高功率微波技术

关键词： 微波

高功率微波技术（精选七篇）

高功率微波技术 篇1

1 高功率微波技术的概述

高功率微波就是指峰值的功率高于100MW, 工作的频率在1GHz~300GHz的范围内的无线电磁波, 为了扩大高功率微波的发展, 高功率微波技术是一项新研发的先进的发射技术, 在这项技术中包含了高功率高功率电磁脉冲产生技术, 相对论强流电子束产生与维持技术, 还有高功率微波元器件技术等。高功率微波技术的产生是无线电广播在科技现代化进程中发展的必然趋势, 提供给无线电广播丰富的技术保障。

高功率微波发射系统具有相对复杂的发射系统。主要的构成元件有初级能源、系统控制有关的配套设备、定向发射系统和脉冲功率系统等。电源系统对初级能源系统的正常工作具有重要的影响作用, 必须时刻给足初级电源系统在作业时的电量。作为高功率微波发射系统的前提基础, 脉冲功率系统的主要工作就是保证高功率微波源的正常运行工作。

高功率微波源区别于普通的微波源之处就是在上面提到的电压要保持在100KV~1MV的范围内, 相对其他规格的微波源要高一些, 有些甚至可以达到最高电压的四倍值。高功率微波源是高功率微波技术中重要的元件, 还有一些运用比较广泛的例如虚阴极振荡器、多薄切仑科夫振荡器和等离子体辅助慢波振荡器等等器件。与一般的天线技术不同的是, 高功率微波定向天线具有明显的高功率、短脉冲的特点, 同时对天线的要求也极高, 比如定向性较高, 容量功率较大还有能够快速的扫描。

2 高功率微波发射技术在无线电广播中的应用

无线电受天气的影响和一些高层建筑的影响都比较大, 一旦碰到以上这些的制约因素, 就会导致传输过程有所损耗, 将信息失真。在一些主要的影响因素中, 微波发射机与天馈线系统具有重要的影响性。在现实中运用的时候, 如果是运用天馈线传输高功率微波, 会大大的减弱传输的信号的强度, 使原本发出的信号能量与接收的实际信号的能量数据不符, 存在差异性。所以, 从事无线电广播的工作人员要从实际的现状考虑, 把提高功率放大器和饱和输出功率以及采用新型的发射天线作为考虑的主要方面, 以切实的增强无线电传输信号的准确可靠性。

2.1功率放大组件。在无线电广播的发展过程中, 功率放大组件具有直观重要的作用, 它是在无线电微波传输中高功率微波发射技术的常用形式中的一种。我国的半导体技术在随着科学技术的发展过程中也有较快的发展, 其中砷化镓晶体管在我国的行业领域中的功率放大器器件里面运用的较为广泛, 并且在现实的运用中也有普遍的认同度, 取得可观的效益。跟以前应用较广泛的半导体材料硅比较而言, 砷化镓材料具有明显的优势。比如, 它的工作可以达到250hz的频段, 噪音低, 能够更高的击穿电压, 所以最近几年来, 砷化镓晶体管被广泛的用在高功率放大器芯片的首选上。

在现实的运用建设中, 砷化镓电路的应用也有广阔的领域。比如, 除了无线电广播的领域里, 还应用在移动电话和卫星通讯的领域里等。在无线电广播中应用砷化镓电路可以充分的满足无线电广播发射功率和信号失真的现实要求。在我国目前已经有些运营商家把砷化镓放大器在无线电广播中应用, 它的工作就是不断的提高无线电电频段的发射功率, 能够避开了传统硅的双极性功率倍增模块的情况。其在无线电广博的应用减少了系统直流功耗, 能够在加强抗失真的工作中, 提升广播的效益, 即对无线电广播企业的经济效益具有一定的推动能力。

2.2天线。无线电广播中应用高功率微波发射技术能够对天线的现实效益进行改进。天线作为高功率微波发射技术中的重要构成部分, 其在现实的运用中是一个不能缺少的环节, 因为如果在高功率微波的发射操作中少了天线的参与工作, 整个操作的过程将不能畅通的完成工作。发射天线在高功率微波发射中的主要工作原理就是根据功率放大器中的微波信号顺利的把想发的信号发出去。另一方面, 在天线发射的过程中, 往往会遇到回波损耗的问题, 要通过降低回波损耗率, 来有效的控制住回波损耗的问题。此外, 可以通过降低旁瓣电平的方法尽可能的把微波能量在它需要的频段聚集起来, 这样不仅能够提高高功率微波的发射功率, 还能减少杂音和杂波的破坏力影响。同时, 可以根据功率放大器的其他有关的作用, 与高功率微波发射技术在无线电广播中应用充分的结合起来, 通过加强合作能够有效的减少或者有利于降低在传输的过程中在造成损耗的现象。

3 高功率微波发射技术在无线电广播中的应用前景

以往的模拟信号传输方式具有工作效率低、传输失真情况多, 而且高成本的弊端, 都会影响到无线电广播技术向前发展的步伐。在无线电广播技术的发展工作中, 不仅仅要提高微波发射机和发射天线的电性能数据, 同时, 微波数字化设备也有较好的微波收发信的作用, 利用数字调制解调信号使其能够稳定的进行传输工作, 降低失真率, 最大可能的减少损耗, 进一步的提高传输工作中的效率, 加大传输的容量, 通过对中频数字化的改造, 能够更有效的增强发射的功率, 从而使多站达到满意的所需, 也会进一步的带来更大的经济效益, 并带动社会效益的发展, 会成为将来的无线电广播技术发展事业中一项重要的发展策略, 必将带动无线电广播技术朝着世界前沿发展。

结束语

综上所述, 在实际的操作运用中, 高功率微波发射技术已经在无线电广播中具有了多个领域的实践运用, 并且都得到了良好的应用效果。如果想再进一步的提高高功率微波发射技术的应用水平, 使其创造出更佳令人满意的效果, 相关的工作人员就要在准确的掌握住高功率发射原理的情况下, 进行不断的研究功率放大组件和天线这两个应用于高功率微波技术中的运用效果, 为了进一步提升高功率微波发射技术的工作效果努力分析, 提供更多的保证。

参考文献

[1]徐刚.频率可调宽带高功率微波辐射源技术研究[D].北京:清华大学, 2011.

[2]阮存军, 刘濮鲲, 高怀林.高功率微波定向能车辆阻停系统的技术发展及应用[J].微波学报, 2010.

[3]王仁德, 何炳发.高功率微波武器与天线 (一) [J].中国电子科学研究院学报, 2012 (2) .

[4]田雨.在历史与未来之间:我国数字化广播前瞻[D].济南:山东大学, 2012.

[5]郭新宝.电子设备的高功率微波防护技术[D].北京:电子科技大学, 2012.

高功率微波技术 篇2

关键词：高功率微波,发射技术,无线电广播,应用

高功率微波是指峰值功率不低于100MW、工作频率在1GHz到300GHz之间的无线电电磁波。高功率微波技术是近几年为了扩大和应用高功率微波发展起来的一种全新的发射技术, 该技术主要包含高功率电磁脉冲产生技术、相对论强流电子束产生与维持技术以及高功率微波元器件技术和高功率微波定向发射和传输技术等。高功率微波技术的兴起为我国无线电广播的发展提供了技术保障, 是无线电广播发展的必然选择。

1 高功率微波产生原理与关键技术

高功率微波发射系统十分复杂, 下图1是高功率微波发射系统的示意图。该系统的组成元件主要有初级能源、系统控制相关的配套设备、定向发射天线以及脉冲功率系统等。初级能源系统运行需要电源系统及时满足其供电需求;脉冲功率系统是高功率微波发射系统的基础, 主要作用是推动高功率微波源的运行。

高功率微波源与常规微波源之间存在较大的差异, 一般情况下, 普通微波源的电压不能超过100k V, 而高功率微波的电压通常在100k V到1MW之间, 部分微波源电压甚至能达到4MW。高功率微波源是高功率微波发射技术的关键器件之一, 目前, 在高功率微波技术中已经得到广泛运用的器件主要有等离子体辅助慢波振荡器、多波切伦科夫振荡器、虚阴极振荡器、回旋管以及强相对论微波器件等。定向辐射天线在高功率微波辐射电磁中的应用能够集中微波能量, 并顺利将该能量发射到照射目标上。与常规天线技术相比, 高功率微波定向天线具有高功率和短脉冲的特征, 对天线具有较高的要求, 如高定向性、大功率容量以及快速扫描等。矩形喇叭天线在实际应用中的频率最高, 抛物面天线自身集中馈电, 具有较高的电场通常很少应用于高功率微波中。

2 高功率微波发射技术在无线电广播中的应用

无线电广播的传输效果受自然天气和现代建筑物的影响比较严重, 如果受到以上因素的影响通常会产生较大的传输损耗, 导致信息失真等问题。微波发射机和天馈线系统是决定微波发射系统功率的主要影响因素。在实际发展应用过程中, 高功率微波一旦通过天馈线传输, 所传输的信号将受到较大程度削弱, 也就是说, 实际接收的信号能量与原本发射的信号能量之间存在较大的差距。因此, 无线电广播建设者必须结合实际发展状况从提高功率放大器和饱和输出功率、选用新型的发射天线等方面着手, 不断提高无线电传输信号的可靠性。高功率微波发射技术在无线电广播中的应用可以有效解决上述问题, 笔者结合多年工作经验, 对高功率微波发射技术在无线电广播中功率放大组件和天线两方面的应用成果进行研究和分析。

2.1 功率放大组件

功率放大组件在无线电广播实际发展过程中发挥着重要的作用, 该组件是高功率微波发射技术在无线电广播传输中的应用形式之一。伴随着科技的发展, 半导体技术去取得了较快的进步, 砷化镓晶体管在我国各行各业的功率放大器器件中取得了广泛的应用, 并在实际应用过程中获得了良好的效益。与传统半导体电子材料硅相比, 砷化镓晶体管可以运用于250GHz频段, 并且具有噪音小和信号充足等特点。近几年, 砷化镓晶体管已经成为高功率放大器芯片的主要选择。下图2是砷化镓功率放大器芯片示意图。

在实际发展建设过程中, 砷化镓电路应用领域十分广泛, 例如, 移动电话、卫星通讯和无线电广播等领域。砷化镓电路在无线电广播中的应用不仅可以满足无线电广播发射功率以及信号失真的实际需求。目前, 我国已经有部分运营商将砷化镓放大器运用到无线电广播运行过程中, 该设备的应用通过提高无线电电频段的发射功率, 避免了传统硅双极性功率倍增模块的弊端。砷化镓推放大器模块在无线电广播中的应用还能降低系统的直流功耗, 在增强信号抗失真能力的同时, 还能进一步提高广播效益, 为提高无线电广播企业的经济价值和社会价值打下了坚实的基础。

2.2 天线

高功率微波发射技术在无线电广播中的应用还表现在改善天线实际效益上。天线是高功率微波发射的重要组成部分之一, 发射天线在实际应用过程中必不可少, 一旦缺少天线高功率微波发射操作几乎不能顺利完成。发射天线在实际应用过程中的主要目的是依据功率放大器的微波信号, 将需要发射的信号顺利发送出去。发射天线应用过程中通常会存在回波损耗等问题, 要想合理控制回波损耗的大小, 必须有效降低回波损耗率, 也就是说, 在实际应用过程中发射功率不会直接受天线端口的影响, 从而引发信号回流等问题。另外, 降低旁瓣电平可以最大程度地将微波能量集中在需要的频段上, 在提高高功率微波发射率的同时, 还能进一步降低噪音污染和杂波的影响。最后, 高功率微波发射技术在无线电广播中的应用还可以结合功率放大器的作用进一步方法传输的信号, 减少传输过程中的损耗问题。

3 结束语

总之, 高功率微波发射技术在无线电广播中已经取得了广泛的应用。要想进一步提升高功率微波发射技术的应用效果, 工作人员应该在明确高功率发射技术原理的前提下, 对高功率微波发射技术在无线电广播中功率放大组件和天线两方面的应用成果进行研究和分析, 为提高高功率微波发射技术的应用效果提供动力保障。

参考文献

[1]贾永珍.浅谈高功率微波发射技术在无线电广播中的应用[J].中国新通信, 2014 (08) :73.

[2]陶建义, 陈越.外军高功率微波武器发展综述[J].中国电子科学研究院学报, 2011 (02) :111-116.

大功率微波技术在籽棉干燥中的应用 篇3

【研究意义】实验表明籽棉的含水量对轧花清杂效果、轧花质量及棉纤维的强度起着关键的作用。籽棉含水量越高, 纤维强度越大、弹性越小、纤维易缠绕在一起, 不利于清杂和轧花, 轧出的皮棉外观形态不好; 籽棉含水量越低, 纤维强度越小、弹性越大、蓬松度好, 利于清杂和轧花, 轧出的皮棉外观形态好, 但棉纤维长度损伤较大。为了获得更好的综合效益, 应该在轧花工艺的不同环节将棉纤维的回潮率控制在一个合适的范围内。实践证明 籽棉含水率在7.0%～8.5%时是轧花机正常工作的最佳时机, 轧工好, 含杂少, 棉结、索丝等疵点均明显降低。而籽棉在轧花前一般都是超水分籽棉和高水分籽棉, 所以必须进行烘干处理, 使其达到7.0%～8.5%的含水量后再进行轧花。传统干燥方法一般是热风干燥法, 烘干温度调整慢, 需要预热一段时间, 当发生故障或停止加热时, 温度的下降需要较长的时间, 不易控制籽棉含水量的变化, 且传统加热是籽棉表面先热, 然后通过热传导把热量传到内部, 常会出现加热中外焦内湿等加热不均现象, 有时需干燥两遍以上, 含水量才能达到轧花的需要或有时会出现过度干燥现象。而微波干燥是在籽棉内部加热, 由内向外干燥, 使得籽棉内部较外部先干燥, 故干燥速度远高于常规加热方法, 干燥时间要缩短到几或几十分之一, 可极大地提高干燥的生产效率。微波干燥机开机后湿籽棉即可吸收微波能, 正常运行调整微波输出功率, 籽棉加热立即无惯性地随着改变, 只要一断电源, 加热立即停止, 没有余热, 便于连续生产和自动化控制, 操作方便, 易于实现控制籽棉干燥含水率在7.0%～8.5%。【相关研究现状】籽棉干燥方面, 目前国内籽棉的干燥设备按结构划分主要有以下几种类型:搁板式籽棉干燥机、沸腾式籽棉干燥机、悬浮式籽棉烘干机、脉冲滚筒式籽棉干燥机等, 其烘干原理都是利用热源加热空气产生热风来烘干籽棉。农作物种子微波干燥方面, Prabhanjan研究表明适当的微波功率干燥不影响小麦的发芽率。棉纤维微波干燥方面, 张丽[1]研究表明>400W功率的微波干燥处理之后的棉纤维断裂强力总体趋势是下降的。【本研究切入点】目前, 针对籽棉干燥的研究主要集中在利用热源加热空气产生热风来烘干籽棉上, 而大功率 (>4000W) 微波条件下, 连续干燥籽棉的方式还未见报道。【拟解决的问题】本研究通过对籽棉大功率微波连续干燥过程中含水量动态规律的探讨, 研究大功率微波干燥籽棉的效果及其过程对棉纤维强度、棉籽的发芽率的影响, 以获得大功率微波连续干燥籽棉的主要技术参数和适合籽棉微波连续干燥的条件, 以期为微波在籽棉干燥设备上的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

一级籽棉:按国家标准GB3543-1995测定含水率, 然后加水回湿到棉共含水分20%, 取一定数量的样品在自然条件下分别凉干至含水率为9%、 11%、 12%、 13%、 14%、 15%、17%、 19% (湿基) , 将达到所需含水量的待测样品用双层密封袋封装, 在4℃下保存待用。

1.1.2 设备

QW-8HM2微波棉花烘干机由电源箱、微波加热箱、传送带、控制台、传送电机、排湿电机等组成 (图1) 。其它仪器设备主要有:手执籽棉水分测定仪 , JA3003型电子天平等。

1.2 实验方法

采用自设计的QW-8HM2微波棉花烘干机, 微波工作频率为2450 MHz, 微波输出功率为4000W, 对试样进行连续微波辐照处理, 籽棉传送带速度分别为2.5 m/min、3.0 m/min、3.5 m/min、4.0 m/min (或微波辐照时间为 50s、40s、30s、20s) , 并进行排湿处理。

进行籽棉每次称重为1kg (或进料口平铺籽棉厚度为5cm) , 微波干燥过程中使其最终含水率大于0.26%, 因为当籽棉纤维含水率小于0.26%时, 微波干燥过程中棉纤维有可能出现糊化现象。

籽棉干燥前后的水分测定:采用手执籽棉水分测定仪来测定籽棉的初始含水率和终止含水率。

籽棉纤维强度方法测定:采用感官检验, 采用手扯法扯断纤维感觉拉力强弱判断棉纤维强度。

棉籽发芽率测定:按GB3543-1995 方法测定, 100粒 4 次重复, 在ZMX 种子幼苗培养室中进行。试验干燥前按GB3543-1995 标准测得棉籽初始发芽率为92%。

2 结果与讨论

2.1 微波烘干后籽棉含水率的变化

图2中, 含水率9%～19% 曲线分别显示了不同初始含水率籽棉在8000W大功率微波干燥后含水率的变化。从曲线的总体趋势来看, 各含水率的籽棉, 其含水率随着微波干燥时间的延长而降低。在微波干燥20s之内, 9%、11%、15%的湿基干燥后达到了7.0%～8.5%;在微波干燥20～30s之间, 12%、13%、14%的湿基干燥后达到了7.0%～8.5%;在微波干燥30～40s之间, 17%、19%的湿基干燥后达到了7.0%～8.5%;初始含水率9%～含水率15%的籽棉在微波干燥时间达到50s时已经出现了糊化现象。说明了微波干燥的速度快, 时间短, 因此, 要控制棉花干燥后的含水率达到7.0%～8.5%的工业轧花目的, 只需根据不同的初始含水率籽棉而选择相应的微波干燥时间, 就可以实现。

2.2 微波烘干籽棉后对棉纤维强度的影响

从图3变化曲线的总体趋势来看, 在大功率一定的情况下, 微波处理之后的棉纤维断裂强力总体趋势是下降的, 经过微波处理的棉纤维的强力发生了较大的变化, 这说明微波处理对于棉纤维的内部结构也造成了一定的影响。因此, 在应用大功率微波干燥籽棉时, 应根据不同含水率籽棉对烘干的需要, 尽量减少微波辐照的时间。

2.3 微波烘干籽棉后对棉籽发芽率的影响

从图4中各曲线可以看出, 在大功率微波烘干下, 对棉籽发芽率影响较大, 在微波辐射20s后, 几乎所有各种含水率籽棉的棉籽发芽率从92%下降到0。因此, 在大功率微波籽棉干燥中, 不能用来干燥加工种棉。如果要考虑用微波干燥加工种棉的需要, 则可以采用小功率 (400W以下) 间歇式烘干方式。

3 结 论

从以上分析可以看出, 采用大功率微波干燥籽棉具有整体加热, 干燥速度快、时间短, 穿透深度较大, 加热均匀、效率高, 节约能源, 易于控制的优势, 但其对棉纤维的强度有一定的降低, 且对棉籽的发芽率损伤极大。因此, 想实现对棉花微波技术的工业化生产, 还要进行大量的研究。并通过微波对籽棉烘干过程的试验, 研究烘干温度与脱水率之间的关系, 确定微波功率对籽棉烘干时间的影响, 建立烘干过程自动控制的数学模型, 进一步改善产品的品质、提高烘干效率。

参考文献

[1]张丽, 王善元.微波处理对棉纤维结构与性能的影响[J].纤维素科学与技术, 2008 (12) :42-46.

[2]薛文良, 程隆棣, 李艳.微波技术在现代纺织工业中的应用[J].纺织导报, 2006 (4) :25-25.

高功率微波技术 篇4

关键词：无线电广播,微波发射技术,应用分析

前言

随着近年来经济社会发展速度的越来越快, 一定程度上也带动了科技手段的快速变革, 很多领域都广泛地推广应用了无线电技术, 并且越来越发挥了重要的信号传输功能。但是目前在微波发射技术上, 由于经常会遇到高层建筑工程阻隔、不利的天气条件等影响, 微波信号传送上也经常会发生严重的损耗情况, 一旦这种损耗在无线电广播发射中出现, 就会使得信号传输受到极大的影响, 甚至出现信号中断或者失真的现象。为了妥善解决这种问题, 很多技术人员都积极主动地对微波发射技术进行了改善, 并且探索应用不同功率的微波发射技术, 通过对其技术运用的比对, 来克服信号传输的影响因素。

通常对于微波发射系统来说, 微波发射设备及其天馈结构对发射功率具有重要的制约作用。另外在微波发射信道工作原理的直接影响下, 天馈结构也可以最大限度地削弱微波信号的减少情况, 并且弥补不同功率应用所带来的饱和影响, 所以推广使用新颖的微波信号传输天线就可以实现增益的最大功能, 确保功率传输的性能得到明显的改善。因此, 笔者试就高功率微波发射技术在无线电广播系统中的科学应用, 进行简要的对比分析。

1 高功率微波技术基本情况简介

高功率微波发射技术, 一般是功率的平均比值等于或者大于峰值的前提下, 对微波信号进行生成、传送和检测的一种技术手段。这种高功率微波技术与中低功率微波发射技术相比, 具有微波传输速度明显改善的良好特征, 所以从上个世纪初期研发设计开始, 随机得到了快速的发展和应用, 而究其主要因素, 也是微波管发挥了重要作用, 随着发展初期磁控管和速调管的先后出现, 使得微波信号传输技术在功率应用上得到了有效的增强, 现阶段已衍生出诸多类别的磁控管设施, 实现了无线电广播高功率微波发射信号的放大功能。由于各个种类的微波管在设计制作的时候是依据有所差异的运行原理, 所以可以快速地实现微波发射信号放大作用, 并且通过直接震动和放大链方法, 来取得高功率微波发射效果。例如目前所应用的三极管、四极管和返波管等微波震动设施, 就可以迅速地使得微波与电源能量的有效转化。另外应用微波放大设施的时候, 应当考虑到应用场地和技术参数的有机融合, 一旦微波发射设备要求信号传输频率必须具有良好的稳固能力, 直接震动和放大链的共同应用效果就比较突出, 不过很多微波信号发射技术目前都在应用放大链系统来实现振荡功能。但是由于单级放大设施, 增益效果并不是很好, 所以一般至少使用两级以上的放大设施, 以确保增益和微波信号传输技术的有机融合。

2 高功率微波发射系统的构件分析

目前在无线电广播高功率微波发射技术的放大设施中, 普遍使用了一种半导体技术形式, 尤其是砷化镓晶体管应用的更多, 与过去的半导体相对比, 该晶体管可以应用到220 吉赫兹的频率环境, 而且噪声特别低, 过电压的数值相对穿击比较大, 所以在主流功率放大功能的实现上日益突出, 卫星通讯、手机电话等系统上应用的越来越广泛, 功率的增益功能得到了明显的提升, 使得无线电广播发射信号的实际需要同发射功率得到了有效的统一。现阶段很多生产厂家都以砷化镓晶体管取代了硅无极性的发射功率技术, 有效地提升了发射频率。而且应用这种砷化镓晶体管来实现发射功率的放大效果, 不仅使得电压数值得到了减小, 电伏达到了220 毫安, 并且有效地避免了微波发射信号的失真情况, 保证了信号传输效果, 防止了功率的大量消耗, 另外, 将砷化镓晶体管放大设施应用到有线电视系统中, 还可以减少成本费用支出, 实现资金节约作用。

3 天馈系统分析

无线电广播微波发射系统中应用高功率发射技术, 天馈系统起着重要作用。这种发射天线可以依托高功率放大设施实现无线电广播微波信号的传输, 从而实现放大功效。而这种发射天线作用的有效发挥, 需要充分结合设计标准考虑回波的功率消耗, 并且还应当考虑天馈系统增益功能以及旁瓣电平的需要。按照回波功率消耗减小的情况, 即使天馈系统连接端子不是非常适合, 也不能发生微波信号回流的情况, 所以电能辐射一般不会受到影响, 而且也能够避免幸亏系统的功率消耗掉。为了减小旁瓣的电平数值, 将同一频率中的微波能源大规模地集中起来, 也能够达到上述目的, 而且还能够增强无线电广播系统微波信号发射功率, 并削减杂波的干扰。所以按照增益提升的功能来看, 在微波信号传输放大功率基础上, 还能够使得信号解调功率消耗稳步下降, 从而避免出现过度损耗问题。在无线电广播系统微波发射技术的应用上, 还有高功率的检测, 比如检查功率应用、增益效果、频率传输、频谱参数等情况, 而且这种高功率检测往往是在基于传统的低功率电平状态下利用部分元件的耦合功能来实现的。与传统的低功率技术相比, 这种高功率微波发射技术实际上是技术手段的一种跨越。

4 结束语

综上所述, 基于无线电广播系统高功率微波发射技术应用的分析, 并且通过实践检验来看, 对比于传统的中低功率微波发射技术, 也存在着发射信号失真、运行效果较差、费用支出过高等薄弱环节, 一定程度上也影响了无线电广播技术的快速发展, 所以目前很多技术人员或者生产研发厂家正逐渐改善微波发射天馈系统的使用性能, 提升微波数字设施的接收效果, 确保微波信号接收和传输更加流畅, 降低信号传输失真情况发生的几率, 最大限度地保证无线电广播系统微波信号传输质量。

参考文献

[1]阿斯卡尔·玉色音.无线电广播中高功率微波发射技术的应用分析[J].媒体时代.2015 (5) .

[2]田鹏.无线电广播中高功率微波发射技术的应用探析[J].硅谷.2015 (3) .

高功率微波武器的防空作战应用 篇5

高功率微波武器技术是指利用向空间发射极高功率的微波射束能量,直接杀伤目标或使目标丧失作战能力的武器技术[3]。将该技术应用于未来防空武器系统,可在近距离杀伤和摧毁来袭目标,在远距离干扰破坏敌武器系统使其失去作战能力,极大地提升防空系统的作战能力。

1 基本原理及发展现状

1.1 基本原理

作为一种新概念定向能武器,高功率微波武器与现有的依靠化学能爆破或动能撞击的弹药武器有着本质不同,它是利用高功率微波照射目标产生的电效应和热效应破坏敌方雷达、计算机等电子设备的一种武器。目前主要有两种:核高功率微波武器与非核高功率微波武器。现阶段各军事强国普遍关注和重点研发的主要是非核高功率微波武器,因而本文的研究对象是主要非核高功率微波武器。

高功率微波武器发射的微波峰值功率通常超过100 MW,使用的电磁波频率为1~300 GHz的微波频段。整个武器系统由初级能源、能量转换装置、高功率微波发生源、高增益天线、以及跟瞄装置和辅控装置组成。初级能源经过能量转换装置转变为高功率强脉冲电子束,在高功率微波发生源内,电子束与电磁场相互作用,产生高功率微波,通过高增益天线形定向微波脉冲波束发射出去,对目标进行照射,产生干扰和毁伤效应[4,5],如图1所示。

高功率微波武器辐射出的高功率能量与照射目标相互作用过程中,产生电效应和热效应,对目标实施攻击。根据目标处的辐射功率密度不同,高功率微波武器能对电子系统造成不同程度的攻击效果[6]。一般而言,功率密度越大,攻击效果越显著,如表1所示。

1.2 武器现状

(1)陆基高功率微波武器。

实际上是一种可重复使用的高功率微波发射系统,配套有传感器系统以及指挥控制系统,通过对目标的定位和跟踪,发射高功率微波束进行照射,具有极强的毁伤能力。安装在地面固定设施或移动车辆、舰船上,主要用于攻击飞机、舰艇、战术导弹、装甲车辆等。如美国在伊拉克部署的用于反战术导弹的高功率微波武器,以及“警惕之鹰”陆基微波武器系统。俄罗斯也研制出了重约13 t、工作在X波段,由3辆越野卡车组成的用于地面防空的陆基高功率微波武器的试验样机,并进行了外场试验。如图2所示。

(2)高功率微波弹。

通过在炸弹或导弹战斗部上加装高功率微波发生器和辐射天线的方式来构成高功率微波弹,利用炸药爆炸压缩磁通量的方法把炸药能量转换成电磁能,再由微波器件把电子束能量转换为高功率微波能量,并由天线发射。美军已成功研制一种以GPS/INS 制导、由914 kg级别的MK84常规炸弹为载体的高功率微波弹头[7],其结构如图3所示。

2 防空应用分析

在防空作战中,导弹突防、精确化饱和攻击以及敌空中平台的打击是面临的3类主要威胁。随着电子、航空、隐身等技术迅速发展,现代空袭兵器与空中平台呈现出高速、高机动、小目标、多目标、低空、超低空等特点日益显著,传统的防空武器系统已经很难应对。

与传统的防空武器利用化学能或动能实施攻击不同,高功率微波武器利用高功率的微波脉冲波束实施攻击,这是两者最本质的区别。因此,传统防空武器与高功率微波武器有许多不同之处,如表2所示。

可以看出,高功率微波武器的作战性能优良,作为火力打击武器,能够保证在同样条件下,极大提高防空系统的作战能力,有效应对现有的防空威胁。特别是对于反辐射导弹和隐身导弹,高功率微波武器毁伤力度极大:前者的天线主动接收宽频电磁波能量,使得更多的高功率微波能量能够耦合进入弹体,摧毁其电子系统;后者由于通常使用吸波材料,能够大量吸收高功率微波能量,产生高热量,烧毁弹体甚至引爆战斗部。

对于高功率微波武器的作用距离,可以用式(1)进行估算

$R=\sqrt{{\rm P}{}_t\cdot G{}_t/4\text{π}S}(1)$

式中,R为作用距离;Pt为发射功率;Gt为发射天线增益;S为目标处的功率密度。以国外目前最先进的技术指标计算Pt=20 GW,Gt=60 dB时,在R为40 km处,仍可产生102 W/cm2的照射功率密度,足以造成目标电子系统瘫痪。国内而言,发射功率在kMW量级,天线增益最高也能达到50 dB,在10 km以内的近程空域,高功率微波武器也能有效完成防空任务。

根据当前面临的主要空袭威胁和高功率微波武器特点,提出和分析高功率微波武器的3种防空作战应用方式:末段反导、区域杀伤、空中压制,以对抗导弹突防、精确化饱和攻击以及敌空中平台的攻击。

(1)末段反导。

末段反导是指在来袭导弹的飞行末段对其进行拦截,是对抗导弹突防的常用方式,以保卫重要目标的安全。以高功率微波作为火力打击武器,利用高功率微波对导弹目标进行照射,通过前门耦合和后门耦合,产生极强感应电流电压,烧毁导弹上的电子器件,使其制导、控制、引信等电子系统瘫痪,丧失正常工作能力。如果照射导弹目标的微波功率密度足够大,将会产生极高热效应烧毁弹体,或者非线性效应直接引爆导弹战斗部,完全消除威胁。作战示意如图4所示。

高功率微波武器对抗导弹目标的主要过程如下:防空系统的传感器系统对进入飞行末端、开始制导飞行的导弹目标进行搜索跟踪,当导弹目标进入高功率微波武器的有效作用距离,发射高功率微波持续跟踪照射目标,同时进行航迹分析和威胁判断,直到引爆导弹目标或者分析得出其偏离打击航迹,不具有威胁时,完成整个对抗过程。

(2)区域杀伤。

空袭兵器的精确打击能力、小型化程度都已经发展到新的高度。美军一架B2隐形轰炸机一次最多可携带80枚JDAM弹,同时对不同目标实施精确打击。再加上如末敏子母弹之类的面杀伤武器,其威胁程度已经超过现有防空系统的抗饱和能力。

在对抗此类高密度、多目标、面杀伤的空袭时,现有防空系统只能依靠防空高炮的高射速、密集弹幕进行概率性防御,只是由于弹药量有限、弹幕覆盖范围窄、调整瞄准方向时间较长等原因,防御效果并不理想。

而高功率微波武器发射的微波波束对指定区域范围进行照射,能够对该区域内的所有目标实现打击。可以说,高功率微波武器具有真正意义上的区域杀伤能力,运用于防空系统中,使现有的针对点目标打击的“点防空”转变为针对区域目标打击的“区域防空”。这种由“点防空”到“区域防空”的模式转变,将使防空系统的防空能力得到一个质的飞跃,作战示意图,如图5所示。

高功率微波武器区域杀伤的典型防空作战过程简要描述为:传感器进行多目标探测、跟踪获取数据,控制计算机根据各个目标的空间坐标划分区域,在中程距离上,每个区域可以发射一枚微波炸弹进行区域杀伤,在近程距离上,每个区域由地基高功率微波武器进行直接照射,实现高效区域杀伤。

(3)空中压制。

武装侦察直升机等空中作战平台一直是地面装甲部队在战场上的最大威胁,它的隐身性和机动性能好、常处于低空飞行状态,难以进行有效击毁,主要实施对装甲部队进行战场监视、战术打击的作战任务,使装甲部队行动受制,无法有效完成战术任务,而且随时可能遭受致命打击。

为改变装甲部队受制于武装侦察直升机的被动局面,可以给装甲部队配备高功率微波武器,对敌武装侦察直升机以及飞行员实施空中压制,逼迫武装侦察直升机离开一定区域范围,以便于装甲部队完成作战任务。如果功率足够大,将能够在武装侦察直升机离开照射区域前,将其烧毁。作战示意如图6所示。

空中压制是指使用高功率微波武器在搜索跟踪传感器的引导下,由陆基高功率微波武器或发射高功率微波弹对直升机部队所处区域进行照射,高功率的微波波束能造成两方面效应:一是对直升机的电子系统造成干扰和翻转,无法正常工作;二是对飞行员造成强烈的灼烧感和疼痛感,逼迫飞行员操作直升机离开照射区域。

3 关键技术

高功率微波武器要作为防空武器应用,主要需要解决以下3项关键技术:

(1)高功率微波源技术。

高功率微波脉冲源是高功率微波武器的关键和先决条件,其作用是产生高功率的微波脉冲。目前,各国已经设计出的GW量级的微波功率源主要有:虚阴极振荡器、相对论磁控管、回旋管振荡器、自由电子激光器等,但是这些高功率微波源的体积和重量很大,功率效率非常低,同时必须有高质量的冷却设备和能源供应系统[8]。

(2)超宽带和超短脉冲技术。

超宽带和超短脉冲技术是高功率微波武器发展的一个趋势,它利用极快的电路直接激励低色散宽带天线,产生ns级超短脉冲,使脉宽和频率接近于同一数量级。

(3)高增益天线技术。

高功率微波武器的天线必须具有高增益,提高杀伤能力;并尽量抑制副瓣,避免对己方人员和设备造成不良影响。同时还需要具备耐高功率能力,避免高功率微波能量烧毁天线。在工艺上还要力求做到高精度加工、天线面板不拼接以及接缝导电处理等,以保证阻抗连续,不发生打火击穿效应。

4 结束语

高功率微波武器技术发展到今天,已走向成熟。美国、俄罗斯等国已经开始进行高功率微波武器的型号研制。为便于高功率微波武器大规模装备部队,在防空作战中使用,防空型高功率微波武器的发展趋势主要表现为:减小武器体积重量,以便安装在各种运载平台上;进一步提高辐射功率,增强杀伤能力;向更宽频段扩展,获得可调整的波束宽度,挖掘更多的作战功能;与雷达系统集成[9],提高机动性能和生存能力。

摘要：介绍了高功率微波武器的工作和毁伤原理,提出了其在防空作战中可能的应用方式,指出了高功率微波武器的关键技术,最后分析了未来的发展趋势,强调了发展高功率微波武器的重要性。

关键词：高功率微波武器,防空作战,末段反导,区域杀伤,空中压制

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[8]谭显裕.高功率微波新概念武器的技术现状和发展[J].航空兵器,2004(1):62-64.

高功率微波脉冲对微带电路的影响 篇6

所谓“高功率微波脉冲”是指微波的脉冲峰值率大于100 MW以上, 频率在0.5～300 GHz之间的电磁脉冲。高功率微波[1] (High Power Microwave, HPM) 是随着脉冲功率技术的实用化而迅速发展起来的, 而通信和电子战的应用需求以及近代微波理论的迅速发展也对它起到了推动作用。高功率微波主要应用在电子战中。众所周知, 传统的电子战是利用电子干扰和电子欺骗来阻止或削弱敌人对电磁频谱的有效使用, 而在新定义的电子战概念中, 还包括使用定向能等摧毁性武器, 即从以电磁信息为基础的“软杀伤”阶段到以电磁能量为基础的“硬杀伤”阶段[2,3], 电子战的作战目标已不限于攻击敌方用于发射和接收辐射电磁波的电子装备和系统, 而是通过直接攻击敌方人员、设施和装备, 达到削弱、瓦解和摧毁敌方总体战斗力的目的。高功率微波武器是三大定向能武器之一, 它与其他定向能武器相比有其独有的优点, 不仅可以与雷达兼容构成一体化系统, 实施低功率探测, 跟踪目标, 对目标进行干扰, 还可以迅速提高功率, 对目标实施硬杀伤摧毁, 或者对敌目标的电子设备实施破坏, 具有软硬杀伤兼备的特点, 因此高功率微波武器在目前和未来电子战应用中是对付电子设备和武器系统的新一代电子战武器装备, 它的出现是电子战技术发展的一次质的飞跃。根据高功率微波的应用特点, 研究高功率微波脉冲对电子设备的影响[4,5]具有重要意义。

1高功率微波对集总元件的影响研究

集总元件是电子系统的基石, 了解集总元件 (尤其是半导体器件) 的毁伤机理[2,3], 进而研究高功率微波照射对整个系统的作用机理, 是一个切合实际的思路, 所以研究集总元件的毁伤机理是十分必要的。以下将通过实例说明高功率脉冲对各集总元件的影响。

如图1所示, 微带线导带宽0.75 mm, 介质层高1 mm, 介质介电常数εr=13.0, 导电率σ=0。整个计算空间区域为86Δx×56Δy×34Δz, 平面波区域大小为70Δx×40Δy×18Δz, 各方向空间步长为:Δx=0.25 mm, Δy=Δz=0.125 mm, 时间步长Δt=0.2 ps, 采用二阶Mur吸收边界条件。微带线一端接激励源 (电阻电压集总源) , 另一端接负载。电压US是幅度为1的高斯脉冲, 脉冲宽度为1 000Δt。图2为平面波照射微带电路图, 图中纵坐标为电场分量, 单位为V/m;两横坐标分别为仿真空间所占的尺寸格数。

1.1 HPM对电阻的影响

图3显示的是不同电场强度大小的高斯脉冲照射电阻时, 电阻两端电压随时间步变化图。由图可见, 照射波电场强度越大, 在电阻上引起的电压变化幅度越大。

1.2 HPM对电容的影响

图4反映了高功率微波脉冲对电容电压产生的影响。由图可见, 照射波电场强度越大, 对电容两端电压的影响越大。与图3比较可以看出, 外界照射波对电容的影响要比对电阻的影响小很多。

1.3 HPM对电感的影响

图5反映了高功率微波脉冲对电感电压产生的影响。从图中可以看出, 照射波电场强度越大, 对电感两端电压的影响越大。且在电阻、电容、电感这三者中, 电感受外界照射波的影响最大。

1.4 HPM对二极管的影响

二极管是对高电平瞬时脉冲最为敏感的电子元器件之一。p-n结在雪崩击穿时, 有大量的能量在结的附近耗散。热从功率耗散区的扩散并不多, 而是在器件内部形成很大的温度梯度。与器件结相接的局部区域, 温度可达器件材料的熔点, 这样, 结最终会短路。这种现象称之为热二次击穿失效。半导体器件在受到外界高功率微波脉冲照射时, 只有当脉冲功率达到一定的阈值才可能使二极管等半导体器件发生二次击穿[6], 如果功率低于此阈值, 虽然半导体器件会受到影响, 但是还能恢复到正常的工作状态。以下以二极管为例, 通过仿真来说明高功率微波脉冲对p-n结的影响。

如图1所示, 微带线导带宽2.43 mm, 长84.66 mm, 介质层高0.795 mm, 介质介电常数εr=2.2。整个计算空间区域变为256Δx×56Δy×30Δz, 平面波区域大小为240Δx×40Δy×14Δz, 各方向空间步长为:Δx=0.423 3 mm, Δy=0.404 6 mm, Δz=0.265 mm, 时间步长Δt=0.441 ps, 采用二阶Mur吸收边界条件。US=10sin (2πft) , f=500 MHz。二极管反向饱和电流IS=10-6 A, 热力学温度T=300 K。

图6反映了二极管两端电压受高功率脉冲照射时随时间变化的情况。从图中可以看出, 当脉冲功率达到一定值时, 二极管的正常工作将受到很大的影响, 但当脉冲过后其功能又能恢复。当脉冲功率进一步增大时, 二极管将会被二次击穿, 其正常功能不能再恢复。

2屏蔽盒对微带电路的保护作用

在现在的战场环境下, 必须对电子电路进行一定的保护, 屏蔽即是一种比较常用的保护方法。以下通过例子说明屏蔽盒对简单微带电路的保护作用。

由于屏蔽盒的引进, 整个计算空间区域变为102Δx×76Δy×54Δz, 平面波区域大小为86Δx×60Δy×38Δz, 屏蔽盒大小为70Δx×50Δy×28Δz。在实际设备中, 屏蔽盒不可能完全封闭, 总会存在通风窗等孔缝, 因此本模型为更接近实际情况, 在屏蔽盒正面开有一条25Δy×4Δz的小缝, 微带电路位于整个区域中央。照射脉冲电场强度为10 kV/m。

图7为平面波照射被屏蔽的微波电路时的情形, 图中纵坐标为电场分量, 单位V/m;两横坐标分别为仿真空间所占的尺寸格数。

2.1 电阻

由图8可以看出, 有无屏蔽盒对仿真结果的影响是很大的, 在没有屏蔽盒的情况下, 电阻电压在外界高功率脉冲的照射下变化很大;而当有屏蔽盒时, 外界高功率脉冲的照射对电阻两端电压的影响很小, 几乎可以忽略。

2.2 电容

由图9可看出, 在无屏蔽盒时, 电容电压受外界高功率照射波的影响很大;在有屏蔽盒的情况下, 电容受外界高功率照射波的影响虽不像电阻那样几乎可以忽略, 但和无屏蔽盒比起来, 这种影响确实要小得多。

2.3 电感

由图10可看出, 在无屏蔽盒时, 电感电压在高功率微波波照射下变化很大;而在有屏蔽盒的情况下, 电感电压在外界高功率微波的照射下虽也有波动, 但波动幅度明显要比无屏蔽盒情况下小得多。

2.4 二极管

模型与上节中二极管模型相同, 但由于屏蔽盒的引进, 整个计算空间区域变为272Δx×66Δy×40Δz, 平面波区域大小为256Δx×50Δy×24Δz, 屏蔽盒大小为240Δx×40Δy×14Δz, 在屏蔽盒正面开有一条25Δy×4Δz的小缝, 微带电路位于整个区域中央。照射脉冲电场强度为30 kV/m。

从图11可以看出, 有屏蔽盒时, 外界照射波对二极管影响很小。

3结语

本文利用FDTD仿真了高功率微波脉冲对电阻、电容、电感、二极管等集总元件的影响, 并比较了在有屏蔽盒和无屏蔽盒保护作用下集总元件受到的影响大小。从仿真结果可以看出:在电阻、电容、电感三者中, 电感受高功率微波的影响最大, 电阻次之, 电容最小;二极管受到高功率微波脉冲照射时, 当照射脉冲的幅值不是很大的时, 二极管的正常工作将会受到很大的影响, 但脉冲过后其功能又能恢复, 但当脉冲功率幅值达到一定值时, 二极管将会被二次击穿, 其正常功能不能再恢复;在有屏蔽盒保护作用下, 高功率微波脉冲对集总元件的影响很小。

摘要：随着微波技术的不断发展, 各种高功率微波武器相继产生, 这些武器不但能起到电磁干扰的作用, 而且还能够把电磁能量集中在很窄的脉冲内, 直接摧毁电子设备。另一方面, 近年来, 微带电路以其体积小, 重量轻, 耗能少, 可靠性高等优点在微波领域显示出强大的生命力, 但是高度集成化的微波电路易受小量微波能量的影响。微波能量能够通过各种渠道耦合进入系统壳体, 对电子器件产生破坏性的效应, 使其失效或功能下降。利用FDTD方法分析了高功率脉冲照射下的微波集总元件电压变化的情况, 并比较了在有无屏蔽盒保护作用下的影响结果, 为下一步研究高功率微波脉冲对复杂微波电路的影响奠定了理论基础。

关键词：高功率微波脉冲,FDTD,集总元件,微带电路

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微波功率合成研究 篇7

在实际的应用中,由于加工误差、器件性能的离散性、金属与介质损耗等,均会带来功率合成效率的降低。而对于设计人员而言,如何判断研发产品是否能达到设计要求,这就需要详细的计算方法来进行性能的预先评估。

综上T型节可分为两类,微带T型节与波导T型节,混合电桥、微带耦合器、魔T与波导耦合器均属于定向耦合器,各类分析方法相同。文中通过反、透射理论,合成计算,衰减分析,对整合成系统效率计算进行了详细分析,并给出了一个准确的预估公式,且进行了举例计算。

1 反、透射原理分析

为了便于理论计算,通常将各端口视为理想匹配,反射信号为0,即端口驻波为1。对于非理想情况下,任何端口之间必然存在一定的失配情况,反射系数 Γ必不为0。通常情况下,可利用软件和仪表得到合成器的端口驻波,因此可得到反射系数为[6]

其中,ρ为端口驻波。则端口的透射系数为T=1-Γ。

对于一个两端口传输线而言,信号会因端口阻抗的不匹配出现多次的反射,图1 为其多次反射的原理图。

如图1 所示,若传输线为理想无耗传输线,则信号会在A、B两个端口间无限反射。假设输入信号幅度为1,考虑到传输损耗,令衰减因子为 α,则各次透射信号幅度为

因此最终透射出B端口的信号应为偶数的和,因此表达式可变为

由于输入信号假设为1,所以最终的透射率为T。对于一般的计算而言,3 阶以上影响大多可忽略不计。

2 功率合成计算

2. 1 T型节

正如前文所述,微带T型节,波导T型合成原理上相同,均可视为单路Z0阻抗与双路2Z0阻抗的匹配[7]。此类合成器,由于设计、加工简单易行,因此深受设计人员的喜爱,其结构原理图如图2 所示。

设输入信号分别为a(cosθ +jsinθ),b[cos(θ +α) +jsin(θ + α)],c为合成信号,θ 为输入传输相位,α 和 θ为相位差。则根据矢量和计算

所以

2. 2 混合电桥

混合电桥是特殊的定向耦合器,文中以其中一种(直通输出端与耦合输出端之间存在90°相位差)为例,进行了详细说明[8]。其他诸如耦合先耦合器、180°电桥和Lange耦合器等均同理可证。

混合电桥的分析通常采用奇—偶模法,通过计算可得到其输出信号与输入信号的S矩阵如下

若要计算合成输出,则需对矩阵求逆,可得

信号从2 和3 口输入,3 口领先2 口90°,所以设2和3 口输入信号分别为a(cosθ +jsinθ),b[cos(θ +ф) -jsin(θ +ф)],带入计算得到

由于计算为幅度计算,功率合成效率计算如式(5)所示。

由此可看出,无论哪种合成方式,最终的计算结果相同,考虑到端口驻波,根据反、透射原理得

式中,T1,T2,T3分别为1,2 和3 端口的透射率,满足式(3),均可由各端口驻波计算得到。

3 衰减影响计算

对于微带和波导合成器而言,衰减主要由两部分组成:一是介质损耗;二是导体损耗。对于常用的矩形波导,介质为空气,其介质损耗一般忽略,只需考虑导体损耗[3],其计算公式如下

其中,αc为导体损耗;σ 为导体介质电导率;波数,a和b为波导宽边窄边尺寸。

然而对于微带线而言,介质损耗和导体损耗均不可忽略,因此其计算公式如

其中,介质介电常数为 εr;微带等效介电常数;tanδ 为介质的损耗角正切;W为微带线宽度;Z0为微带特性阻抗。

假设传输路径长度分别为l1,l2,l3,因此合成后的幅度为

4 系统合成实例计算与对比

以一个设计产品实例进行评估验证,产品如图4所示。

产品工作频率在S波段,输出放大器为Macom公司的PH3135 - 130 M功率管,输出功率为130 W(以3. 3 GHz为例)。功率合成器采用Wilkinson合成器,其各端口测试驻波为1. 3,相位不平衡度为8°。介质板为Roger 6002(0. 8 mm厚)(εr= 2. 94),因此可通过计算首先得到功率透射率和衰减因子

从图中可看出,l1= l3≈180°而l2≈90°,因此,l2=λ /4 = 22. 7 mm,而l1= l3= 45. 4 mm。

故各段损耗分别为al =0.133 ×0.022 7 =0.003 dB,所以剩余功率为99. 93%和99. 86%,带入式(12)可得

因此,其合成效率 η =1. 912/(1 +1) =95. 6%,而合成功率为130 ×1. 912 =250 W。

实际测试结果为223 W,这是由于功放合成输出端又加入了一个环形器和输出SMA接头等,其也有0. 5 dB的损耗,经计算发现,二者计算结果较为相近。

5 结束语