微波激射器技术在国防领域曾一度受到冷落，然而，其以极低噪声检测和产生无线电信号的能力，极具前景。

Element Six 是一家在微波激射器研究领域不断进取的公司。过去，该公司开发了量子单晶金刚石微波激射器技术。

你肯定听说过激光，也见过激光的实际应用。激光无处不在，从超市的收银台到裁缝店，从眼科手术到焊接作业，要是没有激光，我们的世界将会大不相同。但你可能从未听说过微波激射器，这实在有些遗憾，因为微波激射器的发明比激光早7 年。和激光一样，“maser”（微波激射器）也是首字母缩略词，其全称为 “microwave amplification by stimulated emission of radiation”，意为受激辐射微波放大。如今，这个首字母缩略词也已被广泛使用。尽管这项技术问世已久，但在未来几年，军方对微波激射器技术的兴趣可能会与日俱增。微波激射器备受关注，是因为它可用于产生微波，而军队在通信和传感领域对微波有着迫切需求。

追溯到 20 世纪 50 年代和 60 年代

1953 年，世界上第一台微波激射器在纽约的哥伦比亚大学诞生。在此一年前，三位物理学家 —— 来自苏联的尼古拉・巴索夫、亚历山大・普罗霍罗夫，以及来自美国的约瑟夫・韦伯，共同阐述了微波激射器的基本原理。韦伯博士是在当年于渥太华举行的电子管会议上提出这一原理的。而在地球另一端的苏联，巴索夫教授和普罗霍罗夫教授在 1952 年 5 月苏联科学院举办的全苏无线电光谱学会议上，也做了类似的报告。1953 年，另外三位美国物理学家 —— 查尔斯・汤斯、詹姆斯・戈登和赫伯特・蔡格，成功制造出了第一台微波激射器。后来，汤斯教授、巴索夫教授和普罗霍罗夫教授，因在微波激射器领域的杰出贡献，共同荣获 1964 年诺贝尔物理学奖。汤斯教授还与美国物理学家阿瑟・肖洛合作，为激光的诞生奠定了理论基础。

自那以后，微波激射器在多个领域得到了应用。位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛 - 史密森天体物理中心指出，微波激射器可用于测量银河系的结构和大小。位于弗吉尼亚州夏洛茨维尔的美国国家射电天文台也提到，微波激射器在原子钟中发挥着重要作用。此外，微波激射器还应用于太空通信领域。1964 年 11 月 28 日，美国国家航空航天局（NASA）的 “水手四号” 探测器，搭载康维尔 / 通用动力阿特拉斯 - 阿金纳火箭，从佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射升空，踏上了前往火星的征程。1965 年 7 月 14 日，“水手四号” 成功抵达火星，并在 7 月 15 日完成了飞掠任务，期间拍摄了 21 张火星表面的完整照片。在飞行过程中，探测器与火星最近的距离仅有 9846 千米（5316 海里）。NASA 的官方历史资料显示，当时正是借助微波激射器技术，实现了探测器与地球之间的通信链接。不过在那时，这项技术尚处于起步阶段。

1964 年 11 月 28 日，NASA 的 “水手四号” 探测器发射升空前往火星。六个多月后，它成功抵达火星。在与航天器的通信过程中，微波激射器技术发挥了至关重要的作用。

微波激射器与频谱

在深入了解微波激射器的工作原理之前，不妨先回顾一下基础物理学知识。原子由包含质子和中子的原子核以及在不同距离围绕原子核运动的电子构成。无线电波正是利用电子来产生信号的。最初，射频（RF）辐射是通过真空管产生的，真空管的中心有一个阴极。当阴极被电流加热时，会释放出一团电子云。在真空管的一端，有一个带正电的金属板，被称为阳极。阴极释放出的电子会朝着阳极快速移动。在阴极和阳极之间，放置着一个金属丝网格，电流从中通过。这个网格的电压可以调节，使其带负电或正电。带负电的网格会排斥电子，从而减少阴极和阳极之间的电子流，反之亦然。真空管内部的真空环境至关重要，因为这能让电子比在大气中更自由地移动。这些产生的电子，便是信号产生的基础。

1940 年，英国物理学家约翰・兰德尔和哈里・布特在英格兰中部的伯明翰大学工作期间，发明了磁控管。磁控管的出现，是无线电工程领域的一项重大突破，它能够产生包括射频辐射在内的微波辐射。“微波” 这一术语涵盖了频率范围从 300MHz 到 3THz 的电磁辐射。虽然定义略有差异，但也有将微波辐射的频率范围界定在 1GHz 到 1THz 之间。

磁控管的阴极 - 阳极结构与真空管类似，但在磁控管中，阳极和阴极之间有一个中空区域。阳极的内圆周上，间隔均匀地分布着一些空腔（被称为 “谐振腔”）。在中空区域的两端，分别放置着磁铁，阳极和阴极则位于一个圆柱体内。这些磁铁会在中空区域内产生磁场，使得电子在其中沿着弯曲的路径运动，就像人们沿着螺旋楼梯行走一样。当电子经过每个谐振腔时，会促使腔内凹槽中的电子来回移动（即振荡）。这进而导致凹槽的电荷状态在正电和负电之间交替变化。每个谐振腔的电荷极性与其相邻的谐振腔相反，这一过程会引发电感 - 电容（LC）振荡，也就是将直流电压转换为交流电压（AC）的过程。无线电波源自交流电源，通过一个金属环从单个谐振腔中提取振荡信号，再将其传输到天线，以无线电波的形式发射出去。由于电子会滞留在磁控管内，持续将能量传递给谐振腔并激发 LC 振荡，因此振荡得以维持。

然而，无论是真空管还是磁控管产生的电子流，都存在一个问题，那就是会产生 “噪声”。这些设备在运行过程中会产生热量，进而导致自由电子的热运动加剧，且温度越高，这种热运动就越剧烈。这种现象被称为热噪声，在很大程度上难以避免。热噪声之所以成为问题，是因为它会伴随射频信号出现。此外，大气中还存在自然和人为产生的射频噪声。这些因素可能会导致微弱信号被噪声淹没，因为噪声可能过于强烈。信号强度与噪声强度的比值，即信噪比，是无线电工程中的一个关键指标。虽然在一定程度上可以通过放大微弱信号来克服噪声的影响，但放大过程本身也会产生一些热噪声。因此，最终得到的信号可能并非如预期般 “纯净”。

欧盟的伽利略全球导航卫星系统，和所有全球导航卫星系统一样，依赖精确的计时源来确保所传输的定位、导航和授时（PNT）信号的准确性。图中展示的氢基微波激射器主时钟，便是为此提供计时的设备之一。

微波激射器旨在避免伴随噪声的情况下产生射频信号，为此，它摒弃了利用电子流产生交流信号的方式。取而代之的是，通过光与物质的相互作用来产生振荡。微波激射器利用了这样一个原理：每个原子都会以特定的、预先确定的固有频率振动。例如，氧原子的振动频率为 370THz。一般来说，原子和分子的振动频率通常在 100THz 到 1000THz 之间。微波激射器会发射光，使其进入增益介质（如晶体）中。

回顾一下，原子由原子核中的质子和中子以及围绕原子核的电子构成。这些电子与原子核的距离并不均匀，有些离得近，有些离得远。电子离原子核越远，所具有的能量就越高，反之则越低。电子可以在外界作用下改变与原子核的距离。当电子远离原子核时，会吸收一个光子并消耗能量；而当电子靠近原子核时，则会释放一个光子并损失能量。光子是构成光的基本粒子，实际上也是电磁频谱的量子。光进入增益介质后，会激发其中的电子，使电子释放能量并以光子的形式发射出来。这个过程会产生连锁反应：受激电子释放的光子会撞击其他电子，促使这些电子也释放能量并产生更多光子，如此循环往复。

微波激射器与无线电波

回到 1953 年那个令人激动的时期，汤斯教授、戈登教授和蔡格教授制造出了世界上第一台人造微波激射器，他们当时的研究重点是利用氨分子作为增益介质。氨分子具有一个非常实用的特性，其谐振频率为 23.79GHz。当分子受到与该频率匹配的外力作用时，就会发生共振现象。对于氨分子而言，这个匹配的外力就是 23.79GHz 的微波信号。当氨分子受到这样的外力作用时，就会以 23.79GHz 的频率开始共振，而且共振幅度会比原始外力的幅度更大。简单来说，第一台微波激射器使用了一束被激发的氨分子，这些氨分子通过一个聚焦器，将处于激发态的分子与基态分子分离，激发态的分子随后进入谐振腔。谐振腔的内部尺寸与入射分子或原子的谐振频率相匹配，在这个例子中，23.79GHz 频率对应的波长为 12.6 毫米。进入谐振腔的激发态氨分子随后会衰变为低能态，并以 23.75GHz 的频率发射光子，这个频率属于微波频段（300MHz 至 300GHz）。这些光子可以通过一个出口，以相干微波信号的形式发射出去。

值得注意的是，受激辐射产生的光子与激发它们的光子频率相同，这使得微波激射器能够产生极低噪声的信号。部分光子会在谐振腔内来回反射，促使其他氨分子也释放出光子。当光子数量足够多时，就会在谐振腔内引发振荡的电磁场。微波激射器的优势在于，与真空管和磁控管不同，它几乎不产生噪声，因为它并不依赖电子流来工作。需要注意的是，用于产生射频能量的石英振荡器和固态电子器件，仍然会产生不同程度的噪声。

Element Six 是一家在微波激射器研究领域不断进取的公司。过去，该公司开发了量子单晶金刚石微波激射器技术。

国防应用

信噪比（SNR）是无线电工程各个领域都需要考虑的重要因素，在国防应用中更是如此。雷达、无线电通信以及卫星导航等系统，都依赖射频信号的发射和接收。信噪比用于衡量背景电磁辐射与所需信号的相对强度。噪声越少，信号就越清晰。同样，微波激射器能够放大微弱信号，这对依赖射频的军事系统来说具有潜在的巨大优势。如前所述，信号放大存在一个问题，那就是会引入噪声，包括电子产生的热噪声，以及环境中自然和人为产生的噪声。

伦敦城市大学电子与无线电工程教授大卫・斯图普尔斯表示，微波激射器放大微弱信号的能力，有望为军队带来巨大收益。如今，无线电和雷达越来越多地采用低截获 / 低探测概率（LPI/D）技术，以便在复杂的电磁环境中隐藏信号。关于 LPI/D 技术的复杂性，有诸多内容可以探讨，但从本质上讲，该技术旨在利用环境中的背景电磁噪声来伪装自身信号。电磁噪声在地球上乃至整个宇宙中都普遍存在，并且其强度会因环境而异。例如，人口密集、活动频繁的城市，电磁噪声要比人口稀少的乡村地区高得多，因为城市中使用无线电波的手机数量远远多于农村地区。特定区域内的背景电磁辐射强度，被称为 “噪声基底”，可以将其想象成一个拥挤房间里的嘈杂声。当你走进这个房间时，会发现各种不同的谈话声交织在一起，形成一种持续的背景噪音，这就是噪声基底。在这种环境下，你很难听到房间另一头有人轻声低语。LPI/D 系统试图将自身信号强度维持在噪声基底以下。虽然可以设计一些技术来过滤噪声，以便检测 LPI/D 信号，但这些技术对于微弱信号的检测能力始终存在一定的限度，而且系统自身的运行也会产生噪声，就像电磁耳鸣一样。

斯图普尔斯教授解释说，LPI/D 射频技术的出现，促使人们重新关注微波激射器，尤其是在微弱信号放大方面。正如 “水手四号” 探测器利用微波激射器进行通信所展示的那样，这项技术在卫星通信领域也具有广阔的应用前景。从太空传输到地球，或者从地球传输到太空的信号，都需要经过漫长的距离。信号就像长跑运动员，传输距离越远，能量损失就越大。例如，全球导航卫星系统向地球发送的定位、导航和授时（PNT）信号，在到达地球时已经非常微弱。当 PNT 信号到达地球时，其强度可能低至 -130dBm（分贝每毫瓦，这是衡量信号强度的标准单位）。美国联邦通信委员会（负责监管美国频谱的机构）的数据显示，美国全球定位系统卫星发射的信号，在离开卫星时强度约为 56.5dBm。

微波激射器技术对军事射频系统的一项关键贡献在于，它能够在几乎不引入额外噪声的情况下放大信号。这一特性在探测 LPI/D 传输信号时，具有尤为重要的应用价值。

斯图普尔斯教授还提到，微波激射器在定向能武器（DEW）领域也有应用前景。到目前为止，大量的定向能武器研究都集中在激光方面。激光能够以极高的精度对目标施加巨大的热量，英国的 “龙火” 定向能武器就是一个典型例子。MBDA 公司、莱昂纳多公司、奎奈蒂克公司以及英国国防科学技术实验室这四家公司和机构参与了该项目的研发。据英国国防部称，“龙火” 被设计用于对抗火箭、火炮和迫击炮，预计最早于 2027 年投入使用。然而，某些类型的激光存在一个问题，即会受到衰减的影响。衰减是指大气中的污染物会削弱激光束的强度，降水会吸收和散射激光束中的部分光子，从而降低信号强度，烟雾和灰尘也会使激光向不同方向散射，进而减弱信号。

对于微波激射器而言，衰减问题则没有那么严重。斯图普尔斯教授指出：“激光在大气中的衰减非常明显，而微波激射器的衰减则要小得多。” 总体而言，微波激射器技术在军事射频领域具有巨大的潜力。尽管这项技术在国防领域的应用，没有达到人们预期的程度，这可能是因为现有的高功率无线电和雷达系统已经能够满足实际需求。然而，随着军队对 LPI/D 技术的应用日益广泛，微波激射器技术有望得到更广泛的应用。毕竟，正如斯图普尔斯教授所说，微波激射器技术 “潜力无限”。

来源：电波之矛