高功率微波武器的被動(dòng)測(cè)向研究

高偉偉，李敬軍，張 弟

(1.海軍航空大學(xué)，山東 青島 266041；2.解放軍91208部隊(duì)，山東 青島 266102)

0 引 言

目前，世界主要國(guó)家對(duì)高功率微波(HPM)武器的研究都非常重視，見諸報(bào)道的HPM武器包括微波炸彈、導(dǎo)彈和各類車載、艦載、機(jī)載及天基HPM武器系統(tǒng)等[1-4]，可以預(yù)見，其在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)與電子戰(zhàn)中將有巨大的應(yīng)用空間。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)HPM武器的研究方向目前主要集中在：HPM武器總體技術(shù)，涉及用于非致命拒止或定向能打擊的HPM武器系統(tǒng)及方法；HPM源，涉及磁絕緣振蕩器、虛陰極振蕩器、相對(duì)論磁控管、相對(duì)論回旋管、相對(duì)論回波管、相對(duì)論速調(diào)管等內(nèi)容；脈沖功率源，涉及高功率脈沖開關(guān)和脈沖功率源總體技術(shù)；HPM傳輸與發(fā)射技術(shù)，主要是針對(duì)常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)天線的改進(jìn)；HPM武器的效應(yīng)及防護(hù)，主要針對(duì)通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)避免遭受“前門”或“后門”耦合效應(yīng)導(dǎo)致的干擾甚至毀傷以及對(duì)相關(guān)電子器件產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行研究。然而，針對(duì)HPM武器的探測(cè)卻未見有相關(guān)研究。為避免敵方HPM武器的二次攻擊并實(shí)施有效反擊，確保己方的制勝權(quán)，現(xiàn)針對(duì)HPM武器首次攻擊脈沖測(cè)向的可行性進(jìn)行探討分析。

1 HPM武器的特點(diǎn)及危害

HPM作為一種強(qiáng)電磁脈沖，其目的是在戰(zhàn)爭(zhēng)行動(dòng)或非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)中使敵方的電子設(shè)備毀傷或影響作戰(zhàn)人員使其喪失作戰(zhàn)能力，具有峰值功率高、所處頻帶范圍寬、脈沖短、重頻低等典型特點(diǎn)[5-6]。

表1 美國(guó)研制的部分HPM源性能[7]

以美國(guó)研制的HPM源為例(見表1[7])，可見HPM的峰值功率可達(dá)GW級(jí)，脈沖寬度在ns級(jí)別，脈沖重復(fù)頻率則在kHz以下甚至是單次發(fā)射，且雖然所處頻率范圍較寬，但一般是窄帶信號(hào)。峰值功率越高、重復(fù)頻率越高，HPM武器對(duì)敵方造成的傷害越大，而脈寬越窄，窄帶信號(hào)處于越寬的頻帶范圍(1 GHz～300 GHz[7])，則使得HPM更難以被捕捉。

HPM武器根據(jù)功率大小的不同，通過(guò)天線、射頻前端等進(jìn)行“前門”耦合，設(shè)備縫隙、孔洞或金屬殼體感應(yīng)燈進(jìn)行“后門”耦合，可對(duì)通信、雷達(dá)、導(dǎo)航及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等電子系統(tǒng)設(shè)備造成干擾、功能紊亂、毀壞甚至引爆等不同程度的打擊。表2[8]顯示了不同輻射功率密度下HPM武器對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)備的危害。

表2 HPM武器對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)備的危害[8]

有研究表明，當(dāng)HPM距目標(biāo)1 km時(shí)，在其附近空域產(chǎn)生的功率密度可達(dá)200 W/cm2，而當(dāng)距目標(biāo)10 km時(shí)，在其附近空域產(chǎn)生的功率密度仍可達(dá)20 W/cm2[9]。

2 對(duì)HPM武器的被動(dòng)測(cè)向

對(duì)于實(shí)施單次攻擊的微波炸彈或巡航導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，很顯然對(duì)其發(fā)射的HPM進(jìn)行探測(cè)意義并不大，但對(duì)于可重復(fù)使用的HPM武器所發(fā)射脈沖進(jìn)行探測(cè)則有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

理想狀態(tài)下，敵方開始攻擊之前己方即可發(fā)現(xiàn)HPM武器所在位置；但若在HPM武器攻擊之前不能發(fā)現(xiàn)，己方第一時(shí)間對(duì)HPM武器發(fā)射的強(qiáng)脈沖進(jìn)行測(cè)量以確定其大致方向，配合其它探測(cè)系統(tǒng)，最終確定其方位，避免己方遭受二次攻擊并采取相應(yīng)戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)，則是一種次理想狀態(tài)。

因此，針對(duì)HPM武器發(fā)射脈沖特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮遠(yuǎn)場(chǎng)條件下單次HPM脈沖的測(cè)向方法，顯然須滿足全空域同時(shí)測(cè)向和單脈沖測(cè)向2個(gè)必要條件。要滿足全空域同時(shí)測(cè)向，搜索式方法不再適合，而要求能單脈沖測(cè)向，多脈沖方法也不再適合，這里考慮以下2種方式。

2.1 全向比幅單脈沖法

全向比幅單脈沖測(cè)向法可表述為[10]：運(yùn)用多個(gè)相互獨(dú)立且波束主瓣毗鄰的天線陣元覆蓋空域內(nèi)360°全方位，對(duì)同一個(gè)HPM脈沖信號(hào)來(lái)說(shuō)，總有一對(duì)相鄰波束會(huì)輸出最強(qiáng)信號(hào)與次強(qiáng)信號(hào)，因此可通過(guò)對(duì)這一對(duì)信號(hào)的包絡(luò)幅度進(jìn)行比較確定來(lái)波方向。

圖1為典型的全向比幅四天線方向圖。圖中，相鄰天線的張角為θs=2π/N(N=4)，HPM脈沖方向偏離天線等信號(hào)強(qiáng)度方向?yàn)棣?，N方向天線輸出信號(hào)最強(qiáng)，E方向輸出信號(hào)次強(qiáng)，通過(guò)對(duì)這2個(gè)方向信號(hào)的后續(xù)比較運(yùn)算可得出θ。全向比幅單脈沖法的方位截獲率較高，對(duì)各種天線方向圖函數(shù)適應(yīng)能力較強(qiáng)，但其測(cè)向精度較低。

圖1 全向比幅四天線方向圖

2.2 線性相位多模圓陣法

線性相位多模圓陣法是將N個(gè)全方向性天線陣元均勻布置在半徑為r的圓上，固定其中一個(gè)陣元0與圓心的連線為參考方向，對(duì)天線陣元接收到的HPM脈沖信號(hào)加權(quán)合成后進(jìn)行鑒相處理，從而可實(shí)現(xiàn)整個(gè)空域內(nèi)的無(wú)模糊測(cè)向。

圖2[10]顯示了線性相位多模圓陣天線陣元原理，陣元r與陣元0的夾角為2mπ/N，HPM入射方向?yàn)棣龋到y(tǒng)對(duì)N個(gè)天線陣元接收的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)鑒相處理后得到θ方向。HPM的頻率只會(huì)影響線性相位多模圓陣天線輸出信號(hào)模的幅度而不會(huì)對(duì)相位造成影響，所以脈沖頻率的變化不會(huì)影響測(cè)向精度。

圖2 線性相位多模圓陣天線陣元圖

3 HPM單脈沖被動(dòng)測(cè)向雷達(dá)要求

通過(guò)對(duì)HPM單脈沖測(cè)向分析，結(jié)合HPM的特點(diǎn)，考慮雷達(dá)系統(tǒng)要求。

3.1 單基地單脈沖被動(dòng)雷達(dá)

首先，本文考慮的是接收HPM武器發(fā)射的脈沖并以其為信號(hào)源進(jìn)行測(cè)向，所以優(yōu)先選用被動(dòng)雷達(dá)；其次，按前文分析，是要對(duì)HPM單脈沖進(jìn)行測(cè)向，須選用單脈沖測(cè)量雷達(dá)；最后，HPM武器是一種定向能武器，其攻擊不可能覆蓋整個(gè)空域，它會(huì)選定戰(zhàn)場(chǎng)某一方向進(jìn)行定向攻擊，而多基地雷達(dá)由于雷達(dá)分機(jī)間距較遠(yuǎn)，可能導(dǎo)致同一時(shí)刻僅有某一方向的雷達(dá)分機(jī)會(huì)截獲信號(hào)(或遭到攻擊)，所以多基地雷達(dá)不適用于對(duì)HPM武器的測(cè)向，應(yīng)選用單基地雷達(dá)。

綜上，針對(duì)HPM武器的被動(dòng)測(cè)向應(yīng)選用單基地單脈沖被動(dòng)測(cè)量雷達(dá)。

3.2 單基地單脈沖被動(dòng)測(cè)向雷達(dá)結(jié)構(gòu)分析

典型的雷達(dá)接收機(jī)組成包括天線、濾波器、限幅器、低噪聲放大器、解調(diào)器、信號(hào)處理等幾個(gè)部分，如圖3所示，實(shí)際雷達(dá)接收機(jī)中可能并不包含所有部分。

圖3 典型雷達(dá)接收機(jī)組成框圖

雷達(dá)天線承載微波信號(hào)能量較強(qiáng)，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)HPM一般不會(huì)出現(xiàn)天線過(guò)載現(xiàn)象；有研究表明，HPM濾波器的功率容限很大，一般難于擊穿[11]；限幅器在應(yīng)對(duì)HPM時(shí)起到至關(guān)重要的作用，限幅器的性能好，后續(xù)電路可以得到有效的保護(hù)，反之，后續(xù)電路將不能正常工作甚至損毀；低噪聲放大器為了追求高靈敏度，往往是雷達(dá)接收機(jī)射頻前端中最為脆弱的環(huán)節(jié)，所以一般在設(shè)計(jì)時(shí)與限幅器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，依賴限幅器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；解調(diào)器(包括混頻、中頻等)是將微波變換為中頻甚至零中頻的環(huán)節(jié)，通過(guò)解調(diào)回波信號(hào)后進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理等環(huán)節(jié)。

從上述分析可以看出，限幅器在雷達(dá)對(duì)HPM脈沖進(jìn)行測(cè)向時(shí)起到至關(guān)重要的作用。

3.3 限幅器的選擇

現(xiàn)今研究應(yīng)用較多的有PIN限幅器[12-15]、MOS限幅器[16-17]、等離子體限幅器[18-19]以及自適應(yīng)頻率選擇限幅器[20-21]。根據(jù)HPM特點(diǎn)，限幅器必須滿足大帶寬(最寬可達(dá)300 GHz)、高耐受功率、響應(yīng)迅速等要求。固體限幅器雖然響應(yīng)時(shí)間快，但是難以做到大帶寬和高功率要求，等離子體限幅器的響應(yīng)時(shí)間較固體限幅器稍長(zhǎng)，卻可以滿足高功率要求，但同樣難以滿足大帶寬需求。表3[22]顯示了2類限幅器的性能差異。

利用頻率選擇表面和固體限幅器結(jié)合的方式構(gòu)成頻率選擇限幅結(jié)構(gòu)[20]或利用多工器與固體限幅器的組合形成頻率選擇限幅系統(tǒng)[21]的自適應(yīng)頻率選擇限幅器具有響應(yīng)時(shí)間快和滿足大帶寬的需求，但對(duì)高功率要求仍難滿足。綜上，若將等離子體與自適應(yīng)頻率選擇進(jìn)行綜合將會(huì)是較為理想的HPM限幅器，這里提出2種新型自適應(yīng)頻率選擇限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 2種新型限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4中限幅器的工作流程可以簡(jiǎn)述為：接收到的HPM首先經(jīng)多工器帶通濾波(或頻率選擇表面選頻)后，信號(hào)判別電路確定HPM所處頻帶范圍，控制對(duì)應(yīng)頻帶范圍的等離子體限幅器導(dǎo)通，由等離子體限幅器對(duì)信號(hào)進(jìn)行反射與吸收，達(dá)到衰減HPM的目的，衰減后的信號(hào)同樣經(jīng)信號(hào)判別電路控制進(jìn)入相應(yīng)后續(xù)鏈路進(jìn)行信號(hào)處理，最終得到HPM武器的方向。

圖4(a)與圖4(b)的區(qū)別在于，在限幅器的前端一種是多工器，而另一種是頻率選擇表面。頻率選擇表面本質(zhì)是運(yùn)用具有周期性陣列結(jié)構(gòu)的人工電磁材料對(duì)電磁場(chǎng)能量分布重新分配[23]，可對(duì)HPM進(jìn)行反射或透射處理，可以看作一種特殊的空間濾波器[24]。多工器是將接收到的信號(hào)電流進(jìn)行帶通濾波處理，可以看做一種帶通濾波器，兩者雖然在本質(zhì)上有所區(qū)別，但這里起到的作用都是為了確定HPM的頻段范圍并進(jìn)行濾波處理。

信號(hào)判別電路主要由信號(hào)識(shí)別和微波開關(guān)兩部分組成，如圖5所示，其通過(guò)識(shí)別電路首先確定多工器(或頻率選擇表面)的哪一路有輸出，明確信號(hào)頻段，進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)頻段微波開關(guān)開啟，保證后續(xù)相應(yīng)鏈路工作。

圖5 信號(hào)判別電路組成框圖

特別要說(shuō)明的是，這里提出的限幅器結(jié)構(gòu)與已有限幅器一個(gè)較大的區(qū)別在于信號(hào)判別電路的添加。這是因?yàn)?，雖然對(duì)未知HPM測(cè)量頻帶范圍要求非常寬，但實(shí)際情形中，HPM一般是窄帶脈沖信號(hào)[7]，其不可能貫穿整個(gè)雷達(dá)探測(cè)頻段，因此也就沒有必要使雷達(dá)電路一直處于全頻段工作狀態(tài)。信號(hào)判別電路有助于降低整個(gè)雷達(dá)接收鏈路工作量和延長(zhǎng)限幅器壽命，并最終達(dá)到精準(zhǔn)處理HPM輸入的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)HPM的特點(diǎn)，提出運(yùn)用單基地單脈沖被動(dòng)側(cè)向雷達(dá)對(duì)HPM武器進(jìn)行測(cè)向的設(shè)想，給出了可行的測(cè)向技術(shù)，并在分析限幅器在HPM測(cè)量中重要性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2種雷達(dá)限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。后續(xù)研究將重點(diǎn)對(duì)提出的新型限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和HPM武器被動(dòng)測(cè)向進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。