高功率微波對抗技術(shù)分析

摘 要 以電磁能量為基礎(chǔ)的“硬殺傷”式高功率微波對抗技術(shù)是一種全新的電子對抗形式，日益受到西方發(fā)達國家的重視。論文對高功率微波武器的系統(tǒng)組成、工作特點，以及其強電磁耦合效能進行了分析研究；提煉出了防空和空間高功率微波武器系統(tǒng)需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)，為將來高功率微波武器的研究和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】高功率微波 電子對抗 電磁耦合效能 關(guān)鍵技術(shù)

高功率微波（High-Power Microwave， HPM）是學術(shù)界研究產(chǎn)生相干強電磁輻射采用的學術(shù)用語，是指峰值功率大于100MW，頻率在0.1-300GHz的相干微波輻射[1-6]。通常產(chǎn)生這種電磁波的源是一種運行在強流相對論電子束（Intense relativistic electron beam， IREB）條件下的裝置。

高功率微波作為一個相對來說比較新的研究領(lǐng)域，在國防、科學研究中具有巨大的應(yīng)用前景。其中，高功率微波武器（HPMW）作為三大定向能武器之一，利用定向發(fā)射的高功率微波束，可以達到毀壞和干擾敵方武器系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和通信鏈路中的敏感電子部件，以及殺傷敵方作戰(zhàn)人員的作戰(zhàn)效果。

HPMW概念最早由《美國空軍2025年戰(zhàn)略規(guī)劃》提出，根據(jù)美國電子工業(yè)協(xié)會報道，美國在2006年已完成了天基HPM系統(tǒng)建模與仿真試驗。美國近年來在HPM脈沖源的研究投資就達到數(shù)億美元/年。此外，俄、英、法、德、日等國都競相開展了高功率微波源和微波武器的研發(fā)工作。可以說，HPMW的提出和發(fā)展，使電子戰(zhàn)概念從傳統(tǒng)的以阻止或削弱敵人對電磁頻譜的有效利用為目的的“軟殺傷”，擴展到以電磁能量為基礎(chǔ)的“硬殺傷”，是一種全新電子對抗形式。

1 HPM武器組成

高功率微波武器（HPMW）向外空間輻射的典型微波峰值功率可達GW量級，使用的微波頻率為0.1-300GHz。 整個武器系統(tǒng)由初級電源、驅(qū)動源、HPM發(fā)生器、指揮控制系統(tǒng)、跟瞄系統(tǒng)、傳輸與發(fā)射系統(tǒng)組成，如圖1所示。

其中，初級電源為驅(qū)動源提供能量，驅(qū)動源將電能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦吖β蕪娒}沖電子束；在HPM發(fā)生器內(nèi)，電子束與電磁場相互作用（束-波不穩(wěn)定相互作用），產(chǎn)生一定頻率和模式的高功率微波；跟瞄系統(tǒng)獲得目標方位及俯仰信息，反饋給指揮控制系統(tǒng)；指控系統(tǒng)引導整個系統(tǒng)，將高功率微波通過傳輸與發(fā)射系統(tǒng)輻射至外部空間，完成對目標的打擊。

與原有的武器系統(tǒng)相比，HPMW具有以下特點：全系統(tǒng)簡單、可靠性高；系統(tǒng)使用費效比高，可以精簡操作人員；電子對抗過程只需消耗電能，以電磁波方式打擊，所以系統(tǒng)反應(yīng)速度、打擊速度（光速）快，且系統(tǒng)全壽命周期費用遠低于常規(guī)導彈對抗系統(tǒng)。

2 HPM武器效能

高功率微波武器輻射強微波能量，通過高容量、高增益?zhèn)鬏敯l(fā)射系統(tǒng)，以時域極窄的脈沖（幾十ns）通過天線聚集在一個空域窄波束中。敵方電子設(shè)備受電磁輻照后，工作性能會降低甚至完全失效。當前軍事武器系統(tǒng)中（如通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、巡航導彈等），廣泛應(yīng)用的各種大規(guī)模集成電路和超高速集成電路，對于高功率微波輻射脈沖來說是十分脆弱的目標。

高功率微波能夠通過敵方系統(tǒng)的 “前門”耦合進入電子系統(tǒng)，也可以通過 “后門”耦合方式進入，造成系統(tǒng)內(nèi)部電子器件的損傷、失效甚至燒毀。對于飛行器來說，“前門”耦合通道主要是其對地通信鏈路中的測控及數(shù)傳天線、告警雷達天線等，以及各單機的頻率綜合器、上、下變頻器等；“后門”耦合主要是通過系統(tǒng)外表面的擴散、經(jīng)孔洞、縫隙的穿透、在導線和其他金屬導體上激勵的電流和電壓的傳導等。

在HPM功率和發(fā)射天線增益確定的情況下，高功率微波武器到達目標的功率密度S與HPM武器距目標距離R有關(guān)。可根據(jù)式（1）計算得出到達目標的功率密度：

（1）

式中：S為功率密度，單位為W/cm2；Pt為HPM發(fā)射功率；Gt為HPM發(fā)射天線增益；R為HPM武器與目標之間的距離（上述分析忽略了微波傳輸空間損耗、模式轉(zhuǎn)換損耗等）。

在輻射功率Pt一定的情況下，天線增益Gt與其有效面積成正比，與工作波長平方成反比，如下式所示。

（2）

式中：λ為微波波長；Ae和A分別為天線在當前參數(shù)下輻射微波有效面積和物理面積；D為天線口面直徑；η為天線輻射效率。以當前典型單支HPM產(chǎn)生器的輻射功率Pt=5GW，微波波長λ=3cm，HPM發(fā)射天線實際面積A=10m2（D=3.6m，η= 80%）為例，代入式（2）可得Gt= 50.5dB。

根據(jù)天線半功率波束寬度θ3dB公式

（3）

以及HPM武器系統(tǒng)與飛行器之間的距離R，可得目標處半功率波束尺寸

（4）

表1為在不同的距離處HPM波束尺寸和功率密度以及對應(yīng)的攻擊對象、效果和攻擊目的。

根據(jù)上述HPM武器攻擊效能表可以看出，瞬時峰值功率5 GW，發(fā)射增益50.5 dB，工作波段3cm的HPMW，在距離目標飛行器500 km處，在直徑為3666.63m的覆蓋面積上功率密度達到0.02W/cm2，此時HPM可使星上敏感單機受到干擾作用；在距離60 km處，在直徑為439.99m覆蓋面積上功率密度達到1.24W/cm2，可使飛行器GPS定位儀、導航儀受到干擾，使其出現(xiàn)亂碼或者失效；在距離10km處，HPM功率密度達到幾十至上百W/cm2，目標本體受到較強“前門”“后門”耦合，可以造成飛行器某些單機損毀，從而導致衛(wèi)星系統(tǒng)失效和失控，偏離軌道；在距離目標大約1km處，HPM功率密度達到幾十kW/cm2，強烈電磁非線性效應(yīng)可能瞬間燒傷飛行器某些單機，或引爆飛行器彈藥戰(zhàn)斗部，達到燒毀或引爆目標的目的。

3 HPM武器關(guān)鍵技術(shù)

HPM微波武器可分為進攻性和防御性兩類，下面以防御性防空HPM武器系統(tǒng)和進攻性空間HPM武器系統(tǒng)為例，分析HPM武器系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 防空HPM武器關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 高功率微波產(chǎn)生器技術(shù)

作為HPM武器系統(tǒng)的核心，高功率微波產(chǎn)生器的作用是產(chǎn)生高功率微波。依據(jù)HPM產(chǎn)生的物理原理不同，HPM源可以分為：

（1）切倫柯夫輻射HPM源，如相對論返波振蕩器，相對論行波管；

（2）渡越輻射HPM源，如相對論速調(diào)管振蕩器及放大器；

（3）基于空間電荷效應(yīng)的HPM源，如虛陰極振蕩器等。

近些年來，各種高功率微波源取得了較好的實驗成果，產(chǎn)生微波頻率從P波段到W波段，微波峰值功率達到GW量級，脈寬從十幾ns到上百ns，微波脈沖能量從幾十焦耳到上千焦耳。在高重頻方面，RBWO和相對論磁控管在GW量級功率水平上實現(xiàn)了100Hz重復頻率運行。此外，雙頻以及多頻高功率微波源的出現(xiàn)，打破了單頻HPM源追求高功率、高效率和長脈沖的常規(guī)，其在電子對抗領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景，是HPM領(lǐng)域又一個新興的研究發(fā)展方向，如圖2所示。

目前這些高功率微波產(chǎn)生器的體積和重量較大，微波產(chǎn)生效率較低；同時需要進一步優(yōu)化設(shè)計在高重頻工作狀態(tài)下的高質(zhì)量冷卻散熱設(shè)備和能源供應(yīng)系統(tǒng)。

3.1.2 超寬帶、超短脈沖技術(shù)

超寬帶和超短脈沖技術(shù)是高功率微波武器發(fā)展的一個趨勢，它的特點是短脈沖寬度（ns-ps級）、寬頻譜（一般從30MHz到3GHz）、快上升時間（ps級）以及高功率（大于100MW）。它需要解決超寬帶脈沖充電電源技術(shù)、超寬帶電磁脈沖形成技術(shù)、亞納秒開關(guān)技術(shù)、超寬帶天線技術(shù)等難題。

3.1.3 高增益、高功率容量天線技術(shù)

HPM微波武器的發(fā)射天線必須具有高增益、窄波束，提高電子對抗能力；并需要低天線旁瓣，避免對己方和友方設(shè)備和人員的影響。同時，HPM武器系統(tǒng)天線要具有高功率容量，避免場致?lián)舸┖臀⒉芰繜龤炀€。在工藝上，要求天線做到高精度加工，天線面板盡量不拼接，接縫處導電處理以保證阻抗匹配、連續(xù)，不發(fā)生打火、擊穿效應(yīng)。

3.2 空間HPM武器關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 高功率微波驅(qū)動源技術(shù)

脈沖功率驅(qū)動源是HPMW的基礎(chǔ)部件，其作用就是在時間上將常規(guī)的能源壓縮到更高的功率，以便能為高功率微波源提供極高峰值功率和低占空系數(shù)的強流相對論電子束。脈沖功率技術(shù)是研制空間HPMW系統(tǒng)的難點之一?？臻gHPMW系統(tǒng)對高功率驅(qū)動源的需求主要依據(jù)高功率發(fā)生器的類型和工作參數(shù)而定，同時要結(jié)合空間平臺的特殊性。原則上，要求結(jié)構(gòu)節(jié)湊，可輸出GW級高功率電能量，輸出電壓、電流穩(wěn)定，能量利用率高，可重頻工作。

由于地基使用的脈沖驅(qū)動源技術(shù)發(fā)展成熟，種類較多，可以對地基驅(qū)動源進行充分比較研究，分析各種類型驅(qū)動源的優(yōu)勢、劣勢，在此基礎(chǔ)上設(shè)計滿足空間HPMW系統(tǒng)需求的功率源。地基中比較常見的GW級驅(qū)動源有Marx發(fā)生器、感應(yīng)電壓加法器、高壓脈沖調(diào)制器和Tesla型脈沖功率源等， 這幾類裝置在原理、輸出脈沖特征等方面有所區(qū)別。

以Marx發(fā)生器為例進行分析：Marx 發(fā)生器線路的工作原理可概括為“電容并聯(lián)充電、串聯(lián)放電”，從而使電壓倍加而獲得更高的脈沖電壓輸出。Marx發(fā)生器在高功率微波以及Z-箍縮研究領(lǐng)域均有應(yīng)用研究。近幾年，一系列改進技術(shù)（如分散電容技術(shù)等）用于設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的Marx發(fā)生器。德克薩斯大學研制的Marx發(fā)生器長度約為1.5m，主直徑30cm，可在10Hz重頻頻率下輸出脈沖電壓500kV，電流5kA， 脈寬200ns。中國工程物理研究院研制了可在26Ω的負載上實現(xiàn)145kV，前沿39ns、脈寬80ns高壓脈沖輸出的Marx發(fā)生器。

緊湊型Marx發(fā)生器在向著更高的輸出功率和重復頻率，高可靠性、緊湊化、小型化和模塊化結(jié)構(gòu)運行方式等幾個方向發(fā)展。下一步，其將進一步陡化輸出的脈沖前沿（ns量級）和輸出更高重頻脈沖（100Hz）。是未來空間HPMW設(shè)計、研究需要緊密關(guān)注的有力候選驅(qū)動源類型。

3.2.2 空間環(huán)境對HPM驅(qū)動源的影響

空間環(huán)境的特殊性是空間HPM驅(qū)動源研制面臨的難題之一，包括太空環(huán)境的高真空、高能粒子輻射、微重力、真空熱環(huán)境等問題。

高真空對HPM驅(qū)動源在對流散熱和熱控設(shè)計方面產(chǎn)生不利影響；空間高能粒子輻射主要來源于地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽宇宙線，這些高能輻射可能引起空間電子器件的單粒子效應(yīng)。

所謂單粒子效應(yīng)是指空間高能粒子（質(zhì)子或正離子）轟擊微電子器件的敏感節(jié)點，導致微電子器件邏輯功能翻轉(zhuǎn)或器件損壞的事件。上世紀70-80年代之間，美國40顆衛(wèi)星所發(fā)生的1589次異常記錄中，70%是由空間環(huán)境所引起，而單粒子翻轉(zhuǎn)有621起，占總數(shù)的39%。我國發(fā)射的“實踐4號衛(wèi)星”也完全記錄到了單粒子事件所造成的影響，兩顆風云衛(wèi)星的壽命提前終止都說明此種環(huán)境效應(yīng)的嚴重性，必須加強防護?？臻g微重力環(huán)境意味著HPM驅(qū)動源散熱只能通過傳導或輻射，這意味著散熱需要采用強制循環(huán)方式。

總體來說，空間環(huán)境對HPM驅(qū)動源的影響因具體技術(shù)方案不同而有所區(qū)別，需要在空間HPM驅(qū)動源的具體設(shè)計中具體分析各種因素的影響，并采取相應(yīng)的防護措施。

3.2.3 空間HPMW電磁兼容設(shè)計

空間HPMW系統(tǒng)包含高功率能量驅(qū)動源、HPM產(chǎn)生器，其復雜的電磁輻射特性會對系統(tǒng)以及鄰近系統(tǒng)的測控、通信和電子探測等系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。其中，高功率驅(qū)動源產(chǎn)生的強流電子束必然在HPM發(fā)生器與HPM驅(qū)動源間形成短脈沖電流回路。因此需要分析整個系統(tǒng)的電磁兼容特性，建立系統(tǒng)級電流電路回路，利用電磁仿真軟件建立模型進行仿真分析，分析對其它敏感部件影響，采取相應(yīng)防護措施。

圖3為相對論磁控管和Tesla型脈沖驅(qū)動源及其相應(yīng)電源模塊的電路模型。需要注意，依據(jù)驅(qū)動源具體設(shè)計不同，其電路模型會產(chǎn)生很大變化。所以，在分析中需要細化分析HPMW系統(tǒng)不同模塊電路模型，才能得到比較真實的仿真結(jié)果；必要時，可建立等效實驗平臺進行實驗驗證。

4 結(jié)語

高功率微波武器利用定向發(fā)射的高功率微波束，達到毀壞和干擾敵方信息和通信鏈路敏感器件，殺傷敵方作戰(zhàn)人員的作戰(zhàn)效果。它使電子戰(zhàn)概念從傳統(tǒng)的“軟殺傷”，擴展到以電磁能量為基礎(chǔ)的“硬殺傷”，是一種全新的電子對抗形式。

高功率微波武器系統(tǒng)由初級電源、驅(qū)動源、HPM發(fā)生器、指揮控制系統(tǒng)、跟瞄系統(tǒng)、傳輸與發(fā)射系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)具有組成簡單、可靠性高，使用費效比高的特點。在HPMW武器系統(tǒng)實用化過程中，需要解決結(jié)構(gòu)緊湊、高功率高效率HPM產(chǎn)生器和驅(qū)動源技術(shù)，以及高增益、高功率容量天線技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)；需要結(jié)合平臺特點，分析其全系統(tǒng)的電磁兼容特性，研究其復雜電磁輻射對系統(tǒng)的通信和電子探測等系統(tǒng)的影響。

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作者簡介

唐永福（1983-），男，河北省邯鄲市人。工學博士學位。現(xiàn)為中國電子科技集團公司第三十八研究所工程師。主要研究方向為高功率微波、電磁場與電磁波及電子對抗。

作者單位

中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088