高功率微波對引信射頻前端的干擾與防護(hù)研究

李巍 李明典 劉斌 劉景萍

摘 要： 針對調(diào)頻引信的高功率微波干擾效應(yīng)問題，對引信天線進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn)以及場-路聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)， 分析了HPM武器的干擾與毀傷距離，研究了不同角度、峰值、脈寬的HPM矩形脈沖對射頻前端的干擾效應(yīng)，并進(jìn)行了防護(hù)設(shè)計(jì)。 研究表明：HPM偏離主波束越大，攻擊效果越差，但在副瓣處有所加強(qiáng)；隨著注入功率的增加，HPM的干擾能力會逐漸達(dá)到飽和；干擾強(qiáng)度總體上隨脈寬增加而增加，理想情況下矩形脈沖產(chǎn)生的最大干擾信號幾乎完全覆蓋差頻信號，嚴(yán)重影響目標(biāo)識別的準(zhǔn)確率；僅增加限幅電路可在一定程度上減小HPM照射造成的損傷，但不能防護(hù)HPM與回波信號同時到達(dá)時產(chǎn)生的干擾。

關(guān)鍵詞：高功率微波；調(diào)頻引信；輻照仿真；場-路聯(lián)合仿真；干擾效應(yīng)；限幅器

中圖分類號：TJ43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048（2022）05-0100-07

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0062

0 引? 言

高功率微波（HPM）是指中心頻率為100 MHz～300 GHz、峰值功率大于100 MW或平均功率大于1 MW的強(qiáng)電磁輻射［1］。 高功率微波武器（HPMW）通過高增益天線定向發(fā)射高功率微波照射目標(biāo)，對目標(biāo)的電子設(shè)備造成干擾或損傷，是未來信息對抗、空間攻防對抗的主要武器裝備。 美國和俄羅斯已將HPMW投入實(shí)戰(zhàn)［2］，主要目的是打擊敵方的精確制導(dǎo)彈藥。 毫米波調(diào)頻引信通過發(fā)射調(diào)頻電磁波確定目標(biāo)位置，從而控制炸點(diǎn)，提高彈藥的殺傷效能，是精確制導(dǎo)彈藥的核心。 電磁環(huán)境的劇烈變化會使引信受到干擾，甚至損壞，研究HPMW對引信的干擾效應(yīng)，對提升引信的戰(zhàn)場生存能力具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對于HPM效應(yīng)的研究包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［3］、前門耦合［4］、后門耦合［5］和非線性效應(yīng)［6-7］等方面，多數(shù)研究仍局限于低頻段（X波段以下），對于毫米波頻段較少涉及。 本文使用場-路聯(lián)合仿真的方法，將天線的前門耦合效應(yīng)和引信系統(tǒng)的功率注入實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，估算了HPMW的干擾作用距離，研究了窄帶矩形脈沖對Ka波段調(diào)頻引信的干擾效應(yīng)，所得結(jié)論完善HPM干擾效應(yīng)機(jī)理。 本文研究并設(shè)計(jì)了一款雙正接的PIN限幅電路，對限幅器進(jìn)行輻照信號場強(qiáng)為25 kV/m的仿真分析，設(shè)計(jì)方法與所得結(jié)論為后續(xù)的引信射頻前端防護(hù)提供了依據(jù)。

2 前門耦合仿真與干擾距離

本文研究的引信接收天線為雙角串饋微帶陣列天線［8］。 天線工作在Ka波段，帶寬1 GHz，回波損耗S11如圖2所示。

天線印刷在厚度為0.254 mm的Rogers RT5880介質(zhì)基板上，尺寸為17.06 mm×1.22 mm，最大增益14.73 dB，極化方向?yàn)槠ヅ渲?jié)長邊方向，其模型和方向圖如圖3所示。

假設(shè)HPMW發(fā)射峰值功率為10 GW，發(fā)射增益為30.0 dB，由式（3）可得，距離HPMW60 m處的場強(qiáng)約為400 kV/m。

在CST中，采用單脈沖正弦信號調(diào)制的平面波模擬HPM信號。 設(shè)置平面波頻率35 GHz，脈寬30 ns，電場強(qiáng)度為400 kV/m，選取0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°作為輻射角度樣點(diǎn)照射天線模型，模擬HPMW攻擊引信的場景，其中45°輻照示意圖如圖4所示。

經(jīng)模擬不同角度進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)后，可以看到各角度產(chǎn)生的耦合波形有所差異，將天線耦合電壓幅度與照射角度的關(guān)系繪制成擬合曲線，如圖5所示。 隨著HPMW的照射角度偏離主波束，耦合電壓逐漸降低，但在40°左右的副瓣處，耦合電壓略微增強(qiáng)，基本符合天線增益變化趨勢，副瓣增益過大會增強(qiáng)HPMW斜射時的干擾能力。

由文獻(xiàn)［9］可知，當(dāng)輸入信號功率在15～40 dBm時，接收機(jī)會受到干擾，干擾信號過大會影響接收電路的靈敏度；大于40 dBm時，會使接收電路電子線路燒毀；低于15 dBm時，接收機(jī)不受影響。 根據(jù)注入功率的變化，可以將HPMW的攻擊區(qū)域分為毀傷區(qū)和干擾區(qū)，如圖6所示。

取0°正面照射、45°斜射和90°垂直照射三個典型場景，根據(jù)不同角度照射時的耦合電壓計(jì)算可得，HPMW對引信的干擾和毀傷區(qū)域范圍如表1所示。

3 高功率微波效應(yīng)研究

為方便研究HPM對引信的干擾與損傷效應(yīng)，將HPM攻擊引信分為以下幾個情形。 不同注入方式下的干擾與損傷效果如表2所示。 當(dāng)僅有HPM注入引信射頻前端電路時，可能產(chǎn)生干擾效應(yīng)或者損傷效應(yīng)。 當(dāng)HPM與引信回波信號同時注入時，由于設(shè)置的引信起爆距離為3 m，為避免HPM誤傷，一般認(rèn)為HPM起干擾作用。

無回波狀態(tài)時，HPMW對引信造成的的損傷效應(yīng)主要表現(xiàn)為：當(dāng)HPM功率過大時，系統(tǒng)內(nèi)的晶體管溫度快速上升發(fā)生擊穿，產(chǎn)生的大電流會使器件內(nèi)部溫度升高，達(dá)到材料的熔化溫度時，HPMW的損傷效應(yīng)會使引信誤爆或者瞎火。

本文研究的引信結(jié)構(gòu)為零中頻結(jié)構(gòu)，引信工作于Ka波段，帶寬1 GHz，調(diào)制頻率210 kHz，彈-目距離3 m處的差頻信號頻率為8.4 MHz［10］，以PL_1512為晶體管，設(shè)計(jì)低噪聲放大器并進(jìn)行性能仿真，結(jié)果如圖7所示。 為了研究HPMW對引信造成的干擾效應(yīng)，搭建的系統(tǒng)級仿真模型如圖8所示。

將功率為10 dBm，峰值為1 V，上升沿和下降沿均為5 ns，脈寬為50 ns，頻率為35 GHz的HPM矩形脈沖信號注入接收機(jī)，經(jīng)過放大、混頻、濾波后的輸出差頻信號波形如圖9所示。

由圖9可知，干擾脈沖產(chǎn)生的差頻信號峰值為21 mV，噪聲抬升至-48.32 dBm。 為模擬不同峰值矩形脈沖信號的影響，調(diào)整脈沖峰值電壓為0.125 V，0.25 V，0.5 V，1 V，2 V，4 V，8 V，16 V，32 V注入接收機(jī)，將產(chǎn)生的干擾電平進(jìn)行擬合，如圖10所示。

由于LNA的非線性增益壓縮效應(yīng)［11］，干擾電平并沒有隨著注入功率的增加而線性抬升，而是在-47 dBm處達(dá)到了飽和，這是HPM耦合信號在引信損壞之前能達(dá)到的最強(qiáng)的干擾效果。 為研究不同脈寬矩形脈沖信號的影響，將功率為10 dBm的HPM矩形脈沖信號注入接收機(jī)，控制脈寬為50 ns， 75 ns， 100 ns， 125 ns， 150 ns。 可以得出HPM信號脈寬與干擾電平的關(guān)系，將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合， 如圖11所示。

可以看到，矩形脈沖的脈寬會影響引信的差頻信號識別，干擾電平隨著脈寬的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。 當(dāng)干擾信號脈寬大于75 ns時，干擾電平增加趨勢變緩，但都不會在8.4 MHz處產(chǎn)生明顯峰差。 由以上數(shù)據(jù)可知，無回波狀態(tài)時，不同峰值和脈寬的干擾信號會使噪聲抬升，不會使引信誤爆。

當(dāng)回波信號與HPM干擾信號同時到達(dá)時，將矩形脈沖信號分別設(shè)置為16 V和32 V，脈寬100 ns，與回波一同注入到引信接收機(jī)中，搭建的系統(tǒng)級仿真模型如圖12所示，受到干擾前后的差頻頻譜如圖13所示。

通過對比理想差頻和受干擾差頻頻譜可知，隨著干擾信號脈寬逐漸增大，差頻的信噪比也逐漸減小。 當(dāng)注入的HPM干擾信號為16 V時，差頻信號從理想狀態(tài)下的30 dB以上降為10 dB以下。 當(dāng)入射干擾信號為32 V時，差頻信號信噪比降為3 dB以下，干擾信號幾乎完全將回波信號覆蓋。戰(zhàn)場上電磁環(huán)境復(fù)雜，這會提高目標(biāo)識別的難度。 通常引信需要多種保護(hù)手段靈活搭配使用，才能提高戰(zhàn)場生存能力［12］。

4 引信射頻前端防護(hù)措施

為提高引信的抗干擾能力，在信號處理模塊可以控制起爆門限和信號積累，對干擾噪聲進(jìn)行抑制，提高差頻識別準(zhǔn)確率。 為提高引信的抗損傷能力，常見的HPM防護(hù)措施主要有屏蔽、限幅、濾波、接地等［13］。 當(dāng)發(fā)射的HPM達(dá)到引信損傷閾值時，為了加強(qiáng)引信射頻前端的防護(hù)能力，對引信射頻前端提出具體的防護(hù)措施。

PIN限幅器被廣泛應(yīng)用于敏感電子系統(tǒng)的前端，可防止大功率微波脈沖造成的電子器件的損壞［14］。 本文采用MACOM公司的某型號PIN二極管，該二極管具有3 ns的轉(zhuǎn)換時間，設(shè)計(jì)的Ka波段限幅器電路如圖14所示。 電路由兩只同向并聯(lián)的二極管構(gòu)成，對限幅電路進(jìn)行參數(shù)掃描，得到其限幅性能指標(biāo)以及回波損耗等參數(shù)如圖15所示。

由圖15（a）可知，限幅器帶寬大于10 GHz，在天線中心頻率處，限幅電路輸入駐波參數(shù)S11為-48.484 dB，回波損耗S21為-0.028 dBm，匹配性能良好。 從圖15（b）可知，該限幅電路起限閾值為0.411 dBm，穩(wěn)定輸出電平為2.919 dBm，當(dāng)輸入功率達(dá)到27 dBm時，限幅電路的限幅能力下降至5.268 dBm。

僅HPM信號注入引信接收電路時，當(dāng)注入信號功率過大時，限幅器會達(dá)飽和狀態(tài)，注入信號繼續(xù)增大時，會達(dá)到由于PIN二極管的擊穿或燒毀導(dǎo)致限幅器損壞狀態(tài)，但具體的損傷閾值條件需要進(jìn)行器件級的半導(dǎo)體模型建模，并通過TCAD等軟件仿真出器件電壓和溫度分布［15］。 因此在保證限幅器正常工作的條件下，考慮距離HPMW1 km時天線的耦合情況。 設(shè)置輻照信號場強(qiáng)為25 kV/m、頻率35 GHz、脈寬為100 ns的正弦調(diào)制矩形脈沖信號，經(jīng)輻照實(shí)驗(yàn)后得到天線耦合電壓為104.17 V。 對限幅電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，得到限幅電路輸出響應(yīng)信號如圖16所示。

可以看出，當(dāng)輻照信號場強(qiáng)25 kV/m，耦合信號經(jīng)過限幅器限幅后正向峰值為1.904 V，而反向峰值為2.688 V，限幅器限幅31.413 dB。 除出現(xiàn)輕微的尖峰泄露［16］情況外，正壓和負(fù)壓的限幅效果會隨著功率的增大逐漸顯現(xiàn)差異，這歸因于PIN二極管負(fù)極接地的排布方式造成反向電壓惡化， 但限幅后的信號仍能保證接收電路不被HPM信號干擾和損毀。

回波與干擾同時注入到增加限幅器的接收電路時，將干擾信號峰值設(shè)置為具有最大干擾效果的32 V。 仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖17所示，干擾后的差頻頻譜如圖18所示。

可以看出，當(dāng)HPM與回波同時注入產(chǎn)生干擾效應(yīng)時，僅通過增加限幅模塊，干擾信號仍舊完全將目標(biāo)回波覆蓋，導(dǎo)致引信無法正確發(fā)出起爆信號，使引信瞎火。

5 結(jié)? 論

本文通過對引信天線的前門輻照實(shí)驗(yàn)和干擾閾值判據(jù)，得出了HPMW的干擾范圍，然后通過場-路聯(lián)合仿真，研究了HPMW對調(diào)頻引信的干擾效應(yīng)，最后提出了一種引信射頻前端電路防護(hù)措施，得出以下結(jié)論：

（1） 以發(fā)射功率為10 GW，發(fā)射增益為30 dB的HPMW為例：隨著HPM的照射角度偏離主波束，耦合電壓逐漸降低，但在40°左右的副瓣處，耦合電壓略微增強(qiáng)，基本符合天線增益變化趨勢。 當(dāng)武器以0°，45°和90°照射引信時，干擾區(qū)域的距離范圍分別為：2.47～44.07 km，0.91～16.26 km，0.13 ～2.24 km，距離小于該范圍會使引信損壞，大于則無影響。

（2） 矩形脈沖攻擊會干擾引信差頻信號的識別，當(dāng)脈寬不變時，干擾會隨著波形峰值的增加而達(dá)到飽和；總體上脈寬越大，干擾作用緩慢增強(qiáng)；當(dāng)使用LNA能接受的最大干擾電平進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)時，引信的信噪比會劇烈惡化，嚴(yán)重影響目標(biāo)識別的準(zhǔn)確率。

（3） 采用限幅的方法能在一定程度上減小由于高功率微波帶來的損傷，但僅采用限幅電路的防護(hù)措施不能保證引信在回波與干擾同時注入時候不受影響，因此需要多種保護(hù)手段靈活搭配使用，才能提高戰(zhàn)場生存能力。

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Research on the Interference and Protection of

High Power Microwave to RF Front-End of Fuze

Li Wei，Li Mingdian，Liu Bin，Liu Jingping*

（School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094， China）

Abstract： Irradiation experiments and field-circuit co-simulation experiments are carried out on the fuze antenna for the high-power microwave interference effect of FM fuze， and corresponding protective measures are proposed. The interference and damage distance of HPM weapons are analyzed by irradiation model. The interference effects of HPM rectangular pulses with different angles， peaks and pulse widths on the RF front-end are studied by a field-circuit co-simulation model. The test results show that the larger the deviation of the HPM from the main beam， the worse the attack effect， but it is strengthened at the side lobes.With the increase of the injection power， the interference ability of the HPM will gradually reach saturation. Interference intensity generally increases with the width， the maximum interference signal generated by the rectangular pulse almost covers the difference frequency signal completely， which seriously affects the accuracy of target recognition. Adding a limiting circuit can reduce the HPM irradiation to a certain extent， but cannot protect against interference generated when HPM and echo signals arrive at the same time.

Key words： high-power microwaves；FM fuze；irradiation simulation；field-circuit co-simulation；interference effect；limiter

收稿日期：2022-04-07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61871442）；部委基金項(xiàng)目（2020-JCJQ-JJ-397）；機(jī)電動態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目（6142601200504）

作者簡介：李?。?999-），女，河北保定人，碩士研究生。

通信作者：劉景萍（1967-），女，河北晉州人，教授。