雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端電磁脈沖防護(hù)

席有民，平麗浩，錢吉裕

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端電磁脈沖防護(hù)

席有民，平麗浩，錢吉裕

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

射頻前端是雷達(dá)系統(tǒng)最易受電磁脈沖影響的部位。在對(duì)國內(nèi)外相關(guān)研究及防護(hù)用限幅器進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，著重對(duì)超導(dǎo)限幅器在雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端電磁脈沖防護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析。

射頻前端；電磁脈沖；限幅器

20世紀(jì)80年代后期，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，一種以非核爆形式獲得高能電磁脈沖的微波武器問世，使得電磁脈沖武器成為現(xiàn)代常規(guī)戰(zhàn)爭中專門用于對(duì)付各種電子系統(tǒng)的“電磁殺手”。2003年伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍使用電磁脈沖彈襲擊了伊拉克的電視臺(tái)，造成伊拉克電視信號(hào)中止了數(shù)小時(shí)，標(biāo)志著高功率微波武器正式登上歷史舞臺(tái)。面對(duì)“第五維戰(zhàn)場”——電磁空間日益激烈的角逐，面對(duì)軍事強(qiáng)國咄咄逼人的電磁攻擊優(yōu)勢，能否保護(hù)好己方電子設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)并有效發(fā)揮其功能，已成為我們爭奪制電磁權(quán)進(jìn)而達(dá)到制信息權(quán)的關(guān)鍵。

電磁脈沖進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)的途徑主要有：1）通過殼體上的孔隙；2）通過對(duì)殼體的穿透；3）通過暴露表面上的天線。其中，電磁波對(duì)殼體的穿透是通過趨膚效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，一般對(duì)于2 GHz的微波信號(hào)，在銅和鋁中的趨膚厚度分別為1．52μm和2．82μm，對(duì)于頻率更高的微波信號(hào)，趨膚厚度更小。通過孔隙耦合進(jìn)入艙體內(nèi)部的電磁脈沖可以通過對(duì)屏蔽結(jié)構(gòu)或開孔方式等方面的改進(jìn)，使其影響得到有效控制［1－3］。而從天線耦合進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)的電磁脈沖對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)來說是致命的。這是由于：為了使雷達(dá)有更遠(yuǎn)的作用距離或更容易發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，通常要求雷達(dá)能夠處理微弱的信號(hào)。例如超外差式雷達(dá)接收機(jī)靈敏度為10－14～10－12W，而保證這個(gè)靈敏度所需的增益為120～160 dB。當(dāng)雷達(dá)天線接收到很強(qiáng)的電磁脈沖時(shí)，接收機(jī)再將此信號(hào)放大，則雷達(dá)前端接收裝置很容易受到不可逆損傷。雷達(dá)的靈敏度越高，作用距離越遠(yuǎn)，其受到電磁損傷的可能性就越大［4］。

1 當(dāng)前研究狀況

電磁脈沖的打擊和防護(hù)就像有矛必有盾一樣。伴隨著電磁脈沖武器的發(fā)展，各國對(duì)電磁脈沖的防護(hù)都開展了相應(yīng)的研究。目前，針對(duì)高功率微波武器及其防護(hù)開展研究的國外研究機(jī)構(gòu)主要有：俄羅斯的莫斯科無線電工程與電子學(xué)研究所、應(yīng)用物理研究所、莫斯科大學(xué)、哈爾科夫物理技術(shù)研究所等；美國的陸軍實(shí)驗(yàn)室、海軍研究實(shí)驗(yàn)室、空軍武器實(shí)驗(yàn)室、能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、Mission研究公司、通用原子公司、麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)、田納西大學(xué)等。

經(jīng)過大量試驗(yàn)后，美國在高功率微波武器和防護(hù)技術(shù)2方面都取得了豐富的研究成果，其中美國陸軍實(shí)驗(yàn)室的《HPM加固技術(shù)手冊大綱》對(duì)電子設(shè)備電磁脈沖防護(hù)的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。由該書可知，為降低或限制耦合到雷達(dá)系統(tǒng)的電磁脈沖能量，在射頻前端可采取如下方法：1）限制天線的耦合；2）限制耦合能量傳播到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)量。這2種方法可以通過采用各種形式的濾波器和限幅器來實(shí)現(xiàn)，其中限幅器是射頻前端防護(hù)的關(guān)鍵器件。《HPM加固技術(shù)手冊大綱》羅列的微波限幅器：半導(dǎo)體限幅器、氣體等離子體限幅器、高速微波功率開關(guān)、鐵氧體限幅器。下面對(duì)所羅列的幾種限幅器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行相應(yīng)的介紹。

2 限幅器研究現(xiàn)狀

2．1 PIN限幅器

PIN限幅器是雷達(dá)接收系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體限幅器，包括PIN二極管和射頻扼流電感。PIN二極管結(jié)構(gòu)如圖1所示，由輕摻雜本征層，即I層，重?fù)诫sP型半導(dǎo)體構(gòu)成的P層和重?fù)诫sN型半導(dǎo)體構(gòu)成的N層組成。工作時(shí)PIN二極管一端接地，在外加電場很小時(shí)，載流子無法穿越低摻雜本征層進(jìn)行復(fù)合，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，微波信號(hào)可以完整地通過限幅器；當(dāng)大功率干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，PIN二極管載流子才能在低摻雜本征層不斷復(fù)合，使PIN二極管得以導(dǎo)通，其導(dǎo)通程度在一定范圍內(nèi)與外加電場成正比，從而完成限幅器的功能。

針對(duì)電磁脈沖瞬時(shí)功率大的特點(diǎn)，國內(nèi)已開發(fā)出限幅水平40 m W、最大承受功率5 W的多個(gè)頻段Ga As限幅單片電路［5］。由于PIN限幅器在微波領(lǐng)域單片電路中的優(yōu)越性能，國內(nèi)外對(duì)電磁脈沖前沿和后沿作用下大功率PIN限幅器的響應(yīng)特性進(jìn)行了研究［6－8］。由于PIN限幅器具有一定的響應(yīng)時(shí)間，在達(dá)到穩(wěn)定限幅功能之前，有一個(gè)較大的微波脈沖功率可漏過限幅器，即尖峰泄露。在脈沖后沿，在限幅器射頻扼流電感和PIN二極管綜合作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向脈沖。反向脈沖幅值大小可能與限幅器尖峰泄露值相當(dāng)甚至更大。PIN限幅器在階躍脈沖作用下的瞬態(tài)響應(yīng)如圖2所示。尖峰泄露和反向脈沖都可能造成限幅器自身和后級(jí)功率敏感器件受損。

圖1 PIN結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 階躍脈沖作用下PIN限幅器瞬態(tài)響應(yīng)

2．2 氣體等離子體限幅器

波導(dǎo)等離子體限幅器是由密封腔體充有易電離的氣體組成的。當(dāng)高功率微波入射時(shí)使氣體電離，產(chǎn)生頻率高于入射微波的等離子體，該等離子體反射微波能量，起到保護(hù)敏感電子設(shè)備的作用。通過選擇不同的氣體及充氣壓強(qiáng)可以改變等離子體限幅器的響應(yīng)速度和功率容限［9］。

等離子體限幅器在防護(hù)高功率微波時(shí)可能存在以下2個(gè)問題：1）為了將限幅器中氣體擊穿產(chǎn)生等離子體，入射微波電場強(qiáng)度需要達(dá)到或超過氣體擊穿閾值。若來襲高功率微波電場低于其閾值，則氣體不能電離，將導(dǎo)致微波功率泄露；2）入射高功率微波將限幅器中的氣體擊穿，形成等離子體需要一段時(shí)間，限幅器響應(yīng)時(shí)間過長可能造成微波功率泄露［10］。

3 超導(dǎo)限幅器

電磁脈沖武器的發(fā)展使得傳統(tǒng)的限幅器在響應(yīng)時(shí)間、功率容限、插入損耗、恢復(fù)時(shí)間等方面無法滿足雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端電磁脈沖防護(hù)要求。國外已意識(shí)到這一點(diǎn)，并積極探索各種新材料、新技術(shù)和新工藝用于射頻前端電磁脈沖防護(hù)技術(shù)。其中2004年美國NIST開展的超導(dǎo)限幅器的研究在雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端電磁脈沖防護(hù)的應(yīng)用極具潛力［11］。

超導(dǎo)限幅器利用超導(dǎo)材料超導(dǎo)態(tài)—正常態(tài)轉(zhuǎn)變的物理特性來達(dá)到限流目的。當(dāng)傳輸微波電流高于某一特定值時(shí)，超導(dǎo)限幅器中的超導(dǎo)薄膜材料將失去超導(dǎo)電性。由于高溫超導(dǎo)材料多為陶瓷材料，失超后的超導(dǎo)材料將進(jìn)入高損耗狀態(tài)，從而將微波電流集中而達(dá)到降低限幅功率的目的。圖3為某種超導(dǎo)材料在不同頻率電磁場作用下電阻的變化曲線。由圖3可見，超導(dǎo)材料由超導(dǎo)態(tài)進(jìn)入正常態(tài)時(shí)，其電阻值增大2—3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，超導(dǎo)限幅器具有功率容限大的特點(diǎn)。

超導(dǎo)限幅器的響應(yīng)時(shí)間受限幅器超導(dǎo)薄膜的材料、物理尺寸、電磁脈沖特性等因素的影響。以2004年美國NIST研制的超導(dǎo)限幅器為例，在10 W連續(xù)波和3 GHz，100 W脈沖信號(hào)作用下響應(yīng)時(shí)間為納秒（ns）量級(jí)，恢復(fù)時(shí)間約為10 ns?？梢姡瑢?dǎo)限幅器具有響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)。

超導(dǎo)材料失超臨界點(diǎn)參量包括臨界溫度、臨界磁感應(yīng)強(qiáng)度和臨界電流，只要有一個(gè)參量超過臨界值，超導(dǎo)材料就會(huì)失超。而為了節(jié)約成本及延長超導(dǎo)用低溫制冷機(jī)壽命，超導(dǎo)器件的工作溫度一般略低于臨界溫度。正是由于在臨界點(diǎn)附近工作，以及超導(dǎo)轉(zhuǎn)變過程本身速度極快，因而超導(dǎo)限幅器響應(yīng)速度快。

超導(dǎo)薄膜材料極低的表面電阻使得超導(dǎo)限幅器正常工作時(shí)插入損耗小，此外超導(dǎo)限幅器還可以與超導(dǎo)濾波器集成，即在同一微波器件中實(shí)現(xiàn)限幅和濾波功能［12］。因而超導(dǎo)限幅器在射頻前端電磁脈沖防護(hù)中有著極其突出的特點(diǎn)，尤其是其極高的響應(yīng)速度對(duì)電磁脈沖防護(hù)有著重要意義。

圖3 超導(dǎo)材料在電磁場作用下電阻變化曲線

4 結(jié) 語

隨著電磁脈沖技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端防護(hù)成為現(xiàn)代雷達(dá)有效工作首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)有的各種限幅器在響應(yīng)時(shí)間、功率容限、恢復(fù)時(shí)間、插入損耗等方面已無法滿足現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)電磁脈沖防護(hù)的要求。超導(dǎo)限幅器是超導(dǎo)材料在微波領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)新器件，其突出的綜合性能有望在雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端電磁脈沖防護(hù)中得到應(yīng)用。

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1008－1542（2011）12－0043－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：王海云

席有民（1978－），男，山西臨汾人，博士后，主要從事超導(dǎo)低溫制冷機(jī)、電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)等方面的研究。