一种具有高功率和频率可调性的脉冲光电微波源

为何强大且灵活的微波至关重要

微波技术默默支撑着日常生活的诸多方面，从气象雷达和卫星导航到医疗治疗与工业加热。许多应用现在不仅需要极高的无线电功率，还要求能快速改变频率以适应不同任务和目标。传统电子微波发生器很难同时提供高功率与宽频率可调性。本文介绍了一种新型的光驱动微波源，旨在打破这一权衡，承诺为未来的通信、国防、医疗和工业系统提供更强、且更可调的波形。

当今微波设备的局限

常规微波源主要分为两大类：体积庞大的真空管和紧凑的固态放大器。真空器件可达到极高的峰值功率，甚至可达数十亿瓦，但通常受限于窄频带且难以微型化。基于现代晶体管的固态放大器更易于集成和调谐，然而单个器件的功率通常上限为数千瓦，其有效带宽也有限。随着雷达、无线链路和先进加热工具等系统越来越需要多频段和敏捷工作，这些传统方法面临一个根本性困境：提高功率往往会降低灵活性，而扩大调谐范围又往往会降低功率。

用光驱动更强的无线电波

作者通过一种光电微波源来应对这一问题，该源使用激光光束控制一种特殊的半导体开关。系统不是直接用晶体管放大射频信号，而是先将电信号转换为精确定时的激光脉冲。这些脉冲经过一系列光学组件，广泛地调整其频率、时长和重复率。经整形的光通过光纤传输到由碳化硅制成的紧凑器件——这种坚固的宽禁带材料适合高电压和高温环境。当激光脉冲照射该器件时，其电阻随光强变化，将储存的电能转化为强大的微波脉冲。

设计快速且坚固的半导体核心

系统核心是一个经工程化处理的碳化硅块，能在大约一百万亿分之一秒的时间尺度作出响应，同时承受数万伏的电压。研究人员通过掺入精心平衡的杂质来调节材料，使其在激光照射下能够俘获并释放电子，从而实现电导率的快速上升与下降而不会过热。他们还对电极形状进行优化，避免在尖锐边缘处出现强电场与大电流的重叠，以防击穿。测试显示，单个器件可承受近两千安的峰值电流和瞬时约55兆瓦的功率水平，使其成为迄今报道的最有能力的光导开关之一。

从单脉冲到协调阵列

当该器件与定制的光源和宽带传输线集成时，可生成频率在所谓P–L频段内平滑可调的微波脉冲，约从0.25到略高于1吉赫之间。在该范围的大部分频段内，峰值微波功率超过1兆瓦，脉冲持续时间约为30纳秒的千分之一（约30十亿分之一秒），重复频率为数百脉冲每秒。作者还演示了多个单元可以结合成天线阵列而几乎不损失效率。由于激光驱动脉冲的定时抖动仅为几万亿分之一秒，单个波束在空间中可相干叠加，将能量集中到所需位置。

这一进展的未来意义

简而言之，这项工作表明可以用精确控制的激光闪光驱动一个紧凑的半导体器件，发射非常强且可调的微波脉冲。通过将光学的宽带与灵活性与碳化硅的耐用性结合，作者规避了纯电子发生器长期存在的限制。他们的原型已经在宽频率范围内实现兆瓦级峰值功率并能高效阵列化，指向未来能够以更大自由度控制、成形和调谐微波能量的系统。随着进一步发展，类似设计可望适配连续运行并扩展到更大阵列，为雷达、通信、定向加热以及依赖强大且高度可控无线电波的医疗疗法开辟新选项。

引用: Niu, X., Wang, L., Zhang, B. et al. A pulsed optoelectronic microwave source with high power and frequency tunability. Nat Commun 17, 3054 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69582-y

关键词: 高功率微波, 光电器件, 碳化硅, 光导开关, 微波阵列