极客实验
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大功率微波定向能加热装置,微波无线输电装置,微波武器(微波炮)的设计与DIY制作
虎哥 2018-5-31 23:19:07

十多年来,我创有关大功率微波定向发射的讨论有上百篇(例如:https://www.kechuang.org/t/80719),但是没有一篇关于实践的指南(有实践报道,例如https://www.kechuang.org/t/80731 ;;)。介于这种形势,我就来开个先河吧。

1、引言

微波是电磁波的一种,曾经严格的定义是频率范围300MHz-3GHz的无线电波。随着技术的发展,频率越做越高,因此习惯上把频率范围1GHz~数百GHz的无线电波称为微波,而频率高于30GHz的最近又更多的直接叫做毫米波。

微波的波长较短,与更长波长的无线电波相比,可以用更小尺寸的天线获得较高的方向性。微波在空间中主要依靠直线传播,较大功率的微波可以用波导来传输,损耗小、成本合理。因此,用微波传输能源(微波输能)是一种有前景的应用方式。微波作用于极性分子,例如水和含水较多的蔬菜、肉类,会高效的转变为热。微波炉是微波能在生活中最常见的应用。

产生微波的方式很多。对于中大功率微波而言,常用的设备是磁控管、行波管等。当然,也可以用半导体振荡器和放大器经过功率合成来产生大功率微波,但是成本较高,效率较低(以电能转换为微波辐射的效率计,~45%),暂时还难以普遍推广。磁控管是最成熟、最简便、最廉价、效率最高(以电能转换为微波辐射的效率计,70%~)的方式。微波炉中的磁控管通常只需要30多元人民币,可以说已经廉价到极致。工业加热和微波输能中,还会用到更大的磁控管,目前常用的最大规格为75kW。当然,一般很难用到这么大的管子,在日常的工业应用中,最常使用的是1kW的磁控管,价格大约100元人民币。

强的微波辐射可以用来加热产品,或者一些有趣的用途,比如杀灭白蚁(可能,我还没做实验)、捅马蜂窝,或者也可以用于打无人机、消灭暗藏的间谍设备等特殊用途。微波也是电能无线传输的可行方式,经过良好设计的设备,已经可以在千米以上距离,传输千瓦量级的电能。当然由于微波的聚焦不像激光那么好,照到天线的只有很小一部分,因此无线传输能量的效率偏低,目前暂时只具有军事实用价值。

微波作用于生物,主要发生热效应,和微波炉加热食物的道理是一样的。关于微波的“危害”,历史上有很多争论。目前学术界主流的观点是,弱的微波没有什么危害,强的微波会加热组织,引起局部热损害(烫伤)或引起中暑,过强的微波可以直接烤熟生物。不过持不同观点的学者也不少。例如,微波能够使某些化学反应以不常见的速率或平衡来进行,然而目前缺少完美的理论解释。弱的微波也会导致细胞膜穿孔,这方面有较强的实验证据支撑,但也缺少有效的理论解释。因此,许多人认为尽管弱微波的有害证据不足,但由于未知的方面较多,尚不能武断的轻信弱的微波没有危害。综合目前研究成果,我们认为短期的非热照射不会产生不良后果;短期的热照射(通常指功率通量密度高于10mW/cm2,100W/m2),在不引起局部过热(超过40℃)的前提下也是安全的。事实上,人体由于含水丰富,血液循环迅速,有较强的散热能力。感觉到微波“温暖”的强度,短时间不会引起严重后果,但是需要注意某些组织的散热能力差,且变热以后人不会马上察觉,就容易引起严重后果。其典型代表是眼睛的晶状体、男性的睾丸。某些内脏过热时并不表现为热感,可能引起疏忽,也应特别注意。

用微波作为武器是古已有之的研究。这种武器通常需要较高的频率。军事上的实验发现,频率在30~150GHz(110GHz附近为佳)的微波由于深入人体较浅,能量主要在皮下释放,正好刺激皮肤的感受器,因此具有较好的人员驱散和震慑作用。这种微波武器可以被独裁者用于镇压聚集人群,当功率足够大时,甚至可以瞬间点燃被试动物的表皮和毛发。某些微波发射器也用于打击飞行器,扰乱敌方的通信设备等用途。工业上常用的915MHz和2.45GHz微波发生器由于频率太低,会加热到肌肉层。换句话说,要加热的组织体积巨大,热得慢,需要很大的功率和较长的时间,不太适合军事用途。

2、DIY的方法和设备

这里以DIY一台2.45GHz频率的磁控管微波发射器为例。所有的零件都可以方便的买到或者自制。

微波发射器至少需要包括电源、磁控管、激励腔、天线(这里用喇叭天线)和必要的控制设备。下图是某型微波炉的电路图,可以拆解废弃微波炉直观的了解。

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我们要DIY的发射器,在上图中只出现了高压电源、灯丝电源、磁控管;为了能够定向的发射,还需要激励腔和喇叭天线。

关于磁控管原理,请通过PPT了解(转载)。

磁控管原理.ppt2.81M127次下载   

磁控管可以用几十元一个的家用微波炉管子,不过本文为了效果更好,用的是1kW工业加热磁控管。这种磁控管满大街都是,略微贵点:

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激励腔是磁控管的输出元件,它的目地是把磁控管的微波震荡转变为波导中适当传播模式的电磁波。

下图是一种廉价的BJ22激励腔(网络图)。

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磁控管直接安装在这个激励腔上。注意图左边的那些螺丝孔,与常见磁控管是匹配的。

这种激励腔较大,不过由于已经钣金或者压铸化了,非常便宜,只需要几十元。本文使用细长一些的BJ26激励腔,经过淘宝搜索可得:

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这个激励腔实际要不了这么多钱,估计也就几十元的水平。不过专业用的高精度波导是铣削加工的,必然很贵,除了实验室研究用途,通常没有太大必要。

激励器的输出法兰,可以连接更长的波导,也可以直接连接喇叭天线。本文直接连接喇叭天线。

但是喇叭天线却不好找,淘宝上几乎没有,有也很贵,因为工业上通常不是用我们需要的喇叭天线来做输出的,因此适配的喇叭就贵。不过,DIY当然要追求较低的成本,于是我们祭出大杀器:

纸糊的喇叭

首先,用3D打印打印一个对应BJ26的法兰,留一截两三厘米长的波导:

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在等待3D打印的过程中,可以趁机对喇叭进行设计仿真:

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根据需要的增益(这里为13dB)、副瓣抑制比(这里为20dB)并尽量往小尺寸的方向上优化,得到喇叭的结构参数。

喇叭设计是本科阶段的课程,没学过的请补习《微波工程》或参考下面课程设计(网上转载):

喇叭天线设计.doc500k66次下载

 本文所用喇叭,其HFSS仿真模型直接公布如下,仅供参考,不保证正确

角锥喇叭 2.45G BJ26.aedt502k58次下载

 知道了喇叭的结构参数,就好办了。

首先请实验室的妹纸帮忙做个剪纸手工:

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在里面糊上铜箔

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大功告成

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那么,还剩下没准备好的部分就是电源了。

众所周知,微波炉一般用变压器将电压提升到接近2KV交流,然后用二倍压整流电路再将其提升到4kV直流。这种组合具有皮实耐操等特点,但不可避免的用到笨重的变压器和体积硕大的工频倍压电容。巨大的体积和巨大的重量都导致装置难以移动,所以,咱肯定不能用这么low的方法。

作为实验,本文用了一个比较贵的电源:

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 这个电源是专业级的,确实有点贵,如果想便宜,很简单:

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 注意这种几十元的都是拆机件,不是全新的。

如果想移动使用怎么办呢?好办:

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电源的问题,就被人民币大法解决了。

磁控管的接法通常是外壳接地,两个电极都接4000V负高压。磁控管的两个电极之间是灯丝,也就是说,对于变压器,高压绕组上需要有一个灯丝绕组。对于开关电源,也会引出两根高压线,一般不用区分这两根线的极性。

磁控管如果短时间(几秒钟)工作,可以不用冷却。长期工作必须冷却,因此需要一个强力风扇,以及对应的风扇电源。

把上述东西攒起来,就得到我们的实验装置:

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 下面,就进行作死实验

3、效果实测

先测个场强

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  功率出来了吗?感受下

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点个灯看看(可以激励荧光灯管,输出比灯管本身设计要强得多的光功率,此处用的紫外线灯管,当心紫外危害)

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 谁说电磁波“看不见摸不着”?这不就摸着了吗。用热感来判断场强分布,准确、迅速。。

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 直观感觉一下温度和场强的关系

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 测个近点的

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 窝草,天线着火了

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 对应于2.45GHz左右的那一对振子,产生高温,烧坏了塑料保护盖,点燃了部分PCB。

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 轻伤不下火线,PCB的延烧面积迅速扩大。

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 另一个角度。从频谱也可看出,加热用磁控管的输出品质不佳。

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 录到的功率通量密度。此数值偏小,这种测试方法不太准确。另外就是天线已经被烧坏了。

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 最后,火腿肠被烤干,但并未着火。

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 剧终。

无线输电的接收器,还没做。

长数君对本文有重要贡献。

免责声明:本文内容仅供拓展知识,滥用可能导致危险和危害,非专业人士切勿模仿。

[修改于 4 个月前 - 2019-01-23 16:54:42]

加载全文
2018-6-20 20:55:29
30楼
引用:虎哥 发表于25 楼的内容:
由于纸糊的喇叭有若干不可控因素,决定用全金属喇叭重新进行测试。首先是仿真计算。权衡尺寸和增益,设计目.....

这张照片是相机在辐射方向上拍的吗?29mW/cm2的电磁波对相机没有干扰吗?

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2018-6-21 02:15:34
虎哥(作者)
31楼
引用:三水合番 发表于30 楼的内容:
这张照片是相机在辐射方向上拍的吗?29mW/cm2的电磁波对相机没有干扰吗? 

这些都是手机拍摄的。实践证明人都能略微察觉温暖的强度,手机可正常使用,甚至WIFI都没中断。长数的卡西欧机电式手表在该强度下程序跑飞并自己关机,重启复位后正常。我的佳明户外手表在我在距离喇叭口约10㎝处用微波烤手时忘了取(几秒钟,发现后迅速离开了),位于手臂背向喇叭方向,未出现任何异常。

32楼
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 我觉得可以用用看这种。

2018-6-26 16:18:18
33楼
引用:虎哥 发表于31 楼的内容:
这些都是手机拍摄的。实践证明人都能略微察觉温暖的强度,手机可正常使用,甚至WIFI都没中断。长数的卡.....

wifi是2.4g的吗?那么强的同频段干扰竟然还能连上……感觉有点吓人

虎哥(作者)
34楼
引用:三水合番 发表于33 楼的内容:
wifi是2.4g的吗?那么强的同频段干扰竟然还能连上……感觉有点吓人

wifi的抗干扰能力非常强,毕竟要承受海量热点同时工作时可能的干扰,在频谱规划和调制方式上做了充分考虑。磁控管尽管信号质量不佳,但不能覆盖整个频段,于是漏网了。

35楼
引用:虎哥 发表于34 楼的内容:
wifi的抗干扰能力非常强,毕竟要承受海量热点同时工作时可能的干扰,在频谱规划和调制方式上做了充分考.....

即使wifi采用了精细的频分复用,能找到漏网频段予以利用,但是如此之强的同频段干扰(wifi的前端模拟射频部分肯定是把2.4G频段整个放过去给混频器和ADC的),居然没有阻塞它的模拟前端,这也颇为神奇。不知wifi是怎么解决这个问题的。

36楼

对付广场舞音响的大杀器,聚焦再好一点,体积再小一点

虎哥(作者)
37楼

今天长数君把开关电源折腾好了,测试之,工作时间变为三分之二。

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2018-7-16 03:54:23
38楼

wifi延迟多大,有时候能连但不定时出现严重延迟或者中断

2018-9-25 11:46:58
39楼

功率加大后是什么效果。我看到一个老外的视频和你这个差不多。能吧摩托车和音箱摧毁。想知道。是真的假的。

虎哥(作者)
40楼

加多大?按照功率通量密度计算,对大多数电子设备的永久性破坏通常需要50mW/cm2以上,部分大电器比较脆弱,通常也需要10mW/cm2。

41楼

感觉像用微波“”吹”微波“烟圈”

2019-1-23 15:49:30
42楼

额,,,虎哥,,如您做实验这套装备,穿透性怎么样?比如烧建筑内的白蚁、蟑螂、、、   家用电器比较多,担心透过承重墙或天花板损伤电器。

虎哥(作者)
43楼
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钢筋混凝土的建筑,就不要想用这个东西来进行昆虫消杀了。

国外的住宅很多是木结构别墅,有专门的公司采用微波消杀,对准房梁柱子。对于古建筑也可以采用这样的办法。

44楼

你好,楼主,如果磁控管周围有很强的强力磁铁对磁控管有没有影响,是不是磁控管直接就不工作了或者直接报废?

虎哥(作者)
45楼

取决于多么“很强”,一般的磁铁影响没多大。

46楼

应该是很强很强的磁场强度,有6000高斯---基本上可以说是最强的强力磁铁了

47楼
引用:blue666 发表于46 楼的内容:
应该是很强很强的磁场强度,有6000高斯---基本上可以说是最强的强力磁铁了

6000高斯可有些困难……

理论上讲,即使是用剩磁1.2T的强磁按最优的排布来算,想要在某个点产生6000高斯的磁场,也需要在它外面裹满一层外径是内径1.4倍左右的球壳形的磁铁才行……

如果是简单的堆砌,那得用半无穷厚的磁铁

48楼

47楼的朋友,你好!你可能误会了我的意思,我的意思是说:在磁控管工作或者不工作的时候,磁控管旁边放了一个强永磁铁,这个永磁铁是专门厂家定做的,厂家说他这个磁铁的强度达到了6000高斯,我现在想问的就是,这个磁铁会不会影响到磁控管的正常工作?或者说磁控管直接就坏了不工作了?

49楼

至于这个磁铁到底有没有6000高斯,我可以悄悄的告诉你,这一个磁铁的价格是1900RMB

50楼
引用:blue666 发表于48 楼的内容:
47楼的朋友,你好!你可能误会了我的意思,我的意思是说:在磁控管工作或者不工作的时候,磁控管旁边放了.....

如果是剩磁6000高斯,那确实很容易……

如果是在磁控管处产生6000高斯磁场,那就参考47楼,没有特殊操作的话,得用半无穷厚的磁铁。这是物理上的限制,和它值多少钱没关系。如果厂家非这么说,建议弄个高斯计测一下……

虎哥(作者)
51楼

磁控管自身磁隙的磁感应强度通常在2000Gs左右,磁场的大小、方向和均匀性要求与磁控管的设计有关,改变磁场的大小、方向、均匀性,会引起环形电流各参数的改变,从而影响磁控管的频率和稳定性。至于外部磁场能否影响磁控管,主要是看这个外部磁场最终对磁隙的磁感强度、方向和均匀性的影响有多大,进而再根据磁控管的结构来做相应的理论计算。磁路的仿真目前已有CTS软件可以实现,应该自行计算,避免泛泛而谈。

参考文献:电子管设计手册编辑委员会:磁控管设计手册,北京:国防工业出版社,1979。

本帖的主题不是磁控管的设计,你的问题可以去问搞磁控管设计的人。

[修改于 4 个月前 - 2019-01-26 13:23:26]

2019-3-5 15:39:49
52楼

楼主,国内有靠谱的微波源么?可以连续工作2周以上不掉链子那种

虎哥(作者)
53楼
引用:cxg222 发表于52 楼的内容:
楼主,国内有靠谱的微波源么?可以连续工作2周以上不掉链子那种

当然有啊,取决于你愿意花多少钱。具体情况必须明确频率范围,功率,频谱质量,工作环境,效率这些指标。事实上,一些工业生产线上,大功率微波源开半年不关是常事。

[修改于 2 个月前 - 2019-03-06 12:47:45]

2019-3-20 17:11:37
54楼

虎哥,这微波定向发射能灭鼠吗?我们这边农场鼠患成灾,急需要高科技灭鼠,见字后加我,谢谢

55楼
引用:qht888 发表于32 楼的内容:
 我觉得可以用用看这种。

这管状喇叭在哪儿买的?

2019-4-4 18:52:51
56楼

我觉得对付广场舞音响的大杀器应该是装的满满的一塑料袋屎尿,从六楼扔下去,啪,和原子弹效果一样,所有人都四散奔逃,再也没人敢在这里停留

<strike></strike>

2019-4-5 20:24:51
57楼

突然发现微波炉一直被自己拿来当熔炉使

虎哥(作者)
58楼
引用:东山再起 发表于54 楼的内容:
虎哥,这微波定向发射能灭鼠吗?我们这边农场鼠患成灾,急需要高科技灭鼠,见字后加我,谢

活的老鼠会跑的,而且很耐操。

2019-5-8 13:29:15
59楼

请问不用喇叭天线,效果会怎样呢?

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