微波接收前端高功率微波效應實驗研究

金祖升，施佳林，李建軒，李國林，王瑜衛(wèi)

（1.海軍研究院，北京10016；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙 410073；3.國防科技大學前沿交叉學科學院，湖南長沙 410073）

高功率微波（High Power Microwave，HPM）一般是指工作頻率在1～300 GHz 且峰值功率超過100 MW 的微波信號［1］.2010 年頒布的美軍標MIL-STD-464C 將HPM 的工作頻段定義為100 MHz～35 GHz［2］.近年來出現(xiàn)一種新的認識，認為平均功率大于1 MW 或者單個脈沖電磁波的能量大于1 J也屬于高功率微波的范疇［3］.隨著高功率微波技術的不斷進步和人們認識的不斷深化，其概念還可能進一步擴展演變.

高功率微波武器能在極短時間內(nèi)產(chǎn)生非常高的微波功率，并以定向波束干擾或損傷敵方電子設備，具有攻擊速度快、打擊范圍廣、可重復使用、效費比高等優(yōu)點，對信息化武器裝備構成了巨大威脅.近年來，美國陸續(xù)開發(fā)了用于防暴反恐的Goodbye主動拒止系統(tǒng)、用于機場防護的Vigilant Eagle 系統(tǒng)、用于打擊敵電子系統(tǒng)的CHAMP 微波導彈、用于反無人機的Phaser 系統(tǒng)和MORFIUS 系統(tǒng)，并且在《空軍2025 戰(zhàn)略規(guī)劃》中提出發(fā)展太空高功率微波武器的設想，利用安裝在地球低軌道衛(wèi)星上的高功率微波武器攻擊地面、空中和空間目標［4-6］.俄羅斯早在2001 年的利馬宇航展覽會上就展示了Ranets-E 和Rosa-E 兩種高功率微波武器，并在2016 年披露了要為第六代無人作戰(zhàn)飛機安裝微波武器的計劃［1，4］.2018 年，英國BAE 系統(tǒng)公司在美國海軍水面艦艇協(xié)會年會上展示了一款可替代現(xiàn)役MK-38 型艦炮的艦載高功率微波武器，用于水面艦艇的近程防御.

隨著高功率微波武器在軍事應用方面的加速推進，雷達、電子戰(zhàn)等用頻裝備面臨新體制電磁輻射源攻擊的威脅.開展高功率微波對電子設備的作用機理和損傷效應研究，針對高功率微波進行防護設計，成為迫切需要解決的問題.2016年，我國頒布了國家軍用標準《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應試驗方法》（GJB 8848—2016），明確將高功率微波納入武器裝備的考核范圍，并規(guī)定了武器系統(tǒng)及其相關軍械的高功率微波防護能力考核方法［7］.本文以某X 波段微波接收前端為對象，提出效應實驗方案，開展實驗獲取效應現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析高功率微波對電子設備的作用機理，為武器裝備高功率微波效應評估和防護設計提供參考.

1 HPM效應實驗研究進展

美國、歐洲在HPM 效應實驗技術研究方面起步較早.由美國國防部、三軍研究實驗室、能源部三大國家實驗室共同支持開展了一系列研究工作，發(fā)布了試驗規(guī)程TOP1-2-511［8］，提出并規(guī)范了試驗目的、要求、應用范圍、試驗設置、試驗流程及數(shù)據(jù)處理，為電子信息裝備HPM效應試驗研究奠定了基礎.歐洲各國制定了系統(tǒng)電磁環(huán)境效應試驗方法AECTP500［9］，并建立了多個系統(tǒng)級HPM 效應測試系統(tǒng)，如瑞典的MTF 測試系統(tǒng)、英國的Orion HPM 測試系統(tǒng)、法國的Hyperion HPM 測試系統(tǒng)、德國的Supra測試系統(tǒng)等，開展了大量的外場試驗，包括軍用／民用飛機、陸軍電臺、戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈、導彈、小汽車、運輸車及計算機等不同系統(tǒng)的效應試驗［10］.文獻［11］對瑞典、英國、德國和美國在HPM 效應方面的研究進展進行了綜述.

國內(nèi)在HPM 效應實驗方面的研究以元器件級為主，設備級和系統(tǒng)級的報道不多.西北核技術研究所是國內(nèi)較早開展HPM 元器件級效應研究的單位，方進勇等人采用注入法研究了微波脈沖參數(shù)變化對集成電路器件微波易損性的影響［12］，采用輻照法對幾種數(shù)字電子系統(tǒng)進行效應實驗，探討了微波脈沖寬度與效應物擾亂閾值的關系［13］.范菊平重點研究了半導體器件的HPM 非線性損傷效應，指出非線性效應是HPM 損傷半導體器件的根本機制［14］.針對雷達前端HPM 防護的需要，汪海洋開展了PIN 限幅器和CMOS 反相器單元數(shù)字電路效應理論模擬與實驗研究［15］.張海偉利用注入法研究了HPM 對低噪聲放大器的作用效應，并提出了相應的防護措施［16］.近年來，HPM 效應的研究開始向組件級、設備級拓展.文獻［17］對多組微波接收單元進行了輻照實驗，得到了效應物在不同作用概率下所需的輻照功率和輻照次數(shù).文獻［18］對雷達接收機測角功能關鍵部件分別進行輻照和注入試驗，結果顯示HPM 信號特征與雷達接收信號特征接近程度越高，干擾效應越明顯，且越難以通過信號處理手段進行濾除.文獻［19］利用S 波段高功率微波源輻照短波通信電臺，研究了HPM 的帶外損傷效應，表明HPM 對短波頻段裝備存在損傷的可能.隨著《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應試驗方法》（GJB 8848—2016）的貫徹實施，相關武器裝備針對HPM 開展防護設計成為必要，HPM 的作用效應研究也將受到更多關注.

目前，HPM效應研究以實驗手段為主，包括輻照法和注入法兩類.輻照法是利用HPM 模擬源產(chǎn)生高峰值場強并對效應物進行輻照，適用于電子設備分機、系統(tǒng)整體作用效應研究，實驗環(huán)境通常為電波暗室、開闊外場、混響室和GTEM 小室等，實驗條件要求高.注入法是將微波源產(chǎn)生的信號直接注入接收端口，所需功率較小，實驗條件容易建立，適用于器件級和電路部件級效應研究，如雷達接收機天線“前門”耦合效應.大量實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象使人們對HPM的作用效應有了進一步的認識［20，21］.根據(jù)作用效果持續(xù)時間分類，可分為瞬時效應、暫時效應、永久效應.根據(jù)破壞程度分類，可分為干擾、擾亂、降級、損壞四類.可以將兩種分類方法進行對應，即干擾對應瞬時效應，擾亂對應暫時效應，降級和損壞對應永久效應.

2 實驗對象與方案

高功率微波工作頻段基本覆蓋了目前微波雷達的工作頻段，因此通過雷達接收天線進入微波接收機的概率大大增加.由于微波接收機靈敏度高，一旦受到高功率微波攻擊，其中的低噪聲放大器、混頻器、濾波器等敏感器件容易被干擾甚至損壞.本文以某X 波段微波接收前端為實驗對象，如圖1 所示.該接收前端是微波接收機的重要組成部分，由限幅器、低噪聲放大器、功分器、變頻濾波組件、本振、中頻放大模塊和電源模塊等部分組成，主要功能是將來自微波天線端口的射頻接收信號變頻為中頻信號輸出給后端處理電路，組成框圖如圖2 所示.射頻信號從限幅器前端輸入，經(jīng)過低噪聲放大器放大后由射頻功分器分成兩路；一路直接輸出到射頻檢測端口用于射頻信號監(jiān)測，另一路經(jīng)兩級混頻后濾波放大得到60 MHz 中頻信號，中頻信號經(jīng)過功分器一路直接輸出到中頻檢測端口用于信號監(jiān)測，另一路在可變增益中頻放大模塊控制下放大輸出至后續(xù)處理電路.電源模塊為各個模塊提供所需要的電源.微波接收前端工作頻段為9.8～10.2 GHz，靈敏度為-100 dBm，動態(tài)范圍為75 dB.

圖1 X波段微波接收前端實物圖Fig.1 X-band microwave receiver front-end

為了對比驗證限幅器的防護能力，圖2 中的限幅器設計成可拆裝形式，裝上限幅器，則注入信號先經(jīng)過限幅器再到低噪聲放大器，此時限幅器發(fā)揮作用.反之則該線路為通路，注入信號將直接流入低噪聲放大器.其中，低噪聲放大器增益為24 dB，噪聲系數(shù)不大于1.5 dB.限幅器駐波比小于1.5，最大可承受功率不小于2 W.

圖2 微波接收前端組成框圖Fig.2 Block diagram of microwave receiver front-end

實驗的主要目的是獲得微波接收前端的“前門”耦合效應，故采用注入法開展效應實驗.實驗設備包括脈沖信號發(fā)生器、功率放大器、定向耦合器、環(huán)行器、示波器、檢波器、負載等，實驗布置如圖3 所示.脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生脈寬可調、功率可調的單脈沖/重頻微波，經(jīng)功放放大和濾波器濾波后注入目標.利用定向耦合器、檢波器以及示波器監(jiān)測注入功率，并通過微波接收前端中頻檢測電路端口實時監(jiān)測中頻輸出信號.

圖3 注入效應實驗布置方案Fig.3 Layout of injection experiment

在本實驗中，注入實驗分為預備實驗和正式實驗.預備實驗采用功率水平較低的單脈沖注入，一般比最低的正式實驗注入功率低3 dB，目的是通過嘗試性注入進行功率數(shù)據(jù)摸底，如有必要，調整正式實驗的初始注入功率.正式實驗是按照從小到大的順序依次增大功率、重頻或脈寬，獲取效應物的效應現(xiàn)象和相應的閾值.當實驗條件發(fā)生變化時，需在前一個實驗條件的基礎上重新進行預備實驗.

每完成一次微波信號注入，對微波接收前端的接收靈敏度進行一次檢查.具體做法是：利用脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生略大于-100 dBm 的X 波段微波信號，注入微波接收前端的射頻輸入端口，逐漸減小注入信號的功率至-100 dBm，并監(jiān)測中頻輸出信號，檢查接收靈敏度是否仍然滿足設計指標要求.

本次實驗主要考察降級和損壞兩種效應現(xiàn)象.為了對這兩種效應現(xiàn)象進行明確區(qū)分，規(guī)定微波接收前端靈敏度下降1 dB 以內(nèi)為正常，下降1～10 dB且短時間內(nèi)無法恢復為降級，下降10 dB以上且短時間內(nèi)無法恢復為損壞.

3 實驗過程與結果分析

3.1 實驗過程與結果

根據(jù)圖3 的實驗布置方案，實驗設備的實際連接如圖4 所示.圖5 為兩臺監(jiān)測示波器，其中下面一臺示波器用于監(jiān)測注入微波信號的功率、波形等參數(shù)是否滿足要求；上面一臺示波器用于監(jiān)測微波接收前端的中頻輸出信號是否正常、靈敏度是否下降.此次試驗的注入信號為窄譜HPM 脈沖信號，波形如圖5 所示，可通過微波源修改注入信號的峰值功率、脈寬和中頻等參數(shù).

圖4 注入效應實驗設備連接圖Fig.4 Connection diagram of injection experiment

圖5 注入微波信號監(jiān)測和中頻輸出信號監(jiān)測Fig.5 Monitoring of injected microwave signal and IF output signal

首先進行帶限幅器的注入試驗，效應數(shù)據(jù)見表1.在有限幅器防護條件下，當注入微波脈沖峰值功率達到60.7 dBm、脈沖數(shù)達到每秒100 個、脈寬達到100 ns 時，微波接收前端工作正常；保持注入功率、每秒脈沖個數(shù)不變，逐漸增加脈寬到2 000 ns時，微波接收前端的接收靈敏度，下降約9 dB，且短時間無法恢復，判斷為降級.按此參數(shù)繼續(xù)注入5 次，發(fā)現(xiàn)靈敏度持續(xù)下降13 dB、17 dB、18 dB，之后保持不變，且無法自行恢復，檢查發(fā)現(xiàn)前端限幅器（圖6 中實線框內(nèi)）損壞失效，其余器件正常.同等注入條件下效應物的靈敏度持續(xù)下降，表明損壞作用有一定的累積效應.此外，表1 數(shù)據(jù)表明，保持峰值功率不變，增大脈寬、增加脈沖數(shù)，可以實現(xiàn)損傷作用效果.

表1 效應數(shù)據(jù)與效應現(xiàn)象（有限幅器保護）Tab.1 Effect data and effect phenomenon（with limiter）

然后卸下限幅器進行注入試驗，效應數(shù)據(jù)見表2.通過預備實驗摸底，將微波脈沖的脈寬設置為100 ns，脈沖數(shù)設置為1 個，逐漸增加注入的峰值功率.表2 數(shù)據(jù)顯示，當峰值功率從38.0 dBm 增加到46.4 dBm 時，微波接收前端正常，進一步增加到48.8 dBm 時，接收機靈敏度下降約28 dB.重復兩次實驗，若效應現(xiàn)象穩(wěn)定不變，則判斷為損壞，檢查發(fā)現(xiàn)低噪聲放大器（見圖6 虛框）失效.可以發(fā)現(xiàn)，缺少限幅器保護，微波接收前端的損傷閾值顯著下降.

表2 效應數(shù)據(jù)與效應現(xiàn)象（無限幅器保護）Tab.2 Effect data and effect phenomenon（without limiter）

圖6 微波接收前端內(nèi)部的限幅器和低噪聲放大器Fig.6 Limiter and low-noise amplifier inside microwave receiver front-end cabinet

3.2 實驗結果分析

綜合以上效應數(shù)據(jù)，并對比相關文獻數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

1）增大峰值功率，或者保持峰值功率不變、增加脈寬和脈沖數(shù)，都可以造成電子設備損傷.事實上，這也是當前高功率微波損傷技術的兩大方向，一是采用“高峰值功率+窄脈沖”方式進行損傷，二是采用“相對較低峰值功率+長脈沖串”進行損傷.有實驗研究表明［1］，當脈沖持續(xù)時間小于100 ns 時，微波能量產(chǎn)生的熱量來不及擴散，半導體的結損傷只取決于能量的沉積，如果峰值功率足夠高，就能以窄脈沖的形式產(chǎn)生損傷效應.此外，如果采用一定重復頻率的微波脈沖，使得脈沖串之間沒有足夠的時間擴散熱量，就會出現(xiàn)能量沉積或者熱量積累，實現(xiàn)HPM 的累積破壞效應.

2）峰值功率、脈寬和脈沖數(shù)這幾個參數(shù)應當結合運用，以增強HPM 的作用效應.文獻［17］的研究表明，單次HPM 作用下，由“前門”耦合進入具有限幅保護結構接收機前端電路中的損傷功率需大于80 dBm（100 kW）.文獻［18］對X 波段雷達接收機中的測角功能關鍵部件進行了效應實驗，使用了寬脈沖串（脈寬1 μs，脈沖數(shù)100 個），結果表明效應物損壞的峰值接收功率為1～2 kW.本文同樣采用了寬脈沖串（脈寬2.2 μs，脈沖數(shù)100 個），在接收峰值功率為1 175 W（60.7 dBm）時，限幅器損壞了.可見，能量沉積是進行損傷的必要條件，應當在微波源設計中綜合運用峰值功率、脈寬和脈沖數(shù)等參數(shù)，實現(xiàn)作用效應的優(yōu)化.

3）針對高功率微波采用防護措施是必要的，也是有效的.本文實驗顯示，無限幅器保護時，注入功率為75.9 W（48.8 dBm）時，單個脈沖就能損傷低噪聲放大器，使得微波接收前端失效；采用限幅器后，峰值功率需增加到1 175 W（60.7 dBm），同時脈寬增大到2.2 μs、脈沖數(shù)增加到100 個，防護能力的提升非常顯著.

4）實驗方法方面，本文也進行了一些探索，考慮效應實驗對電子設備的破壞作用，將效應實驗分為預備實驗和正式實驗兩個步驟，目的是循序漸進地找到效應閾值，便于開展損傷機理分析.表1 和表2的結果表明這一做法是正確、有效的.

對比文獻［17-18］和本文結果可以看出，HPM效應實驗對象不同，其損傷閾值也不相同.損傷閾值不僅與效應對象采用的器件、防護手段有關，還與注入HPM 信號的參數(shù)有關.上述實驗揭示的HPM 效應現(xiàn)象和結論對于HPM 效應研究和防護設計具有明確的指導意義.

3.3 HPM損傷距離分析

得出效應閾值后，接下來分析HPM 武器對電子設備產(chǎn)生電磁損傷的作用距離.

通過前門通道進入用頻裝備內(nèi)部的HPM 信號，其大小由HPM武器輻射功率Pt、發(fā)射天線增益Gt、微波波長λ、HPM 武器與目標距離R、接收天線增益Gr、極化匹配因子γ、大氣損耗因子L等參數(shù)共同決定，如式（1）所示.

圖7 給出了在若干典型參數(shù)下用頻裝備天線接收端的接收功率Pr與作用距離R、微波武器輻射功率Pt之間的關系.典型參數(shù)選取分別為：HPM 中心頻率10 GHz，發(fā)射天線增益45 dB，接收天線增益35 dB，發(fā)射天線和接收天線極化完全匹配（即γ=1），忽略大氣損耗（即L=1）.結果顯示，用頻裝備接收功率與作用距離成平方反比關系；隨著微波武器輻射功率增加，接收功率線性增加.在此基礎上，將上一節(jié)注入效應實驗得到的功率閾值畫到圖7 中，通過與用頻裝備接收到的微波功率進行對比可以發(fā)現(xiàn)，當用頻裝備有限幅器保護時（對應損傷功率閾值60.7 dBm），三種不同輻射功率的HPM 武器，按輻射功率從小到大，其作用距離分別為0.75 km、1.5 km和2.5 km；當用頻裝備無限幅器保護時（對應損傷功率閾值48.8 dBm），作用距離分別為2.7 km、6.0 km 和8.5 km.可見，在近距離電磁對抗中，用頻裝備被HPM武器損傷的可能性是現(xiàn)實存在的.

圖7 用頻裝備天線接收功率Pr與作用距離R、微波武器輻射功率Pt的關系Fig.7 Relationships of received power Pr with distance R and radiation power of the microwave weapon Pt

4 結論

本文以某X 波段微波接收前端為對象，采用注入方法，研究了HPM 對典型射頻接收電路的損傷效應，得到如下結論：

1）通過高峰值功率或者長脈寬脈沖串，HPM 可以對電子設備中的敏感器件造成損傷，功率、脈寬和脈沖數(shù)這幾個微波源關鍵參數(shù)應當結合運用以優(yōu)化HPM武器攻擊效果；

2）采用限幅器等防護手段，可以顯著提升電子設備的抗燒毀能力，因此對“前門”通道進行防護是必要和有效的；

3）HPM 武器作用距離與武器參數(shù)、用頻裝備參數(shù)以及大氣損耗等因素有關，典型參數(shù)結果表明，在近距離電磁對抗中，HPM 可通過“前門”通道對采取防護措施的用頻裝備產(chǎn)生損傷.