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
刘虎沈昊宸袁心治
1.科创研究院仪表局,中国 四川省 成都市
虎哥 2018-5-31原创 正能量研究
中文摘要
探讨了一个简单的微波炮的设计,采用生活中常见的物品制作成实物,用场强仪对辐射强度进行测量。改进设计和制作工艺后,用具有吸波性能的薄板将辐射转换为热,用热成像仪观测波束的场强分布。
关键词
微波炮电磁辐射微波输能热效应非热效应热成像

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。


1.jpg

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)。

attachment icon 磁控管原理.ppt 2.81MB PPT 699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:

attachment icon 磁控管原理.ppt 2.81MB PPT 699次下载



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)。


1527775010291.jpg

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:


3.png

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:


20180531_125018.jpg

在等待3D打印的过程中,可以趁机对喇叭进行设计仿真:

51.png

  

53.png

 

52.png

 

54.png

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):


attachment icon 喇叭天线设计.doc 499.50KB DOC 380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😝



attachment icon 角锥喇叭 2.45G BJ26.aedt 502.02KB AEDT 271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:


2.jpg

在里面糊上铜箔



10.jpg

大功告成




20180531_175103.jpg

 

20180531_175108.jpg

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:


20180531_204612.jpg

 这个电源是专业级的,确实有点贵,如果想便宜,很简单:



1.png

 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:


2.png

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:


12.jpg

 下面,就进行作死实验


3、效果实测

先测个场强


15.jpg

  功率出来了吗?感受下

21.jpg

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)

30.jpg

 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。。


IMG_20180531_184548_2.jpg

 直观感觉一下温度和场强的关系

IMG_20180531_181829.jpg

 测个近点的


IMG_20180531_182429.jpg

 窝草,天线着火了😅

20.jpg

 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。



IMG_20180531_182559.jpg

 轻伤不下火线,PCB的延烧面积迅速扩大。

IMG_20180531_183828.jpg

 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。

23.jpg

 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。

25.jpg

 最后,火腿肠被烤干,但并未着火。

IMG_20180531_185503.jpg

(续集见回复)


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 2 年前 - 2019-06-25 01:44:56]

来自:科创广场 / 极客DIY
 
9
虎哥 作者
3年5个月前 修改于 3年5个月前
10楼

纸糊的波导效果拔群

20180601_211523.jpg

 由于市售的激励腔比较短,端口的模式可能不太对,用波导延长一些效果会更好。

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虎哥作者
3年5个月前 修改于 3年5个月前
11楼
引用阮洪文发表于8楼的内容
虎哥的人马有点勇敢不要命,这磁控管平均输出功率这么高,也敢无防护近距离裸体测试,远远超过人体耐受辐射...

“人体耐受辐射”是多少呢?世界上没有人做出规定。个人认为在2.4GHz耐受10mW/cm2全身照射一小时没有任何问题,局部组织(如手掌)耐受50mW/cm2,即500W/m2一分钟也没有太大问题。刚才我对手掌用1KW/m2照了一会儿,感觉很热,是那种从内向外的热,照射停止以后感觉更烫,持续了一两分钟。

一个人的截面积就按30厘米乘以2米算,也才0.6平方米。在10mW/cm2匀强辐射下,接受的功率才60W,还没有一个小太阳电暖气的辐射大。需要注意的是,场强要均匀,不能有局部的强辐射,否则局部就会倒霉。另外就是人要动一动,不要总是一个姿势照,由于人体介电常数的不同,可能在局部聚焦产生热点。

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虎哥作者
3年5个月前 修改于 3年5个月前
14楼
引用阮洪文发表于13楼的内容
虎哥,美国职业与健康标准给出的极限是10mw/cm2,六分钟。另外,据我所知,2.4ghz微波可深入...

国内业余无线电圈子里第一篇关于电磁辐射安全的文章是我写的(后来在《业余无线电家》J和《中国业余无线电》C发表),很可能也是中文圈第一篇介绍电磁辐射安全的科普文章,参见:https://www.kechuang.org/p/60371

可以看出,当年我是主张有害论的,这些年,我对此事的认识发生了180度逆转。

2000年前后写这些文章时,我查阅了大量的资料,其中,华约国家的资料主要是中文译述和综述;美国资料有很多原文。限于那时候的文献流通水平,主要资料截止于90年代初。

90年代前的研究手段是有限的。凡基于动物实验或生物学的资料基本没有找到什么除了热效应之外的证据;凡基于流行病学调查的研究,几乎都发现了各种神奇的“危害”——例如微波炉泄露强度的暴露,使儿童白血病发病率提高2倍之类。众所周知,流行病学调查的证据强度非常低,并且往往越老越越不可信。2000年以后就有许多否定性的调查结论。

然而,电磁辐射成为一个公共问题,是90年代之后的事情。在这段时间世卫组织做了大量的工作,对证据进行了分级和排除。现在我们知道,基于科学的实证原则,没有充分证据表明微波辐射的非热效应存在且明显有害。对于热效应导致的温度变化,可以用物理学的方法来建模和评估,它对组织的加热作用只要没有达到损伤组织的程度,就可以认为是安全的。

与二十年前显著不同,目前主流已经一边倒的认为只要温度不太高,微波辐射并不比晒太阳更危险,谈各种神奇的“危害”反而成了民科,比如神奇的“后显类型”😂

当然,安全标准依然需要,因为只要现实中可能遇到导致伤害的强度,就需要为工程和防护提供基础依据。但是安全标准不等于耐受值,能耐受的功率(微波辐射无积累效应,不适合用剂量来描述)比安全标准高不少。过去从华约体系照搬过来的过于苛刻的标准很难迅速降下来,但这是一个社会问题,不是科学问题。需要提醒的是,标准中的6分钟是指平均时间,意思是“任意六分钟内的平均值”,不是指只能照6分钟。

参考文献:

attachment icon IEEE Standard for Safety Levels withRespect to Human Exposure to RadioFrequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz.pdf 2.57MB PDF 146次下载 预览

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虎哥作者
3年5个月前 修改于 3年5个月前
19楼

(续前文)大功率微波定向能加热装置的测试

今天趁着风和日丽,对稍作改变后的装置进行了进一步测试。

主要有以下改动:

1、在激励器和喇叭天线之间,增加了一截纸糊的方波导。

2、在对比了铁芯变压器和开关电源供电时,磁控管的输出信号差别之后(功率没有明显的差别),用铁芯变压器替代开关电源。

首先是装置全貌,可以看到增加了一截纸糊的方波导

20180605_192024.jpg

 同时对场强进行了一个几乎瞬间完成的测试,测试条件和先前的文章相同,不过天线做出了更大的牺牲。在增加方波导后,喇叭前10厘米处的功率通量密度提高约一倍,达到了惊人的360mW/cm2。(注:绝对值可能偏小,但可以和上次的值进行对比得出“提高一倍”的结论)

20180605_192047.jpg

 使用另一种平面螺旋宽带天线试试,迅速冒烟。

20180605_193020.jpg

 该天线的微带巴伦多处过热,导致PCB变色、隆起(下图因为光线原因,不是很明显)。天线连接的频谱仪测到了100~150W的接收功率(此时,距离比上图近)。

20180605_193103.jpg

 用山寨的辐射计(真的特山寨,读数仅供参考娱乐)测一下远处的功率通量密度。在距离大约15米处,能量已经严重损失,典型的功率密度只有3mW/cm2。理论上,如果要达到“打马蜂窝”的实用效果,天线增益至少还需提高10dB,或者输出功率需提高到10kW。

20180605_194836.jpg

注意第一张图片挂着的黑色吸波材料,这其实是一张防静电橡胶板。因为库存的金属粉吸波材料都被裁成了小张,而重新买整张的又比较贵,所以使用具有导电性的防静电胶板来替代。

为了明确该吸波材料的性能,提前做了测试,让电波通过单层的该材料,得到不同频率下的损耗如下图。运气问题,拍的照正好是没有归一化的图,只能口头解释下,大概意思就是2.7GHz以下,吸收很少,多数微波会透过该材料。

不过,也正是因为吸收较少,而又有一点吸收,所以能够近距离使用(否则就会着火)。

20180605_204930.jpg

大家应该猜到咱要干啥了

20180605_192610.jpg

 质量良好、质地均匀的防静电胶板,是用来观察近距离功率分布的有效工具。结合热成像,能够直接看到喇叭的输出波瓣。

20180605_192633.jpg

 这是更近距离的结果

20180605_200317.jpg

这张图可以看出,纸糊的波导基本是冷的。后来里面铜箔被拉裂了一点,马上就打火,不过稍微摇一摇看样子是重新粘上了,也就恢复正常了。

20180605_191952.jpg

 最后,还是暴露了吃货的本质。

20180605_193535.jpg

经过这些实验,基本掌握了微波定向输能的玩法,初步体验就到此结束了。

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虎哥作者
3年5个月前 修改于 3年5个月前
24楼

经过重新计算,这个喇叭的增益只有13dB,实际上不用这么长就能达到同等效果。如果把喇叭做到1米的开口,能够达到25dB左右的增益,其远场比现有方案提高十多倍,具有实用价值。但这么大尺寸的喇叭,也是头疼。

我们也仿真了多层多孔金属板和超材料聚焦方案,在体积基本不增加的情况下还能提高大约3dB,但严重增加制造难度,看起来意义不显著。

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虎哥作者
3年4个月前 修改于 3年4个月前
25楼

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,设计目标定为16dB,理论上比纸糊的喇叭多3dB。

仿真结果是:16.86dB,实际做出来估计能达到16dB。

1.jpg

  对该天线的仿真模型,依然直接公布如下,欢迎打脸:

attachment icon 喇叭2.45G17db.aedt 497.70KB AEDT 144次下载

 这个喇叭开口尺寸已经很大了,有足足30厘米。这样的喇叭当然是很贵很贵的,但是本着没有困难创造困难也要上的极客精神,长数君找了个做烟囱的铺子,采取了铝板焊接的方案 ,成本主要是工钱。

20180619_160622.jpg

恢复到和上次实验类似的条件。

20180619_192152.jpg

 通电,用山寨辐射计看的话,距离喇叭口10米远处场强较上次实验提高10倍(均为峰值功率通量密度)。

20180619_190425.jpg

喇叭口附近近场比上次实验显著降低(3dB左右,图略)。  

录得的时域功率,可见由于采用了变压器半波倍压整流,磁控管间歇工作,实际只工作了大约三分之一时间(输出时间中部的凹陷,可能是因为磁控管频率飘出了分析带宽之外导致的)。经过改进电源,该装置的平均功率还有3倍的提升空间。

20180619_204921.jpg

结论:更换喇叭以后,远场有明显提升,提升的量高于理论预期,说明纸糊的喇叭效率不高,可能是反射较大的缘故。


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虎哥作者
3年4个月前
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。

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虎哥作者
3年4个月前
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。

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虎哥作者
3年4个月前
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。

20180627_221457.jpg

 

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虎哥作者
3年1个月前
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。

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虎哥作者
2年9个月前 修改于 2年9个月前
43楼

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。

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虎哥作者
2年9个月前
45楼

取决于多么“很强”,一般的磁铁影响没多大。😟

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虎哥作者
2年9个月前 修改于 1年8个月前
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CST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。

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虎哥作者
2年8个月前 修改于 2年8个月前
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。

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虎哥作者
2年7个月前
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,谢谢

活的老鼠会跑的,而且很耐操。

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虎哥作者
2年5个月前
61楼
引用remy1898发表于59楼的内容
请问不用喇叭天线,效果会怎样呢?

喇叭天线的增益不错,而且可以直接接驳波导。用其他天线也行,比如缝隙天线。具体性能看天线参数。

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虎哥作者
2年5个月前
63楼
引用remy1898发表于62楼的内容
请问老师,您测试时被微波照射不危险吗?

详见前文。

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虎哥作者
2年5个月前 修改于 2年5个月前
64楼

这个是用微波激励常压气体产生的等离子体火焰,很轻松的烧断玻璃棒。他的特点是不消耗电极,基本无电极蒸发污染,可用于耐高温材料的加工。

15.mp4 4.87MB


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虎哥作者
1个月13天前
67楼

有啥可以在帖子里直接说。

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刘 虎

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