民用高技术发展的重要学科之一，是21世纪世界列强争夺电磁波资源的重要领域。美国FCC于2002年制定了UWB发展的国家标准，在超宽带通讯、超
21、宽带雷达、超宽带高功率脉冲源等方面做出了大量投入和研究工作。已经研制出超宽带芯片；单个光导脉冲源的功率达到109W；脉冲宽度达到飞秒量级；860个单元的同步ns光导脉冲源；光控相控阵技术等等。2、国内外有关技术的研究现状、趋势和差距（1）大功率微波、毫米波技术有关毫米波行波管的研究，从二十世纪九十年代以来，国内外学者从各个方面开展了大量的研究工作，涉及到器件的各个组成部分：1）在电子光学系统方面，许多学者进行了理论、实验研究及计算机优化设计，取得了大量研究成果，并成功应用到毫米波行波管的设计制造中。2)作为电子和波进行能量交换场所的互作用电路，一直是被关注的焦点，其性能优劣直接决定行波管的技术
22、水平。3)电子注与电磁波的换能是一个非线性互作用过程近年来美国在多大学研究计划（MURI计划）的支持下，对螺旋线行波管的非线性互作用进行了大量研究，特别是小型化螺旋线行波管的多信号注波互作用非线性研究,并尝试建立新的理论模型,主要有: MUSE模型、GATOR 、CHRISTINE模型。 4)关于能量输出技术，一般是采用同轴输出结构系统和波导型输出结构来实现。显然，前者适合于宽带中小功率行波管，而后者被用在窄带大功率器件。因此，要将互作用电路中产生的大功率宽带毫米波耦合出去，还需要在波导型结构的基础上，探索出展宽工作带宽的方法。5）毫米波行波管整管的研制水平，在近年来已经大大提高。法国公司研制
23、的型号为TH4428的毫米波螺旋线，工作范围1840GHz,在2533GHz带宽内，输出功率大于80瓦，全频段大于40瓦。美国Northrop防御系统研制的Ku波段倍频程行波管在20-39.5GHz内功率100瓦，小信号增益大于40dB。法国Tomson-CFS公司研制了一种军事通信用毫米波行波管，为了增大返波起振电流，达到抑制返波振荡的目的，在保持增益的条件下，设计了特殊的变螺距结构，此管在43.5-45.5GHz内输出功率大于90瓦，小信号增益大于52dB。国内在采用新型全金属慢波系统的行波管研究方面，只有电子十二所的3mm曲折线行波管，但性能跟国外相比有较大差距。总之，毫米波行波管的研究
24、已经成为目前真空电子器件研究的热点和前沿，向宽频带、大功率、高效率以及更高频率发展是本领域的整体发展趋势。原苏联的科学家，早在20世纪60年代中期就开始在回旋速调管研究。首先在厘米波波段进行了原理实验，以后在毫米波波段的两个大气窗口8mm及3mm波段研制了高峰值功率与高平均功率的回旋速调管。俄科学院应用物理研究所(IAP)与俄工业企业TORIY合作研制了一支中心频率35.2GHz、TE02工作模式的双腔回旋速调管，其脉冲输出功率达750kW，平均功率5kW，效率24%，增益20dB，带宽0.6%，电子注电压75kV，电流45A。另一支35GHz的TE01模3腔回旋速调管，脉冲输出功率250kW
25、，平均功率1.2kW，效率35%，增益40dB，带宽1.4%。俄科学家研制的W波段、TE01模的四腔回旋速调管，频率93.2GHz，脉冲输出功率65kW，平均输出功率2.5kW，效率26%，增益35dB，带宽0.3%。1989年俄罗斯利用两支峰值功率为500kW，平均功率为5kW的回旋速调管研制成Ka波段的相控阵雷达Ruza。该雷达能同时跟踪30个近地轨道小截面目标，探测距离为420KM。上世纪90年代中期美国启动了一个强有力的发展W波段高平均功率回旋速调管及相应雷达的计划，在军方及能源部的支持下，由海军实验室电子科学与技术部(Electronics Science and Technolog
26、y Division)真空电子学分部(Vacuum Electronics Branch)领头，CPI、Litton公司与马里兰大学(U.M.)参加，从1995年开始，共同研制W波段高平均功率回旋速调管的原型，以后由NRL与CPI进一步改进回旋速调管性能。经过数年研究，1999至2000年间，W波段的高功率回旋速调管已取得突破性进展，他们研制的5腔TE01模回旋管，平均功率达10.2kW，效率31%，工作比10%，带宽700MHz，饱和增益33dB，工作磁场35.5kG，电压55kV，电流6A。同样这支管子，电压、电流、工作比不变，提高工作磁场至36.6kG，得到了4kW平均功率，效率12%，
27、饱和增益29dB，而3dB带宽达1050MHz。2001年美国利用回旋速调管放大器研制出机动的W波段毫米波雷达系统WARLOC，该雷达系统移动非常灵活方便，用于掠海面飞行目标的探测和跟踪，能有效消除低空及近海面杂波干扰，识别低空飞行的巡航导弹等目标。回旋行波管在毫米波波段具有频带宽、功率大等优点,在国际上受到很大重视。从上世纪80年代开始,原苏联、美国与中国对回旋行波管的理论就已进行了大量的研究工作。同时国际上的一些主要的研究机构也开展了相应的实验工作,研究回旋行波管的主要研究单位是美国的NRL、瓦里安(Varian)公司、美加州大学洛杉矶分校(UCLA)、戴维斯分校(UC Davis)、海军
28、实验室、麻省理工学院、台湾清华大学、电子科技大学。先后在厘米波段、Ka及W波段进行了研究工作。在20世纪80年代晚期，由于对回旋行波管稳定工作的问题进行深入的理论研究，一轮新的国际性的研究活动又开始了。在台湾清华大学的研究小组，系统的分析了工作在TE11模式Ka-波段回旋行波管中模式竞争问题。马里兰大学的帕克分校已经开展了二级结构的倍频放大器的研究工作。包括二次倍频 的回旋返波管和回旋行波管。在最初的方案中第一级结构使用行波管放大器，而后续的方案则改为在两极结构中都使用行波管放大器。最近报道了回旋返波管工作状态的相位特性。对回旋行波管的实验还在进行中。20世纪90年代初，台湾清华大学(NTHU
29、)的朱国瑞教授领导的研究组对回旋行波放大器进行了深入的理论分析与细致的模拟计算，通过对自激振荡的机制分析，提出分布衰减的波导段来代替起切断作用的集中衰减，利用此结构的回旋行波放大器在性能上有很大突破。在一百千伏注电压下，得到了如下实验结果：中心频率35GHz，峰值功率93kW，3dB带宽8.6%，效率26.5%，增益高达70dB。上世纪在90年代，俄国科学院应用物理研究所的G.G.Denisov等人提出一种螺旋槽波纹波导代替光滑壁波导，这种螺旋槽从根本上改变了小轴向波数区域波的色散特性，他们从理论分析与计算上证明这种结构能大大减少回旋行波放大器对电子速度零散的敏感性和增加带宽，并能得到高的功率
30、。俄英合作开展了波段二次谐波回旋行波放大器的实验工作，利用200kV，25A的电子注产生了1MW的输出功率，增益23dB，效率20%，新近的波段2次谐波的实验，在固定电压与磁场下，得到了1.1MW的峰值功率，饱和增益37dB，效率29%，频带从8.4至10.4GHz。近年来俄科学院应用物理研究所开展了电压低于100kV的Ka波段这种新结构的回旋行波放大器实验，8mm波段二次谐波工作，注电压80kV，电流8.5-9A，最大效率27-28%，饱和增益25dB，线性增益30-35dB，最大脉冲输出功率180kW，带宽35.1-36.8GHz，带宽受限于激励源。螺旋槽新结构的回旋行波放大器很有前途，可
31、望作成低磁场高脉冲功率及高平均功率（10kW量级平均功率）、高增益、宽频带毫米波放大器，在毫米波雷达、电子战、毫米波武器研究方面有很好应用前景。回旋行波放大器是毫米波和亚毫米波领域国际研究的前沿和重点，取得了重大进展，不同方案均已研制出相应样管。目前研究重点是提高输出功率、增益、增宽带宽、提高稳定性、可靠性，进行实用化研究。国内回旋行波放大器研究只是各种方案的探索，初步的理论分析和模拟，有待开展系统的专题研究和样管研制。宽带大功率速调管速调管是一种将直流能量转换成高频能量的大功率真空微波器件，相对论速调管短脉冲能产生20GW的功率输出。美海军实验室研制的相对论速调放大器RKA，利用近似虚阴极结
32、构来有效地使放大器中电子群聚，在频率1.3GHz，脉宽140ns，得到了6GW以上的稳定输出，脉冲能量近1KJ，单脉冲工作方式可以达到15GW以上，进一步提高功率，寄希望于采用三维结构，以增加器件空间电荷效应限制电流。由于相对论速调管整个系统结构复杂，体积庞大，其发展和应用受到限制。而长脉冲和连续波大功率速调管成为研究重点，得到快速发展。美国SLAC、CPI研制出频率3GHz，脉冲长度3s，功率150MW的高功率速调管。SLAC在频率11.4GHz，脉冲长度1.21.5s，功率为50MW75MW。日本东芝在该频段，脉冲长度0.5s，得到2.5MW。CPI，Litton在频率805MHz，脉冲长度1.7ms，功率为2.5MW。TTE在频率1.3GHz，脉冲长度1.5ms，输出功率10MW。SLAC、CPI、TTE在多个低频段均得到了1MW以上的连续波输出，效率大于65%。大功率速调管在科学研究、国防技术和国民经济等领域具有重大应用价值。在科学研究方面，是探索物质结构的高能粒子加速器，开辟新能源的可控热核聚变等离子加热装置，以及加速器驱动洁净核能系统和太阳能空间站的微波输电系统
