相控陣?yán)走_(dá)抗高功率微波武器損毀能力分析

任雪峰，錢國(guó)棟

(海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 210003)

0 引 言

高功率微波武器是一種新概念武器。它能定向發(fā)射GW量級(jí)的高功率脈沖電磁波，通過“前門”和“后門”進(jìn)入電子設(shè)備，干擾或毀壞內(nèi)部敏感電子器件，使設(shè)備失效甚至燒毀。這對(duì)雷達(dá)等電子設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

高功率微波武器的防護(hù)是現(xiàn)代雷達(dá)等電子設(shè)備設(shè)計(jì)必須考慮的一個(gè)重要方面。業(yè)內(nèi)學(xué)者們對(duì)高功率微波武器對(duì)雷達(dá)的干擾毀傷原理、效果和防護(hù)方法等進(jìn)行了大量研究[1-4]。在對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷和防護(hù)方面，文獻(xiàn)[5]分析了電磁脈沖彈彈道偏差等因素對(duì)相控陣天線陣面毀傷區(qū)域的影響。本文針對(duì)相控陣特點(diǎn)，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)抗高功率微波武器毀傷能力進(jìn)行了分析，為相控陣?yán)走_(dá)的高功率微波武器防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

2 高功率微波武器攻擊原理

高功率微波武器對(duì)雷達(dá)攻擊示意圖如圖1所示。

圖1 高功率微波武器對(duì)雷達(dá)攻擊示意圖

目前，高功率微波武器輸出功率能達(dá)GW量級(jí)，脈寬從幾納秒到幾百納秒，通過“前門”和“后門”兩途徑進(jìn)入電子設(shè)備，對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行破壞。“后門”是指設(shè)備的導(dǎo)線、動(dòng)力電纜、電話線、失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞。電磁波能量通過它們耦合進(jìn)設(shè)備內(nèi)而造成破壞。“后門”可以通過加強(qiáng)屏蔽的方法進(jìn)行防護(hù)?！扒伴T”是指設(shè)備的天線等對(duì)外開放的通道。強(qiáng)電磁脈沖通過天線直接輸入到設(shè)備內(nèi)部，對(duì)脆弱的接收電路進(jìn)行破壞。相對(duì)于“后門”，“前門”是雷達(dá)的開放通道，是高功率微波武器防護(hù)的短板和薄弱環(huán)節(jié)，雷達(dá)更容易受到攻擊而導(dǎo)致?lián)p毀。因此，在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的是防護(hù)高功率微波武器的“前門”攻擊。

高功率微波武器攻擊雷達(dá)“前門”就是發(fā)射高功率微波脈沖信號(hào)通過雷達(dá)天線直接進(jìn)入雷達(dá)設(shè)備內(nèi)部，破壞雷達(dá)接收保護(hù)電路，乃至后續(xù)電路，使接收通道不能工作，從而雷達(dá)被損毀。一般雷達(dá)在接收通道前端設(shè)有保護(hù)電路對(duì)抗高功率微波武器的“前門”攻擊，如圖2所示。當(dāng)小信號(hào)到達(dá)時(shí)，保護(hù)電路能幾乎無插損地通過；當(dāng)大功率信號(hào)到達(dá)時(shí)，保護(hù)電路對(duì)大功率信號(hào)進(jìn)行反射或吸收衰減，從而保護(hù)低噪放等后續(xù)電路接收機(jī)。但是，保護(hù)電路也有一定的功率容量。當(dāng)輸入到接收通道的信號(hào)功率非常大而超過其功率容量時(shí)保護(hù)電路會(huì)被燒毀，從而導(dǎo)致接收電路無法正常工作。常見的保護(hù)電路有真空放電管、固態(tài)PIN管限幅器等。真空放電管體積相對(duì)較大，一般用在傳統(tǒng)雷達(dá)中，功率容量能達(dá)十kW到幾十kW量級(jí)[3]。固態(tài)PIN管限幅器體積小，在相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中大量使用，對(duì)于μs級(jí)以下脈沖信號(hào)其功率容量能達(dá)kW量級(jí)[6]。

圖2 接收通道前端框圖

3 抗損毀能力分析

傳統(tǒng)雷達(dá)采用大口徑天線獲得所需空間分辨率的天線波束，采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)波束的掃描控制，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，由天線、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)組成，原理如圖3所示。

相控陣?yán)走_(dá)通過多個(gè)天線波束的合成獲得所需空間分辨率的天線波束，控制多個(gè)天線單元的幅度和相位實(shí)現(xiàn)波束的靈活變換，原理如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)雷達(dá)原理框圖

圖4 相控陣?yán)走_(dá)原理框圖

相對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)天線數(shù)量多，每個(gè)天線單元接一個(gè)收發(fā)通道，單個(gè)天線增益小。在相同的雷達(dá)性能指標(biāo)和高功率微波武器攻擊條件下，相控陣?yán)走_(dá)每個(gè)通道接收到的信號(hào)功率小，從而具有更強(qiáng)的抗高功率微波武器“前門”損毀能力。

高功率微波武器發(fā)射的高功率微波經(jīng)過空間傳輸后進(jìn)入雷達(dá)接收通道，雷達(dá)天線處的功率密度為

(1)

其中，Pt為高功率微波武器發(fā)射脈沖功率，Gt為高功率微波武器天線發(fā)射增益，R為高功率微波武器與雷達(dá)之間的距離，L為損耗(含極化損耗、大氣損耗、饋線損耗等)。

進(jìn)入接收通道的信號(hào)功率為

(2)

其中，Ar為雷達(dá)天線有效接收面積，Gr為雷達(dá)天線接收增益，λ為工作波長(zhǎng)。

由式(2)可知，高功率微波武器天線主瓣瞄準(zhǔn)雷達(dá)進(jìn)行攻擊時(shí)，進(jìn)入雷達(dá)接收通道的信號(hào)功率Pr與雷達(dá)天線增益Gr有關(guān)，而受雷達(dá)天線方向圖的影響雷達(dá)天線各方向的增益不同。雷達(dá)工作時(shí)，天線波束對(duì)空間進(jìn)行掃描探測(cè)，高功率微波武器可瞄準(zhǔn)雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)攻擊。當(dāng)雷達(dá)天線波束轉(zhuǎn)動(dòng)且其主瓣對(duì)準(zhǔn)高功率微波武器天線主瓣時(shí)，進(jìn)入雷達(dá)接收通道的信號(hào)功率Pr最大，最容易損毀雷達(dá)。

設(shè)高功率微波武器發(fā)射脈沖功率5 GW，頻率10 GHz，天線主瓣增益30 dB。設(shè)被攻擊的雷達(dá)工作頻率10 GHz，天線主瓣增益33 dB。對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)，接收通道保護(hù)電路采用真空放電管，脈沖功率容量10 kW；對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)，采用1 000個(gè)通道設(shè)計(jì)，單個(gè)通道天線增益4 dB，接收通道保護(hù)電路采用PIN限幅器，脈沖功率容量1 kW，設(shè)損耗為3 dB。

高功率微波武器瞄準(zhǔn)雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)攻擊，高功率脈沖電磁波從雷達(dá)天線主瓣進(jìn)入接收通道。對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)，進(jìn)入接收通道的脈沖信號(hào)功率隨距離變化如圖5所示。由圖5可知，對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)，高功率微波武器攻擊距離小于1 km時(shí)接收通道接收功率大于10 kW，接收通道被損毀；對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)，高功率微波武器攻擊距離小于110 m時(shí)，接收通道接收功率大于1 kW，接收通道被損毀。因此，在相同的條件下，相控陣?yán)走_(dá)“前門”抗高功率微波武器損毀能力強(qiáng)，對(duì)于典型的設(shè)計(jì)，高功率微波武器要通過“前門”損毀相控陣?yán)走_(dá)，攻擊距離約為是傳統(tǒng)雷達(dá)的1/10。

圖5 進(jìn)入接收通道功率隨距離變化

4 結(jié)束語

由上分析，相控陣?yán)走_(dá)由于采用多天線合成所需波束，單個(gè)通道天線增益小，在相同條件下每個(gè)通道接收功率小。相對(duì)于相同天線增益指標(biāo)的傳統(tǒng)雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)抗高功率微波武器損毀能力強(qiáng)。高功率微波武器對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的有效殺傷距離約為對(duì)相同指標(biāo)傳統(tǒng)雷達(dá)有效殺傷距離的1/10。