微波激射器技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域曾一度受到冷落，然而，其以極低噪聲檢測(cè)和產(chǎn)生無(wú)線電信號(hào)的能力，極具前景。

Element Six 是一家在微波激射器研究領(lǐng)域不斷進(jìn)取的公司。過(guò)去，該公司開(kāi)發(fā)了量子單晶金剛石微波激射器技術(shù)。

你肯定聽(tīng)說(shuō)過(guò)激光，也見(jiàn)過(guò)激光的實(shí)際應(yīng)用。激光無(wú)處不在，從超市的收銀臺(tái)到裁縫店，從眼科手術(shù)到焊接作業(yè)，要是沒(méi)有激光，我們的世界將會(huì)大不相同。但你可能從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)微波激射器，這實(shí)在有些遺憾，因?yàn)槲⒉ど淦鞯陌l(fā)明比激光早7 年。和激光一樣，“maser”（微波激射器）也是首字母縮略詞，其全稱為 “microwave amplification by stimulated emission of radiation”，意為受激輻射微波放大。如今，這個(gè)首字母縮略詞也已被廣泛使用。盡管這項(xiàng)技術(shù)問(wèn)世已久，但在未來(lái)幾年，軍方對(duì)微波激射器技術(shù)的興趣可能會(huì)與日俱增。微波激射器備受關(guān)注，是因?yàn)樗捎糜诋a(chǎn)生微波，而軍隊(duì)在通信和傳感領(lǐng)域?qū)ξ⒉ㄓ兄惹行枨蟆?/p>

追溯到 20 世紀(jì)

50 年代和 60 年代

1953 年，世界上第一臺(tái)微波激射器在紐約的哥倫比亞大學(xué)誕生。在此一年前，三位物理學(xué)家 —— 來(lái)自蘇聯(lián)的尼古拉?巴索夫、亞歷山大?普羅霍羅夫，以及來(lái)自美國(guó)的約瑟夫?韋伯，共同闡述了微波激射器的基本原理。韋伯博士是在當(dāng)年于渥太華舉行的電子管會(huì)議上提出這一原理的。而在地球另一端的蘇聯(lián)，巴索夫教授和普羅霍羅夫教授在 1952 年 5 月蘇聯(lián)科學(xué)院舉辦的全蘇無(wú)線電光譜學(xué)會(huì)議上，也做了類似的報(bào)告。1953 年，另外三位美國(guó)物理學(xué)家 —— 查爾斯?湯斯、詹姆斯?戈登和赫伯特?蔡格，成功制造出了第一臺(tái)微波激射器。后來(lái)，湯斯教授、巴索夫教授和普羅霍羅夫教授，因在微波激射器領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，共同榮獲 1964 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。湯斯教授還與美國(guó)物理學(xué)家阿瑟?肖洛合作，為激光的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。

自那以后，微波激射器在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。位于馬薩諸塞州劍橋市的哈佛 - 史密森天體物理中心指出，微波激射器可用于測(cè)量銀河系的結(jié)構(gòu)和大小。位于弗吉尼亞州夏洛茨維爾的美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)也提到，微波激射器在原子鐘中發(fā)揮著重要作用。此外，微波激射器還應(yīng)用于太空通信領(lǐng)域。1964 年 11 月 28 日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的 “水手四號(hào)” 探測(cè)器，搭載康維爾 / 通用動(dòng)力阿特拉斯 - 阿金納火箭，從佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角發(fā)射升空，踏上了前往火星的征程。1965 年 7 月 14 日，“水手四號(hào)” 成功抵達(dá)火星，并在 7 月 15 日完成了飛掠任務(wù)，期間拍攝了 21 張火星表面的完整照片。在飛行過(guò)程中，探測(cè)器與火星最近的距離僅有 9846 千米（5316 海里）。NASA 的官方歷史資料顯示，當(dāng)時(shí)正是借助微波激射器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器與地球之間的通信鏈接。不過(guò)在那時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)尚處于起步階段。

1964 年 11 月 28 日，NASA 的 “水手四號(hào)” 探測(cè)器發(fā)射升空前往火星。六個(gè)多月后，它成功抵達(dá)火星。在與航天器的通信過(guò)程中，微波激射器技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

微波激射器與頻譜

在深入了解微波激射器的工作原理之前，不妨先回顧一下基礎(chǔ)物理學(xué)知識(shí)。原子由包含質(zhì)子和中子的原子核以及在不同距離圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成。無(wú)線電波正是利用電子來(lái)產(chǎn)生信號(hào)的。最初，射頻（RF）輻射是通過(guò)真空管產(chǎn)生的，真空管的中心有一個(gè)陰極。當(dāng)陰極被電流加熱時(shí)，會(huì)釋放出一團(tuán)電子云。在真空管的一端，有一個(gè)帶正電的金屬板，被稱為陽(yáng)極。陰極釋放出的電子會(huì)朝著陽(yáng)極快速移動(dòng)。在陰極和陽(yáng)極之間，放置著一個(gè)金屬絲網(wǎng)格，電流從中通過(guò)。這個(gè)網(wǎng)格的電壓可以調(diào)節(jié)，使其帶負(fù)電或正電。帶負(fù)電的網(wǎng)格會(huì)排斥電子，從而減少陰極和陽(yáng)極之間的電子流，反之亦然。真空管內(nèi)部的真空環(huán)境至關(guān)重要，因?yàn)檫@能讓電子比在大氣中更自由地移動(dòng)。這些產(chǎn)生的電子，便是信號(hào)產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

1940 年，英國(guó)物理學(xué)家約翰?蘭德?tīng)柡凸?布特在英格蘭中部的伯明翰大學(xué)工作期間，發(fā)明了磁控管。磁控管的出現(xiàn)，是無(wú)線電工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，它能夠產(chǎn)生包括射頻輻射在內(nèi)的微波輻射。“微波” 這一術(shù)語(yǔ)涵蓋了頻率范圍從 300MHz 到 3THz 的電磁輻射。雖然定義略有差異，但也有將微波輻射的頻率范圍界定在 1GHz 到 1THz 之間。

磁控管的陰極 - 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)與真空管類似，但在磁控管中，陽(yáng)極和陰極之間有一個(gè)中空區(qū)域。陽(yáng)極的內(nèi)圓周上，間隔均勻地分布著一些空腔（被稱為 “諧振腔”）。在中空區(qū)域的兩端，分別放置著磁鐵，陽(yáng)極和陰極則位于一個(gè)圓柱體內(nèi)。這些磁鐵會(huì)在中空區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得電子在其中沿著彎曲的路徑運(yùn)動(dòng)，就像人們沿著螺旋樓梯行走一樣。當(dāng)電子經(jīng)過(guò)每個(gè)諧振腔時(shí)，會(huì)促使腔內(nèi)凹槽中的電子來(lái)回移動(dòng)（即振蕩）。這進(jìn)而導(dǎo)致凹槽的電荷狀態(tài)在正電和負(fù)電之間交替變化。每個(gè)諧振腔的電荷極性與其相鄰的諧振腔相反，這一過(guò)程會(huì)引發(fā)電感 - 電容（LC）振蕩，也就是將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓（AC）的過(guò)程。無(wú)線電波源自交流電源，通過(guò)一個(gè)金屬環(huán)從單個(gè)諧振腔中提取振蕩信號(hào)，再將其傳輸?shù)教炀€，以無(wú)線電波的形式發(fā)射出去。由于電子會(huì)滯留在磁控管內(nèi)，持續(xù)將能量傳遞給諧振腔并激發(fā) LC 振蕩，因此振蕩得以維持。

然而，無(wú)論是真空管還是磁控管產(chǎn)生的電子流，都存在一個(gè)問(wèn)題，那就是會(huì)產(chǎn)生 “噪聲”。這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，進(jìn)而導(dǎo)致自由電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，且溫度越高，這種熱運(yùn)動(dòng)就越劇烈。這種現(xiàn)象被稱為熱噪聲，在很大程度上難以避免。熱噪聲之所以成為問(wèn)題，是因?yàn)樗鼤?huì)伴隨射頻信號(hào)出現(xiàn)。此外，大氣中還存在自然和人為產(chǎn)生的射頻噪聲。這些因素可能會(huì)導(dǎo)致微弱信號(hào)被噪聲淹沒(méi)，因?yàn)樵肼暱赡苓^(guò)于強(qiáng)烈。信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，即信噪比，是無(wú)線電工程中的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。雖然在一定程度上可以通過(guò)放大微弱信號(hào)來(lái)克服噪聲的影響，但放大過(guò)程本身也會(huì)產(chǎn)生一些熱噪聲。因此，最終得到的信號(hào)可能并非如預(yù)期般 “純凈”。

歐盟的伽利略全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，和所有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)一樣，依賴精確的計(jì)時(shí)源來(lái)確保所傳輸?shù)亩ㄎ弧?dǎo)航和授時(shí)（PNT）信號(hào)的準(zhǔn)確性。圖中展示的氫基微波激射器主時(shí)鐘，便是為此提供計(jì)時(shí)的設(shè)備之一。

微波激射器旨在避免伴隨噪聲的情況下產(chǎn)生射頻信號(hào)，為此，它摒棄了利用電子流產(chǎn)生交流信號(hào)的方式。取而代之的是，通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用來(lái)產(chǎn)生振蕩。微波激射器利用了這樣一個(gè)原理：每個(gè)原子都會(huì)以特定的、預(yù)先確定的固有頻率振動(dòng)。例如，氧原子的振動(dòng)頻率為 370THz。一般來(lái)說(shuō)，原子和分子的振動(dòng)頻率通常在 100THz 到 1000THz 之間。微波激射器會(huì)發(fā)射光，使其進(jìn)入增益介質(zhì)（如晶體）中。

回顧一下，原子由原子核中的質(zhì)子和中子以及圍繞原子核的電子構(gòu)成。這些電子與原子核的距離并不均勻，有些離得近，有些離得遠(yuǎn)。電子離原子核越遠(yuǎn)，所具有的能量就越高，反之則越低。電子可以在外界作用下改變與原子核的距離。當(dāng)電子遠(yuǎn)離原子核時(shí)，會(huì)吸收一個(gè)光子并消耗能量；而當(dāng)電子靠近原子核時(shí)，則會(huì)釋放一個(gè)光子并損失能量。光子是構(gòu)成光的基本粒子，實(shí)際上也是電磁頻譜的量子。光進(jìn)入增益介質(zhì)后，會(huì)激發(fā)其中的電子，使電子釋放能量并以光子的形式發(fā)射出來(lái)。這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)：受激電子釋放的光子會(huì)撞擊其他電子，促使這些電子也釋放能量并產(chǎn)生更多光子，如此循環(huán)往復(fù)。

微波激射器與無(wú)線電波

回到 1953 年那個(gè)令人激動(dòng)的時(shí)期，湯斯教授、戈登教授和蔡格教授制造出了世界上第一臺(tái)人造微波激射器，他們當(dāng)時(shí)的研究重點(diǎn)是利用氨分子作為增益介質(zhì)。氨分子具有一個(gè)非常實(shí)用的特性，其諧振頻率為 23.79GHz。當(dāng)分子受到與該頻率匹配的外力作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。對(duì)于氨分子而言，這個(gè)匹配的外力就是 23.79GHz 的微波信號(hào)。當(dāng)氨分子受到這樣的外力作用時(shí)，就會(huì)以 23.79GHz 的頻率開(kāi)始共振，而且共振幅度會(huì)比原始外力的幅度更大。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，第一臺(tái)微波激射器使用了一束被激發(fā)的氨分子，這些氨分子通過(guò)一個(gè)聚焦器，將處于激發(fā)態(tài)的分子與基態(tài)分子分離，激發(fā)態(tài)的分子隨后進(jìn)入諧振腔。諧振腔的內(nèi)部尺寸與入射分子或原子的諧振頻率相匹配，在這個(gè)例子中，23.79GHz 頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為 12.6 毫米。進(jìn)入諧振腔的激發(fā)態(tài)氨分子隨后會(huì)衰變?yōu)榈湍軕B(tài)，并以 23.75GHz 的頻率發(fā)射光子，這個(gè)頻率屬于微波頻段（300MHz 至 300GHz）。這些光子可以通過(guò)一個(gè)出口，以相干微波信號(hào)的形式發(fā)射出去。

值得注意的是，受激輻射產(chǎn)生的光子與激發(fā)它們的光子頻率相同，這使得微波激射器能夠產(chǎn)生極低噪聲的信號(hào)。部分光子會(huì)在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，促使其他氨分子也釋放出光子。當(dāng)光子數(shù)量足夠多時(shí)，就會(huì)在諧振腔內(nèi)引發(fā)振蕩的電磁場(chǎng)。微波激射器的優(yōu)勢(shì)在于，與真空管和磁控管不同，它幾乎不產(chǎn)生噪聲，因?yàn)樗⒉灰蕾囯娮恿鱽?lái)工作。需要注意的是，用于產(chǎn)生射頻能量的石英振蕩器和固態(tài)電子器件，仍然會(huì)產(chǎn)生不同程度的噪聲。

Element Six 是一家在微波激射器研究領(lǐng)域不斷進(jìn)取的公司。過(guò)去，該公司開(kāi)發(fā)了量子單晶金剛石微波激射器技術(shù)。

國(guó)防應(yīng)用

信噪比（SNR）是無(wú)線電工程各個(gè)領(lǐng)域都需要考慮的重要因素，在國(guó)防應(yīng)用中更是如此。雷達(dá)、無(wú)線電通信以及衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)，都依賴射頻信號(hào)的發(fā)射和接收。信噪比用于衡量背景電磁輻射與所需信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度。噪聲越少，信號(hào)就越清晰。同樣，微波激射器能夠放大微弱信號(hào)，這對(duì)依賴射頻的軍事系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有潛在的巨大優(yōu)勢(shì)。如前所述，信號(hào)放大存在一個(gè)問(wèn)題，那就是會(huì)引入噪聲，包括電子產(chǎn)生的熱噪聲，以及環(huán)境中自然和人為產(chǎn)生的噪聲。

倫敦城市大學(xué)電子與無(wú)線電工程教授大衛(wèi)?斯圖普爾斯表示，微波激射器放大微弱信號(hào)的能力，有望為軍隊(duì)帶來(lái)巨大收益。如今，無(wú)線電和雷達(dá)越來(lái)越多地采用低截獲 / 低探測(cè)概率（LPI/D）技術(shù)，以便在復(fù)雜的電磁環(huán)境中隱藏信號(hào)。關(guān)于 LPI/D 技術(shù)的復(fù)雜性，有諸多內(nèi)容可以探討，但從本質(zhì)上講，該技術(shù)旨在利用環(huán)境中的背景電磁噪聲來(lái)偽裝自身信號(hào)。電磁噪聲在地球上乃至整個(gè)宇宙中都普遍存在，并且其強(qiáng)度會(huì)因環(huán)境而異。例如，人口密集、活動(dòng)頻繁的城市，電磁噪聲要比人口稀少的鄉(xiāng)村地區(qū)高得多，因?yàn)槌鞘兄惺褂脽o(wú)線電波的手機(jī)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于農(nóng)村地區(qū)。特定區(qū)域內(nèi)的背景電磁輻射強(qiáng)度，被稱為 “噪聲基底”，可以將其想象成一個(gè)擁擠房間里的嘈雜聲。當(dāng)你走進(jìn)這個(gè)房間時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)各種不同的談話聲交織在一起，形成一種持續(xù)的背景噪音，這就是噪聲基底。在這種環(huán)境下，你很難聽(tīng)到房間另一頭有人輕聲低語(yǔ)。LPI/D 系統(tǒng)試圖將自身信號(hào)強(qiáng)度維持在噪聲基底以下。雖然可以設(shè)計(jì)一些技術(shù)來(lái)過(guò)濾噪聲，以便檢測(cè) LPI/D 信號(hào)，但這些技術(shù)對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)能力始終存在一定的限度，而且系統(tǒng)自身的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生噪聲，就像電磁耳鳴一樣。

斯圖普爾斯教授解釋說(shuō)，LPI/D 射頻技術(shù)的出現(xiàn)，促使人們重新關(guān)注微波激射器，尤其是在微弱信號(hào)放大方面。正如 “水手四號(hào)” 探測(cè)器利用微波激射器進(jìn)行通信所展示的那樣，這項(xiàng)技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。從太空傳輸?shù)降厍颍蛘邚牡厍騻鬏數(shù)教盏男盘?hào)，都需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的距離。信號(hào)就像長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員，傳輸距離越遠(yuǎn)，能量損失就越大。例如，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)向地球發(fā)送的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）信號(hào)，在到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)非常微弱。當(dāng) PNT 信號(hào)到達(dá)地球時(shí)，其強(qiáng)度可能低至 -130dBm（分貝每毫瓦，這是衡量信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)單位）。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（負(fù)責(zé)監(jiān)管美國(guó)頻譜的機(jī)構(gòu)）的數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，在離開(kāi)衛(wèi)星時(shí)強(qiáng)度約為 56.5dBm。

微波激射器技術(shù)對(duì)軍事射頻系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵貢獻(xiàn)在于，它能夠在幾乎不引入額外噪聲的情況下放大信號(hào)。這一特性在探測(cè) LPI/D 傳輸信號(hào)時(shí)，具有尤為重要的應(yīng)用價(jià)值。

斯圖普爾斯教授還提到，微波激射器在定向能武器（DEW）領(lǐng)域也有應(yīng)用前景。到目前為止，大量的定向能武器研究都集中在激光方面。激光能夠以極高的精度對(duì)目標(biāo)施加巨大的熱量，英國(guó)的 “龍火” 定向能武器就是一個(gè)典型例子。MBDA 公司、萊昂納多公司、奎奈蒂克公司以及英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室這四家公司和機(jī)構(gòu)參與了該項(xiàng)目的研發(fā)。據(jù)英國(guó)國(guó)防部稱，“龍火” 被設(shè)計(jì)用于對(duì)抗火箭、火炮和迫擊炮，預(yù)計(jì)最早于 2027 年投入使用。然而，某些類型的激光存在一個(gè)問(wèn)題，即會(huì)受到衰減的影響。衰減是指大氣中的污染物會(huì)削弱激光束的強(qiáng)度，降水會(huì)吸收和散射激光束中的部分光子，從而降低信號(hào)強(qiáng)度，煙霧和灰塵也會(huì)使激光向不同方向散射，進(jìn)而減弱信號(hào)。

對(duì)于微波激射器而言，衰減問(wèn)題則沒(méi)有那么嚴(yán)重。斯圖普爾斯教授指出：“激光在大氣中的衰減非常明顯，而微波激射器的衰減則要小得多。” 總體而言，微波激射器技術(shù)在軍事射頻領(lǐng)域具有巨大的潛力。盡管這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用，沒(méi)有達(dá)到人們預(yù)期的程度，這可能是因?yàn)楝F(xiàn)有的高功率無(wú)線電和雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足實(shí)際需求。然而，隨著軍隊(duì)對(duì) LPI/D 技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，微波激射器技術(shù)有望得到更廣泛的應(yīng)用。畢竟，正如斯圖普爾斯教授所說(shuō)，微波激射器技術(shù) “潛力無(wú)限”。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“電波之矛”，原標(biāo)題《正蓬勃發(fā)展的微波激射技術(shù)》。

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