相控陣雷達在高功率微波彈攻擊下的生存能力分析

孟 澤，柴晉飛，王劍峰

(1.中國人民解放軍駐七八四廠軍事代表室，四川 成都 610051;2.成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川 成都 610051)

相控陣雷達在高功率微波彈攻擊下的生存能力分析

孟 澤1，柴晉飛1，王劍峰2

(1.中國人民解放軍駐七八四廠軍事代表室，四川 成都 610051;2.成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川 成都 610051)

高功率微波彈作為一種針對電子設(shè)備的新型武器，對雷達等電子設(shè)備的生存能力帶來了新的威脅。分析了高功率微波彈毀傷相控陣雷達的機理，對2種不同天線形式的相控陣雷達在遭受高功率微波彈攻擊時的生存能力進行了仿真分析。

相控陣雷達；天線形式；高功率微波彈；安全距離

0 引 言

高功率微波彈是一種利用定向發(fā)射的高功率微波束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的定向能武器，這種武器輻射的頻率一般在1～300 GHz 范圍內(nèi), 脈沖功率在吉瓦級。一維相控陣雷達是各國裝備量較大的一種雷達，在受到高功率微波彈攻擊下的生存能力近年來備受關(guān)注。本文重點分析2種相掃形式的相控陣雷達在面對高功率電磁脈沖時的生存能力。

1 高功率微波彈的毀傷機制

1.1 高功率微波彈的組成結(jié)構(gòu)

高功率微波彈通常由初級能源、高功率微波發(fā)生器、發(fā)射天線和其他配套設(shè)施組成。它將高功率微波源產(chǎn)生的高能微波由定向天線向空間發(fā)射形成高強度的具有破壞效應(yīng)的微波射束，主要用于攻擊敵信息鏈節(jié)點中的電子系統(tǒng)。圖1是高功率微波炸彈的組成示意圖。

1.2 投送方式

根據(jù)投送平臺不同，高功率微波彈可分為戰(zhàn)斗機或巡航彈2種投放方式[1]。作戰(zhàn)時，高功率微波彈通過載機或自動巡航到達目標(biāo)上空，并在目標(biāo)上空一定的高度爆炸，對地面一定范圍內(nèi)的電子設(shè)備進行破壞。

1.3 耦合途徑

高功率微波彈主要通過“前門”和“后門”耦合到目標(biāo)中的電子系統(tǒng)，從而產(chǎn)生破壞效應(yīng)。前門耦合模式系指高功率微波彈所產(chǎn)生的電磁場能量，耦合進入雷達或通訊裝備系統(tǒng)的天線。因為天線本身的設(shè)計就是提供微波能量耦合的通路，因此也是高功率微波彈的能量進入目標(biāo)的一個有效途徑，并造成電子設(shè)備本體的破壞與傷害。后門耦合模式系指高功率微波炸彈產(chǎn)生的短暫電流或駐波，引起的電磁場耦合進入固定電線(纜)所造成的耦合效應(yīng), 此時，電線(纜)所連結(jié)的電子設(shè)備(雷達或通訊裝備)會間接受到傷害,屏蔽不好的電子設(shè)備將被直接燒毀[2]。

1.4 高功率微波彈對電子系統(tǒng)的作用

對于“后門”偶合效應(yīng)，高功率微波武器對電子設(shè)備產(chǎn)生的作用可分為干擾、“軟殺傷”、“硬殺傷”3個方面[3]：

(1) 干擾作用

當(dāng)0.01～1 μW/cm2功率密度的微波束照射目

標(biāo)時，能干擾在相應(yīng)頻段上工作的雷達、通信設(shè)備和導(dǎo)航系統(tǒng)；當(dāng)功率密度達到0.01～1 W/cm2時，可導(dǎo)致雷達、通信和導(dǎo)航設(shè)備的微波器件性能下降或失效，還會使小型計算機芯片失效或被燒毀。

(2) “軟殺傷”作用

當(dāng)功率密度為10～100 W/cm2的強微波束照射目標(biāo)時，可使工作在任何波段的電子元、器件失效，其輻射形成的電磁場，可在金屬目標(biāo)的表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過天線、導(dǎo)線、金屬開口或縫隙進入飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、坦克等武器系統(tǒng)的電子設(shè)備的電路中；如果感應(yīng)電流較大，會使電路功能產(chǎn)生混亂，出現(xiàn)誤碼、中斷數(shù)據(jù)或信息傳輸，抹掉計算機存儲或記憶信息等；如果感應(yīng)電流很大，則會燒毀電路中的元器件，使電子裝備和武器系統(tǒng)失效。

(3) “硬殺傷”作用

高功率微波具有軟殺傷效能，還具有硬殺傷破壞效能，當(dāng)使用功率密度為1 000～10 000 W/cm2的強微波束照射目標(biāo)時，能在瞬間摧毀目標(biāo)、引爆炸彈、導(dǎo)彈、核彈等武器。

高功率微波對電子設(shè)備的效能如表1所示(這里的功率均為脈沖功率)，根據(jù)表1中的功率密度量級，若高功率微波彈釋放的強電磁脈沖在電子設(shè)備表面的功率密度大于等于0.01 W/cm2，即可導(dǎo)致電子設(shè)備損壞。

表1 不同功率密度的高功率微波對電子系統(tǒng)的效應(yīng)

對于“前門”耦合效應(yīng)的作用，需要計算高功率脈沖彈所產(chǎn)生的強電磁脈沖從天線進入雷達各環(huán)節(jié)后的微波功率。如果雷達任一環(huán)節(jié)的微波功率超過該環(huán)節(jié)電路的功率燒毀閾值，均會對雷達產(chǎn)生毀傷作用。

2 高功率脈沖彈對電子設(shè)備的毀傷模型

2.1 典型高功率脈沖彈參數(shù)

目前美軍裝備的MK84 型高功率微波彈長3.84 m，直徑0.46 m，總重量908 kg，高功率微波源脈沖功率Pt=1～10 GW，脈沖寬度τ=0.1～0.6 μs，工作頻率f=6 GHz(如圖2所示)。

在一些公開發(fā)行的文獻中[4]，對該型號高功率脈沖彈的天線參數(shù)進行描述，在這里直接使用這些參數(shù)：天線增益12.3 dB；天線波瓣寬度82°。

2.2 威力半徑及功率密度的計算

通常高功率微波彈都在空中爆炸，并向下輻射高功率電磁脈沖，起爆示意圖如圖所示3[5]。圖中起爆高度為h，是高功率微波彈波束中心離地面的距離，天線波束在地面上形成了張角為2θ0.5的圓錐形威力區(qū)，而圓錐底面圓為高功率微波彈的威力圓，威力圓內(nèi)的電子設(shè)備是電磁脈沖彈的主要攻擊對象，其半徑R稱為威力半徑，則：

(1)

設(shè)高功率微波彈功率為Pt，發(fā)射增益為G，圓中心點“O”功率密度為S1，圓邊點功率密度為S2，圓內(nèi)各點的功率密度大于S2。在威力圓中心處電磁脈沖彈發(fā)射天線的增益最大，由于θ0.5為天線的半功率角，可取圓邊上各點增益為天線最大輻射增益的一半，則：

(2)

(3)

3 一維相掃雷達生存能力分析

3.1 雷達天線體制

在文中提及的電磁脈沖彈工作頻率為6 GHz，由于對強電磁脈沖彈的資料較少，為了便于比較，假設(shè)有2部工作頻率同樣為6 GHz的相控陣雷達，2部雷達的天線口徑相同(3 m×2.5 m)，都采用行線源形式，2部雷達的行線源都為50行。在分析時按一維相掃雷達發(fā)射機和天線體制的不同，將一維相掃雷達分為兩大類：

(1) 采用真空管放大器或固態(tài)的集中饋電體制相控陣雷達

這類雷達其功率放大器件通常為速調(diào)管、行波管及前向波管等真空放大器件，由于真空管放大器具有峰值功率高的特點，可直接將信號放大到所需量級，通過集中饋電的形式，直接將大功率微波信號輸送至天線。

而采用集中饋電形式的相控陣雷達，由于其發(fā)射置相須在大功率下進行，所以一般采用真空管放大器、集中饋電體制的相控陣雷達，所采用的移相器為鐵氧體移相器，這類相控陣雷達的典型代表為英國的AR327雷達、美國的AN/TPS-75(V)雷達，其天饋系統(tǒng)組成示意圖通常如圖4所示。

(2) 采用固態(tài)放大器的分布式饋電體制相控陣雷達

這類雷達的功率放大器件通常為砷化鎵場效應(yīng)晶體管(一般稱固態(tài)微波功率管)，由于固態(tài)放大管具有低峰值功率、高占空比的特點，所有采用這類發(fā)射機的相控陣雷達通常采用分布式發(fā)射體制，所有的能量在空間合成。

由于這類雷達采用分布式全固態(tài)發(fā)射體制，每個組件輸出的峰值功率都較小，進行收發(fā)置相的移相器大多選用小功率的光電二極管(PIN)移相器，這類相控陣雷達的典型代表為法國的MASTER-M雷達、美國的AN/TPS-59(V)3雷達，其天饋系統(tǒng)組成示意圖通常如圖5所示。

3.2 生存能力分析方法

采用以下方法對一維相掃雷達在高功率微波彈威脅下的生存能力進行分析：

(1) 根據(jù)高功率微波彈的參數(shù)計算出高功率微波彈在不同高度爆炸時所形成的威力半徑；

(2) 根據(jù)高功率微波彈爆炸高度計算出其威力半徑內(nèi)不同距離段上雷達天線所承受的功率密度；

(3) 分別計算2種不同天線體制的一維相掃雷達在高功率微波彈威力半徑內(nèi)通過“前門”及“后門”進入的強電磁脈沖不造成器件燒毀安全距離；

(4) 綜合2種體制雷達的“前門”及“后門”安全距離，得到綜合安全距離，通過安全距離的遠近比較2種不同天線體制的一維相掃雷達的生存能力，安全距離離高功率微波彈爆炸點近的雷達其生存能力高于安全距離離高功率微波彈爆炸點遠的雷達。

3.3 雷達安全距離估算

3.3.1 威力半徑計算

在進行威力半徑計算時，根據(jù)圖3所示的電磁脈沖彈爆炸方式，按式(1)計算出電磁脈沖彈在不同高度爆炸時的威力半徑(如表2所示)。

表2 不同起爆高度下的威力半徑

3.3.2 雷達在威力半徑內(nèi)接收到的電磁脈沖強度

計算雷達在威力半徑接收到的電磁脈沖強度時，按照式(2)和式(3)分別計算當(dāng)電磁脈沖彈在不同高度下起爆，其威力半徑內(nèi)各點雷達天線所接收到的功率密度，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6中的每一條曲線對應(yīng)橫坐標(biāo)代表高功率微波彈在不同高度爆炸時形成的威力半徑，縱坐標(biāo)代表雷達在高功率微波彈威力半徑內(nèi)耦合到的功率密度值。

3.3.3 安全距離計算

(1) “后門”耦合安全距離

在計算后門耦合安全距離時，必須考慮雷達自身的電磁屏蔽能力。目前雷達的電磁屏蔽能力通常按照電磁兼容的相關(guān)要求進行設(shè)計，一般情況下其電磁屏蔽能力為15～30 dB之間，在這里均按20 dB取值，此時不同起爆高度下形成的威力半徑內(nèi)，耦合到雷達器件上的功率密度值如圖7所示。

根據(jù)表1中不同功率密度的高功率微波對電子系統(tǒng)的效應(yīng)計算，只有當(dāng)功率密度小于0.01 W/cm2(-20 dBW/cm2)才能保證電子器件不會燒毀，所以將0.01 W/cm2(-20 dBW/cm2)作為器件燒毀的閾值。

從圖7中可以看到，當(dāng)高功率微波彈的爆炸高度在1 000 m，雷達距離爆炸中心點超過300 m時，耦合到雷達的功率密度才小于燒毀閾值，將該點作為雷達安全距離的臨界點。

(2) “前門”耦合安全距離

在進行前門耦合安全距離計算時，主要考慮通過天線接收后到每行線源后的電磁脈沖功率，每行線源接收到的功率Pn可按下式進行計算：

(4)

式中：S為到達雷達天線的功率密度；A為雷達天線面積(按3.1中取值為3 m×2.5 m=7.5 m2)；M為雷達天線行線源數(shù)(按3.1中取值為50行)。

則電磁脈沖彈在50～3 000 m高度爆炸時，雷達在威力中心點及威力半徑點每行線源所接收到的強電磁脈沖功率如圖8所示。

在進行前門耦合安全距離估算時，還需對面陣天線內(nèi)的主要器件進行分析。采用真空管集中式發(fā)射體制的雷達在行線源后采用鐵氧體移相器進行收發(fā)置相，由于鐵氧體移相器自身特點，其工作最大峰值功率近百千瓦，工作平均功率達到數(shù)百瓦。

若在平均功率保持數(shù)百瓦量級的情況下，峰值功率達到數(shù)兆瓦甚至更大時，也只會造成短時間的移相精度下降，不會造成移相器損壞，在強電磁脈沖通過后移相精度會很快恢復(fù)正常。在這里為便于比較，采用全固態(tài)分布式放射發(fā)射體制的雷達，其收發(fā)(T/R)組的抗燒毀功率通常僅為200 W(23 dBW)左右。

若按T/R組件抗燒毀功率為200 W(13 dBW)計算，那么只有當(dāng)每行行線源接收到的功率小于200 W(13 dBW)才能保證電子器件不會燒毀，所以將200 W(13 dBW)作為器件燒毀的閾值。

從圖8中可以看到，當(dāng)高功率微波彈的爆炸高度為2 000 m，雷達在距離爆炸中心點超過1 000 m的距離時，雷達行線源接收到的功率才小于燒毀閾值，也將該點作為雷達安全距離的臨界點。

采用真空管發(fā)射機集中饋電的雷達，由于其鐵氧體器件峰值功率達到數(shù)兆瓦時也不會燒毀，理論上即使強電磁脈沖彈在距離雷達50 m高度爆炸，且雷達處于威力半徑的中心，從前門耦合進入的強電磁脈沖也不會造成移相器燒毀(不考慮后門耦合)。

3.3.4 生存能力分析

當(dāng)雷達處于高功率微波彈的威力半徑內(nèi)時，前門耦合和后門耦合效應(yīng)會同時作用，所以在估算雷達安全距離時，應(yīng)按照最小安全距離確定雷達的綜合安全距離。根據(jù)前述參數(shù)，2種體制的一維相掃雷達的綜合安全距離如表3所示。

當(dāng)“前門”和“后門”耦合安全距離差距較大時，應(yīng)采取設(shè)計措施，提高較差一級的耦合安全距離，使得綜合安全距離得到有效提高，如采用真空管放大器或固態(tài)的集中饋電體制相控陣雷達，提高天線整體電磁屏蔽能力。

表3 2種不同體制的一維相掃雷達在高功率微波彈威力半徑內(nèi)的綜合安全距離

通過表3中2種體制一維相掃雷達的綜合安全距離比較，可以明顯得出，采用真空管發(fā)射機集中饋電體制的一維相掃雷達的生存能力優(yōu)于采用全固態(tài)分布式饋電體制的一維相掃雷達。

4 結(jié)束語

本文針對一維相掃雷達在電磁脈沖彈攻擊下的生存能力，提出了一種分析方法，按此方法可進行相控陣雷達面對高功率脈沖彈時的生存能力評估，也可作為完善雷達抗高功率沖彈的設(shè)計依據(jù)。根據(jù)分析可知，對于分別采用真空管發(fā)射機集中饋電體制和全固態(tài)分布式饋電體制的2種一維相控陣雷達，當(dāng)具有相同電磁屏蔽能力時，前者的生存能力明顯優(yōu)于后者。

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[2] 翟岱亮,張晨新，胡帥江，等.高功率微波武器的性能分析及其防御[J].飛航導(dǎo)彈，2012(5)：62-65.

[3] 胡少飛,王偉力.高功率微波彈對雷達接收機保護器的毀傷[J].兵工自動化，2009,28(5)：50-52.

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[5] 張光義.相控陣雷達技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

Viability Analysis of Phased Array Radar Attacked by High-power Microwave Bomb

MENG Ze1,CHAI Jin-fei1,WANG Jian-feng2

(1.Military Representative Office of PLA in 784 Factory,Chengdu 610051,China; 2.CEC Jinjiang Industrial Co.Ltd.,Chengdu 610051,China)

High-power microwave bomb is a kind of new weapon aiming at electronic equipments,which has brought new threats to the viability of electronic equipments such as radar.This paper analyzes the damage mechanism of high-power microwave bomb to phased array radar,simulates and analyzes the viability of phased array radar with two different antenna styles when it is attacked by the high-power microwave bomb.

phased array radar;antenna style;high-power microwave bomb;safe distance

2016-05-27

TN958.92

A

CN32-1413(2017)01-0029-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.006