0 引言
高功率微波（HPM）通常是指峰值功率超过100 MW（一般大于1 GW）或者平均功率大于1 MW、频率为1~300 GHz的相干电磁辐射
[1]。随着技术的不断发展，HPM技术在军事、医疗、能源等多个领域均具有广泛的应用前景，尤其是在军事领域的应用，是当前的研究热点
[2]。目前，对国外高功率微波技术领域发展情况的研究主要是定性研究，例如，钱宝良
[3]、赵鸿燕等
[4]对国外高功率微波技术与系统的发展情况进行了跟踪研究，而在定量研究方面开展的相关工作较少。王永芳等
[5-6]基于专利数据对国外微波武器技术发展应用情况进行了分析，结果表明，国外技术发展主要聚焦于改善HPM系统的重复频率、功率容量、发射增益，并重点拓展了在反无人领域的应用。本文旨在采用知识图谱方法，基于SCI数据库，通过对国外公开发表的期刊论文数据进行文献可视化分析，探析国外HPM技术的研究力量分布与当前的重点研究领域，为我国在相关领域研究提供参考借鉴。
1 数据来源和研究方法
1.1 数据来源
对文献检索策略的评价一般有检全率和检准率2个维度。在开展知识图谱分析时，数据的完备性比数据的准确性更为重要，应优先保证检全率，花费过多时间精炼和清洗检索结果，无止境地追求更高的检准率，既麻烦也容易造成不必要的误伤，对于那些不可避免引入的少量噪声数据，可在后期分析阶段通过跳过无关聚类而将其过滤掉
[7]。笔者在数据获取阶段采用这一策略，采取主题检索的方式，将HPM技术领域的专用术语尽可能全面地纳入到检索式中。
本文的分析数据来源于Web of Science（WoS）平台的SCI-Expanded数据库，采取迭代检索策略。第1轮以“high* power* microwave*”为检索词进行主题检索（采用该检索词是为了尽可能广泛地涵盖HPM领域的研究内容
[8]），对检索结果进行国家/地区（国外论文）和文献类型（论文、综述论文、在线发表）限定后，得到1570篇文献。对这些文献的关键词进行词频统计，在高频关键词中筛选出需要补充到第2轮检索式中的主题词，依此构建的检索式为：TS=(“high* power* microwave*” or vircator* or “virtual* cathode* oscillator*” or “relativistic* magnetron*” or “relativistic* gyrotron*” or “relativistic* backward* wave* oscillator*” or “relativistic* BWO*” or “magnetically* insulated* transmission* line* oscillator*” or “magnetically* insulated* line* oscillator*” or “relativistic* klystron*” or reltron* or “relativistic* traveling* wave* tube*” or “relativistic* travelling* wave* tube*” or “relativistic* TWT*”)。以该检索式在SCI-Expanded数据库中进行第2轮检索，检索时间为2024年6月，限定国家/地区和文献类型后，得到2045篇文献，此即本文所用的分析数据。
1.2 分析方法和工具
知识图谱分析以科学文献为来源数据，利用多种知识单元实体（如参考文献、合作者、关键词）构成网络生成复杂结构图谱，来呈现科学领域的知识图景，是一种客观、全面、高效的领域分析方法
[9-10]。知识图谱分析常用工具有CiteSpace、VOSviewer、HistCite、BibExcel等，这些分析工具通常可支持多种角度的文献计量学分析，如共词分析、研究主体合作网络分析、共被引分析、耦合分析等等。本文中，基于分析需求，结合不同软件的优势，采用VOSviewer软件构建国家合作网络进行研究力量分布分析，采用CiteSpace软件，构建文献共被引网络，进行重点研究领域分析。
2 发展阶段分析
统计检索结果文献的发表年份分布，结果如
图1所示。由
图1可以看出，国外HPM技术领域的发文数量整体呈增长态势，按照年度发文量的变化趋势，可大致划分为3个研究阶段：萌芽阶段（1973—1989年）、起步阶段（1990—2003年）和快速发展阶段（2004—2024年）。在萌芽阶段的17年中，每年发表的论文偏少且增长速度缓慢，年均发文约5.9篇。在起步阶段的14年中，年均发文约39.1篇，是第1阶段年均发文量的6.6倍。在最近20年的快速发展阶段，年均发文67.8篇，是第2阶段的1.7倍，是第1阶段的11.5倍，自2013年以来，年发文量保持在60篇以上，并在2022年达到高峰（当年发文97篇）。从年度发文量数据的情况，有理由认为，在近几十年来，国外对HPM技术研究的兴趣是在逐渐递增的，并且在近5年出现了较为明显的上升，这可能与近几年HPM系统在反无人机等领域应用需求的增长有关。
3 研究力量分布
分析SCI数据库收录的国外HPM技术领域学术论文数据可知，国际上共有60个国家开展了与HPM技术相关的研究，其中发表论文5篇以上的国家有37个，利用VOSviewer软件构建这些国家的合作网络图谱，结果如
图2所示。需要指出的是，分析数据中关于中国的数据只涉及中外合作发表的论文，因此
图2中只能反映中国HPM技术研究的部分信息。统计各个国家的发文量、平均发文时间、论文被引频次等数据，
表1列出了发文量居于前列的几个国家的相关发文信息（本文未对中国的HPM技术发文情况进行完整统计，故在
表1中没有列入中国的相关发文信息）。
在
表1中，发文量排在前列的国家依次为：美国（821篇）、俄罗斯（390篇）、印度（203篇）、日本（147篇）、韩国（95篇）、德国（92篇）、法国（82篇）、英国（55篇）。美国的发文量远超其他国家，是排在第2位的俄罗斯发文量的2倍多，另外，排在第3位的印度的发文量与俄罗斯相比也差距不小。这说明在高功率微波技术领域，国际上各国的发展水平并不均衡。从发文时间来看，美国、日本和英国的平均发文时间相对较早，俄罗斯、德国和法国居中，印度和韩国的平均发文时间则相对较近。发文量最高的美国、俄罗斯、印度3个国家的发文量随时间变化情况如
图3所示。从
图3中可以看出，美国对HPM技术的研究起步最早，相关技术论文的发表比其他国家要早10年左右；美国和俄罗斯的发文量从2003年开始表现出基本相似的趋势；而印度对HPM技术研究的兴趣2011年开始明显升高，并在2022年达到发文高峰，近几年发文量已与美俄比肩。
从论文的被引频次来看，美国论文的总被引频次高居榜首，达到20277次，远远超过第2名俄罗斯的5135次；就篇均被引频次来看，英国高居榜首，篇均被引66.7次，德国排名第2，篇均被引30.2次，美国位列第3，篇均被引24.7次；就H指数来看，美国、俄罗斯和日本位居前3，其H指数分别为65、34和29，其论文的数量和质量均处于较高水平。以上数据说明这几个国家的论文受到领域内研究人员的较多认可和关注。值得一提的是，印度虽然发文量位居第3，但篇均被引频次较低（7.5次），H指数也较低（18），说明其论文的影响力不高。
从对外合作情况来看，国际合作论文占比最高的是3个欧洲国家：德国、法国和英国，说明这些国家更倾向于开展国际合作研究；美国和俄罗斯的国际合作论文占比虽然不高，但其国际合作论文的绝对数量仍在其他国家之上；印度和韩国的国际合作论文占比和国际合作论文绝对数量均较低。就合作国家数和总合作次数来说，这2个指标均较高的是美国、俄罗斯和德国，而这2个指标均较低的是印度和韩国。这些信息在
图2中也得到了直观的体现，美国、俄罗斯和德国3个国家在
图2中处于整个网络的中心位置，与较多国家开展了研究合作，其中又以美国为最；相对而言，印度和韩国处于网络边缘，以国内研究为主，对外交流合作较少。
基于上述分析，从发文量、论文被引频次、国际合作多个角度综合来看，在HPM技术领域，美国、俄罗斯具有较高的学术影响力，需要重点关注。另外，印度近期对HPM技术研究的兴趣出现明显升高，但其国际影响力目前不高，韩国的情况与之类似，可予以持续关注。
4 重点研究领域
为揭示国外HPM技术领域的知识结构，利用CiteSpace软件构建文献共被引网络，对领域文献进行可视化分析。在文献共被引网络中，随着某些参考文献共同被多篇施引文献所引用，就形成了概念聚类
[11]，各个独立聚类可视为主题明确的研究子领域。利用CiteSpace生成的国外HPM技术领域的知识结构图谱如
图4所示，可以看出，每条水平时间线代表一个聚类，也即研究子领域
[7]，例如相对论磁控管（#0 relativistic magnetron）、磁绝缘线振荡器（#3 magnetically insulated transmission line oscillator）、返波管振荡器（#6 backward wave oscillator）等。衡量知识图谱聚类效果的主要指标是模块度
Q和轮廓值
S，
Q值的取值区间为[0,
1]，
S值的取值区间为[-1，1]，一般认为，
Q值大于0.3就意味着得到的聚类结构是显著的，而
S值大于0.5时聚类内部的同质性是合理的。本文所构建的知识结构图谱，其
Q值达到0.87，前10个主要聚类的平均轮廓值
S达到0.91，因此基于该图谱开展后续分析是可信的。
从时间线图谱可以看出，每个研究子领域的规模和时间跨度是不同的。有些研究子领域的规模较小（例如聚类#11及后续几个聚类），可能是由少量文献的引用行为所形成的
[9]，这意味着研究人员的关注度不高。有些研究子领域的持续时段表明其近期已不再受到国外研究人员的关注，如聚类#3和聚类#6。本文对吸引了研究人员较多关注（靠近图谱上方）且近几年处于活跃研究状态（靠近图谱右侧）的几个研究子领域进行进一步分析，即聚类#4、聚类#5、聚类#7和聚类#8，以揭示当前国外HPM技术研究的重点领域。
库恩的科学革命理论认为，科学发展是通过新旧范式的转换实现的。这种科学范式的转换会在学术文献里留下印记，
图4所示的国外HPM技术知识结构时间线图谱很好地体现了这种范式转换。聚类#0和聚类#5都是关于相对论磁控管的研究，与活跃时间较早的聚类#0相比，聚类#5代表了相对论磁控管领域的最新研究主题；聚类#2和聚类#8都是关于虚阴极振荡器的研究，同样地，聚类#2代表的是该领域早期阶段的研究主题，而聚类#8代表了该领域的最新研究主题。聚类#4的研究主题是关于超材料在高功率微波源慢波结构中的应用，属于交叉学科研究，因此，其时间线图谱中显示了较多跨聚类连线，既与聚类#5、聚类#8存在联系，也与聚类#11（简并带隙结构）和聚类#14（频率选择表面）存在联系。聚类#7聚焦于作为固态HPM源的非线性传输线，其高功率微波产生机理与传统真空管技术有本质上的区别，因此该聚类在图谱中相对独立，与其他聚类的连线较少。
在下文对各聚类图谱进行具体解读的过程中，遵循了从直观到复杂的解读路径，首先对研究领域活跃时段、典型特征词等较为直观的信息进行解读，然后对代表性被引文献和施引文献的内容进行进一步解读。对各聚类代表性被引文献的选择，主要基于其被引频次，高被引文献的共性主题提供了关于聚类施引文献研究前沿的线索；对各聚类代表性施引文献的选择，在满足对本聚类被引文献覆盖率的基础上，还需结合该施引文献本身的被引频次、期刊影响因子、发表时间、研究机构等信息进行综合权衡，其基本遵循是尽量全面地涵盖本领域发展中的关键信息。
4.1 聚类#4：基于超材料的HPM源
聚类#4主要聚焦于超材料在HPM源慢波结构中的应用，其时间线图谱的高清图见
图5。从
图5可以看出，自2014年开始，每年都有多篇高被引文献，表明该领域近10年一直处于活跃研究状态。软件计算得到的聚类典型特征词包括“microwave tubes（微波管）”“metamaterial（超材料）”“slow-wave structure（慢波结构）”“dispersion（色散）”“reltron”“magnetically insulated line oscillator（磁绝缘线振荡器）”“relativistic klystron amplifier（相对论速调管放大器）”“MTM based backward-wave oscillator（基于超材料的返波振荡器）”“traveling wave tube（行波管）”等。
超材料是美国的Wasler在1999年提出的，它是一种人造的、三维的、宏观合成的材料，具有周期性单元结构阵列，可产生自然界中并不存在的电磁特性
[12]。超材料的特殊电动力学性能很自然地吸引了常规微波电真空器件研究者将其应用在慢波结构中，之后，研究人员尝试在强流相对论电子束驱动的HPM源中应用超材料
[13]。聚类#4中被引频次最高的一篇文献是美国麻省理工学院于2014年发表的论文
[14]，可被视为该领域初期的奠基性研究成果，研究人员设计了基于超材料的微波发生器，电磁模拟证实在高频结构中产生了可适用于返波振荡器的负指数TM模式波，PIC模拟结果表明，基于这一超材料发生器的返波振荡器在500 keV、80 A电子束激励下可产生2.6 GHz、250 ns、5.75 MW的微波辐射，效率约14%，对原型器件的冷测结果与仿真结果具有很好的一致性。另一篇较重要的高被引文献是2016年美国新墨西哥大学发表的关于O型HPM器件超材料慢波结构设计的论文
[13]，慢波结构由与一个金属管相连的12个周期反向的开口谐振环组成，长34.5 cm，具有负磁导率和负介电常数，在400 kV、4.5 kA电子束激励下，采用2 T引导磁场，输出了1.4 GHz、260 MW的微波辐射，电效率为15%。
从典型施引文献的研究机构来看，近期在该领域研究比较活跃的是来自印度的机构，尤其是印度国家技术学院，2023年以来该机构密集发表了多篇相关论文，其中影响因子和被引频次较高的一篇论文是关于超材料同轴慢波结构的设计
[15]，PIC模拟显示，使用该慢波结构的磁绝缘线振荡器可输出2.4 GHz、6 GW的微波辐射，功率转换效率为21%，与常规的同轴慢波结构相比，基于超材料的同轴慢波结构具有小型化、高阻抗和高效率的优势。
4.2 聚类#5：相对论磁控管的效率与波形捷变
聚类#5主要是关于相对论磁控管的研究，其时间线图谱的高清图见
图6。从
图6中可以看出，该领域研究在2019年出现了突破性进展，当年发表的多篇论文被引频次都相对较高。软件计算得到的聚类典型特征词包括“magnetic resonance（磁共振）”“relativistic magnetron（相对论磁控管）”“rising-sun anode（旭日型阳极）”“electron bombardment（电子轰击）”“all cavity axial extraction（全腔轴向提取）”“diffraction output（衍射输出）”“frequency shifting（频移）”“dual-frequency（双频）”等。
相对论磁控管是一种最为紧凑、效率最高的HPM辐射源
[16]。通过对本聚类代表性文献的解读可知，该子领域的研究主要涉及2个主题：一是提高相对论磁控管的效率；二是实现相对论磁控管的模式切换或频率捷变。就第1个主题而言，被引频次最高（局部被引21次）的一篇研究论文是美国新墨西哥大学发表的
[17]，PIC模拟结果表明，通过利用虚阴极和磁镜，将相对论磁控管的电效率从86%提高至92%，这打破了相对论磁控管或其他任何吉瓦级HPM源微波产生效率的记录，此前该机构曾在实验中使用透明阴极衍射输出磁控管达到了63.5%的效率
[18]。加拿大卡尔加里大学与中国电子科技大学、中国工程物理研究院合作开展研究
[19]，设计了用虚阴极驱动的全腔轴向提取相对论磁控管，使用磁镜和外部阴极形成低能态电子，PIC模拟结果显示，该器件可输出吉瓦级辐射功率，与使用透明阴极相比，功率转换效率从47%提高至65%。
就第2个主题而言，典型研究为美国新墨西哥大学、中国西安交通大学等机构合作开展的相对论磁控管模式切换研究
[20-22]，在12腔衍射输出磁控管中，用单阶梯腔代替常用的锥形腔，改变腔的深度可改变工作模式的频率范围，选择不同的磁场配置和加速电压，可以进行工作模式或工作频率的选择与切换。在前期工作的基础上，2019年报道了可工作于2.1 GHz、2.5 GHz频率的6腔相对论磁控管
[23]以及可工作于3个不同频率（2.12 GHz、2.4 GHz、2.91 GHz）的12腔相对论磁控管
[24]。此外，加拿大卡尔加里大学与中国电子科技大学合作
[25]，研究了以TEM模式输出的双频相对论磁控管，共振系统包括2个轴向分离的束波互作用区，分别产生了2.05 GHz、740 MW和2.35 GHz、876 MW的微波辐射输出。
4.3 聚类#7：作为固态HPM源的非线性传输线
聚类#7聚焦于作为固态HPM源的非线性传输线（NLTL）研究，其时间线图谱的高清图见
图7。从
图7中可以看出，该子领域从2012年开始出现了较有成效的研究结果，并在此后维持着一定的研究热度。软件计算得到的聚类典型特征词包括“nonlinear transmission lines（非线性传输线）”“high-power microwaves（高功率微波）”“gyromagnetic（旋磁）”“nickel zinc ferrite（镍锌铁氧体）”“barium strontium titanate（钛酸锶钡）”“composite permeability（复合材料磁导率）”“composite permittivity（复合材料介电系数）”“phased arrays（相控阵）”“coherent summation（相干叠加）”等。
NLTL既可以用来实现脉冲陡化，也可以用来产生射频振荡作为固态HPM源。与传统HPM器件相比，NLTL具有高重复频率优势，且由于不需要辅助系统（如真空泵、引导磁场系统、冷却系统），故更加小型化、更具效费比、也更易维护，多个NLTL还可以组成阵列，实现较高功率和波束扫描
[26-27]，不过NLTL与传统HPM器件相比，单器件所产生的输出功率要小得多
[28]。通过对聚类#7代表性文献的解读可知，该聚类的核心主题是关于旋磁非线性传输线（GNLTL）的研究，GNLTL利用旋磁材料的拉莫尔旋磁进动效应产生振荡电磁脉冲，通常设计为同轴结构
[26]。该领域代表性研究机构是美国德克萨斯理工大学和俄罗斯强流电子学研究所，采用的技术原理类似，都是基于铁磁材料的同轴结构，相比较而言，俄罗斯研制的系统尺寸更大，直径为美国系统的10倍、长度为后者的3~4倍，功率也更高，但二者的功率效率不相上下
[27]。
美国德克萨斯理工大学开展的一些基础性研究，包括材料特性研究、偏置磁场对系统峰值功率、频率和相位的影响、温度对系统性能的影响等
[27,29]，2013年实现的系统指标为：峰值功率4.8 MW、脉宽1~5 ns、S波段、带宽30%
[29]。值得注意的是，该机构2013年发表的一篇关于高重复频率运行固态HPM源的论文在Web of Science核心合集中的被引频次达到86次（截至2024年6月），该文介绍了采用碳化硅光导开关的NLTL实验结果，输出微波功率在兆瓦级，频率为2.1 GHz，脉冲重复频率达到了创纪录的65 MHz
[30]。随后，该机构对同轴GNLTL的多路合成
[28,31-32]、带状线结构GNLTL
[33]开展了探索研究，不过2017年之后该机构在本领域的发文不活跃。目前在该领域发文较为活跃的美国机构是普渡大学，该机构2021年前后发表了多篇关于NLTL系统的研究论文
[34-35]。
俄罗斯强流电子学研究所的高影响力研究成果是2012年发布的基于镍锌铁氧体材料的GNLTL，器件长约1 m，中心频率1.2 GHz，重复频率200 Hz，峰值功率260 MW，脉宽4 ns
[36]。2015年，该机构发布了2路NLTL的功率合成结果
[37]，探索了快速频率调谐能力，验证了快速波束扫描的可行性（水平面±15°），与单路NLTL相比，2路合成后的功率通量密度提高4倍，研究人员分析认为旋磁多路技术的频率至少可扩展至1~40 GHz。2017年发布了4路NLTL的功率合成结果
[38]，等效辐射因子达360 kV，中心频率2.1 GHz，重复频率1 kHz，脉宽3 ns，锥形螺旋天线的波束扫描能力为水平面±17°，与单路NLTL相比，4路合成后辐射功率密度提高16倍。此外，俄罗斯电物理研究所近期在本领域也有相关研究成果发布，该机构主要探索了NLTL工作在更高频率（20GHz）的可行性
[39]。
4.4 聚类#8：虚阴极振荡器的效率
聚类#8聚焦于对虚阴极振荡器（vircator）效率的研究，其时间线图谱的高清图见
图8。可以看出，该子领域研究从2016年开始趋于活跃。软件计算得到的聚类典型特征词包括“virtual cathode oscillator（虚阴极振荡器）”“virtual cathode（虚阴极）”“reflex triode（反射三极管）”“PFN-Marx generator（Marx型脉冲形成网络）”“electron beams（电子束）”“Vircator”“conversion efficiency（转换效率）”“squeezed state（压缩态）”“beam instability（束不稳定性）”“zone plate（波带片）”。
Vircator是最简单的HPM源之一，但其束波转换效率较低
[40]。通过对聚类#8代表性文献的解读可知，该子领域主要聚焦于Vircator的效率问题，主要研究机构有俄罗斯全俄实验物理研究所、莫斯科工程物理研究所、韩国Kwangwoon大学等。这些机构研究了多种提高Vircator功率和效率的方法，如通过使用波带片聚焦辐射微波来提高功率
[41]、使用同轴锥形电极来提高虚阴极的电子密度
[42]、在漂移管中使用锥形反射器将向阳极区域传输的微波反射回漂移管
[43]、使用双阳极箔将微波功率提高至单阳极器件的2倍
[44]。不过，聚类#8中更多的文献聚焦于对多虚阴极型Vircator的研究，在该领域俄罗斯和韩国均有相关研究，但韩国发表的研究论文数量更多一些。
2020年，俄罗斯全俄实验物理研究所发布的多虚阴极型Vircator的PIC模拟研究显示，在2个相向传输的电子束中可产生连续排列的多个虚阴极（最多可达10个），微波产生效率最高可达50%，这在之前被认为是虚阴极器件不可能实现的效率值
[45]。同样是在2020年，韩国Kwangwoon大学发布的PIC模拟研究显示，在漂移管中安装一个浮置的波带片，可形成第2个虚阴极，它与第1个虚阴极产生的电磁波相互作用，使得峰值输出功率从150 MW提高至652 MW，效率从6.6%提高至30%
[46]，这一探索性研究随后在实验中得到了验证
[47]。近几年，韩国Kwangwoon大学继续拓展前期相关研究
[48]，开展了三虚阴极器件的研究，得到了1 GW以上的输出功率和更高的效率。
4.5 小结
根据上述分析，对国外HPM技术当前重点研究领域的活跃起始时间、主要研究机构、研究主题和技术特点进行总结，结果如
表2所示。从
表2中可知，目前国外HPM技术研究的主要研究力量集中于美国、俄罗斯、印度、韩国、加拿大几个国家，研究主题均是与高功率微波源器件相关的领域，微波源涉及真空器件和固态器件，重点关注方向主要是高功率微波源的高效率、波形捷变、小型化和低成本问题。
5 结束语
本文采用知识图谱分析方法，对国外高功率微波技术领域开展了可视化分析。研究结果表明：1）在发展阶段方面，国外高功率微波技术研究可大致划分为萌芽阶段、起步阶段和快速发展阶段，近5年研究兴趣出现了较为明显的上升，可能与在反无人机等领域应用需求的增长有关；2）在研究力量分布方面，美国和俄罗斯无论是从发文量、论文被引频次来看，还是从国际合作的角度来看，都具有较高的影响力，需要重点跟踪关注，而印度和韩国近几年在高功率微波技术领域的研究兴趣出现明显升高，但其国际影响力目前还不高，可予以持续关注；3）在重点研究领域方面，经历了几十年的发展后，目前国外关注的研究领域主要集中在4个方面：基于超材料的高功率微波源、相对论磁控管的效率与波形捷变、作为固态高功率微波源的非线性传输线以及虚阴极振荡器的效率，这些都是与高功率微波源器件相关的研究领域，其中所关注的问题主要涉及微波源的高效率、波形捷变、小型化和低成本。
在本文分析中得到的研究结果，可从其他信息源加以佐证，例如，关于HPM器件波形捷变能力的研究，动态信息源显示近期其已成为领域内研究人员的关注重点，美国国防高级研究计划局于2021年初发布了“波形捷变射频定向能（waveform agile RF directed energy）”项目招标公告。不过，对于近几年颇为热门的美国Leonidas系统所采用的氮化镓放大器技术，却在本文的分析结果中未见明显体现，推测其原因，可能是由于这方面技术研究主要由企业机构开展，而这些机构并不像高校、科研机构那样重视学术交流，故在学术论文数据中体现得不明显。
PDF
(4462KB)
