UWB-HPM脈沖輻照下拋物面天線耦合特性研究

胡 欣，楊江平，孟藏珍，孫合敏

(1.空軍預(yù)警學(xué)院， 武漢 430019； 2.中國人民解放軍93498部隊， 石家莊 050000)

1 引言

高功率微波武器(HPMW)是指能輻射高功率微波進(jìn)行作戰(zhàn)的一類武器。高功率微波(HPM)定義為功率在100 MW以上、工作于0.1～300 GHz的電磁波[1]。與采用爆炸戰(zhàn)斗部的常規(guī)攻擊武器相比，具有作用方式多樣、攻擊距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣、攻擊速度高、彈藥無限、費(fèi)效比高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離對敵方軍事目標(biāo)和武器的電子設(shè)備進(jìn)行干擾，在近距離實(shí)現(xiàn)殺傷或摧毀，已成為各軍事強(qiáng)國未來新概念武器發(fā)展的新寵。2014年8月5日，美國國防部副部長羅伯特.沃克提出第三次“抵消戰(zhàn)略”，以創(chuàng)新驅(qū)動為核心，重點(diǎn)發(fā)展改變未來戰(zhàn)局的顛覆性技術(shù)，高功率微波武器就位列其中[2]。

雷達(dá)裝備是國家預(yù)警體系的重要組成部分，是防空、防天系統(tǒng)中的主要信息源。由于雷達(dá)獨(dú)特的工作機(jī)制，需要通過接收目標(biāo)的散射回波信號來發(fā)現(xiàn)、探測目標(biāo)，因此天饋和接收系統(tǒng)必不可少,而這恰恰為高功率微波武器攻擊提供了便利途徑。甚至可以說，高功率微波武器是雷達(dá)不得不面對的“天敵”。在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中，為爭奪制信息權(quán)，雷達(dá)必定是高功率微波武器的重點(diǎn)打擊對象，因此研究雷達(dá)面對高功率微波武器攻擊如何進(jìn)行防護(hù)迫在眉睫。

目前，針對雷達(dá)防護(hù)高功率微波研究，主要涉及效應(yīng)機(jī)理[3-6]、損傷分析[7-9]、防護(hù)設(shè)計[10-12]等方面。根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，目前研究雷達(dá)毀傷效應(yīng)機(jī)理和損傷分析主要采用耦合仿真和實(shí)驗(yàn)注入[13-15]，大部分僅對窄帶瞄準(zhǔn)信號進(jìn)行了仿真，未深入涉及超寬帶高功率微波信號的輻照響應(yīng)特性，之后直接用輻照信號波形做注入對照實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際工作情況會有很大差別，在輻照影響分析和防護(hù)設(shè)計中會引起很大誤差，造成防護(hù)不當(dāng)或防護(hù)過度?；诖耍疚膶Τ瑢拵?UWB)高功率微波信號輻照拋物面雷達(dá)天線效應(yīng)規(guī)律進(jìn)行探索。首先結(jié)合理論分析和軟件仿真，分析雷達(dá)天饋系統(tǒng)在耦合超寬帶高功率微波脈沖時的影響因素，再通過仿真和輻照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果。輻照實(shí)驗(yàn)采用超寬帶脈沖設(shè)備輻照拋物面天線，在天線輸出饋線端測量接收信號波形，對比分析仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)正確性與否。所得結(jié)論能夠進(jìn)一步完善高功率微波對雷達(dá)的作用機(jī)理研究，也可為雷達(dá)進(jìn)行前門耦合防護(hù)加固提供理論依據(jù)。

2 高功率微波武器常用超寬帶信號

高功率微波武器根據(jù)進(jìn)化過程可以分為3類：第1類是低當(dāng)量核彈高空爆炸電磁脈沖(HEMP)武器，頻譜能量主要集中于甚高頻以下頻段[16]，帶寬較窄；第2類是以磁通壓縮發(fā)生器(FCG)和磁流體發(fā)生器(MHD)為代表的電磁脈沖炸彈，屬于一次性的寬帶脈沖產(chǎn)品；第3類是以相對論管、虛陰極振蕩器和固態(tài)放大器為主的新型發(fā)射源設(shè)備，可發(fā)射窄帶、寬帶、超寬帶信號的可重復(fù)使用的電磁脈沖武器，可以安裝在拖車、艦艇、無人機(jī)、巡航導(dǎo)彈、機(jī)載吊艙等平臺。

信號按帶寬一般分為窄帶、寬帶和超寬帶[17]，如表1所示。

表1 高功率微波按帶寬分類(1 980 s)

其中帶寬百分比pbw定義為：

(1)

式(1)中，fh和fl分別指功率譜比功率譜峰值點(diǎn)功率低3 dB的臨近頻率點(diǎn)。

常用電磁脈沖武器的超寬帶信號波形可用高斯脈沖、高斯一階導(dǎo)函數(shù)脈沖進(jìn)行描述，分別表示為：

(2)

(3)

式(2)～(3)中：E(t)為脈沖信號實(shí)時場強(qiáng)；E0為脈沖峰值場強(qiáng)；t0為脈沖中心位置；τ為脈寬常數(shù)。由于在防護(hù)中PIN保護(hù)器件只能防護(hù)正向脈沖，因此正負(fù)特性的高斯一階導(dǎo)函數(shù)脈沖在高功率微波武器中應(yīng)用最為廣泛，故本文主要對其進(jìn)行討論。

對式(3)進(jìn)行傅里葉變換，可得到高斯一階導(dǎo)函數(shù)脈沖頻域表達(dá)式為：

(4)

式(4)中，f為信號頻率分量。參數(shù)t0在時域上表示脈沖波形在時域上搬移至t0時刻，對信號形狀沒有影響，如圖1(a)所示。對于雷達(dá)接收信號來說，代表脈沖中心位置何時到達(dá)。t0在頻域上只影響頻譜初始相位，從頻譜實(shí)部波形可以看出，由于信號波形在時域內(nèi)整體搬移，0時刻各頻點(diǎn)初始相位與t0和f的乘積正相關(guān)，如圖1(b)所示；t0對信號功率譜無影響，對信號頻譜取模，幅度譜波形與t0=0波形相同。

圖1 t0對信號的影響曲線

不同τ值對頻譜的影響如圖2所示。系數(shù)τ決定脈沖寬度，在時域上，τ越大，脈寬越長，如圖2(a)所示；在時域上峰值電壓相同時，τ越小信號在頻域上振幅譜越平均，帶寬越大，最大頻譜峰值也越小,如圖2(b)所示,頻譜最大峰值點(diǎn)位置fmax=1/(πτ)。

輻照仿真中，CST軟件輻照仿真開始時間從t=0開始，為適應(yīng)軟件，設(shè)置t0為5 ns，根據(jù)需要計算τ值，使頻譜峰值處于所需頻帶內(nèi)。

圖2 τ值對頻譜的影響曲線

3 拋物面天線天饋系統(tǒng)建模

拋物面天線主要包括反射面、喇叭口、波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器、饋線等。輻照信號進(jìn)入拋物面天線雷達(dá)接收機(jī)流程如圖3所示，射頻前端由PIN限幅器等保護(hù)裝置組成，用以保護(hù)接收機(jī)免受高功率反射波燒毀。

圖3 輻照信號進(jìn)入拋物面雷達(dá)接收機(jī)流程框圖

本文實(shí)驗(yàn)所用某型雷達(dá)裝備天線工作中心頻率1 GHz，水平極化，工作帶寬300 MHz，帶內(nèi)增益約為30 dB，饋源采用角錐喇叭,在距波導(dǎo)尾端1/4波長處，置波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器，天線反射面采用邊長15 mm方孔鋼絲編織結(jié)構(gòu)，以減小重量和風(fēng)阻。天線參數(shù)如表2所示。對照實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)天線，在仿真軟件CST中建立拋物面天線反射體和喇叭口模型，如圖4所示。為簡化計算，仿真時采用純理想導(dǎo)體建模形成拋物面反射體。

表2 天線模型參數(shù)

表2中，R為反射面焦距，Wr為反射面寬度，Hr為反射面高度，a為波導(dǎo)長邊寬度，b為波導(dǎo)短邊寬度，ah為喇叭口高度，bh為喇叭口寬度，LH為H面長度，LE為E面長度。建立仿真模型后，在同軸線尾端處添加波導(dǎo)端口(waveguide port)，以對耦合輸出信號進(jìn)行計量。

4 超寬帶脈沖信號輻照拋物面天線耦合效應(yīng)分析

考慮高功率微波武器攻擊距離較遠(yuǎn)，相對于高功率微波武器來說屬于遠(yuǎn)場，在分析和仿真中，到達(dá)天線的電磁信號可視為平面波。為簡化計算，只考慮最大毀傷效果，采用輻射源面向雷達(dá)，極化與雷達(dá)相同，從遠(yuǎn)場輻照雷達(dá)天線主瓣。

圖4 雷達(dá)天線反射面和喇叭口模型示意圖

4.1 窄帶信號輻照耦合效應(yīng)分析

當(dāng)輻照信號為窄帶信號，帶寬小于天線工作帶寬且處于天線工作頻帶內(nèi)時，實(shí)時功率Pr(t)可表示為：

(5)

式(5)中：S為天線口面處坡印廷矢量；E(t)為輻照到天線處的電場強(qiáng)度；Z0為自由空間波阻抗，為377 Ω；Ae為天線的有效接收面積；Le為接收過程中的損耗，包括天線反射面的泄露和吸收、波導(dǎo)同軸耦合器的耦合損耗、傳輸損耗等。由于窄帶信號帶寬較窄，且處于工作頻帶內(nèi)，帶內(nèi)Ae和Le變化相對較小，輻照信號被線性放大，則耦合輸出信號波形和頻譜分布與輻照信號相似。采用天線工作頻帶內(nèi)信號，帶寬100 MHz信號進(jìn)行輻照仿真，結(jié)果如圖5所示。注意：圖5中輻照信號頻譜是對場強(qiáng)的傅里葉變換，與同軸線輸出端頻譜對電壓進(jìn)行傅里葉變換不同，只能表示頻譜分布，不代表實(shí)際功率大小。實(shí)際輻照信號和接收信號頻譜幅值應(yīng)結(jié)合特征阻抗和天線有效接收面積進(jìn)行計算，下同。

圖5 工作頻帶內(nèi)窄帶輻照和輸出信號波形和頻譜曲線

由圖5可以看出，對于窄帶信號，容易通過輻射信號計算耦合輸出信號峰值功率。

4.2 超寬帶信號輻照耦合效應(yīng)理論分析

當(dāng)輻照信號帶寬大于天線工作帶寬時，因?yàn)椴ㄩL的變動，導(dǎo)致天線Ae和Le非線性變化且變化較大，接收時，在時域上對信號產(chǎn)生非線性調(diào)制，導(dǎo)致輸出信號的波形和頻譜分布變化很大，信號實(shí)時場強(qiáng)已經(jīng)不能采用式(5)進(jìn)行計算。

可以從頻域考慮各頻點(diǎn)的增益，對于超寬帶信號，天線接收過程中不同頻譜分量衰減程度各不相同。頻域計算方法為：

Pr(f)=F(f)Ae(f)Le(f)

(6)

式(6)中：Ae(f)為頻率f時天線有效接收面積；Le(f)為頻率f時接收過程中的損耗。

由于天線采用編織結(jié)構(gòu)，由文獻(xiàn)[18]可知，相較于理想導(dǎo)體反射面天線，當(dāng)極化匹配時，對工作頻帶內(nèi)信號漏功率較小，對增益和旁瓣電平基本無影響；高于工作頻帶信號，會透過反射面網(wǎng)孔向后散射，導(dǎo)致高頻段信號增益降低，尾瓣增大。對編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，編織平面相較于純導(dǎo)體平面反射系數(shù)變化如圖6所示。

圖6 編織天線反射效率曲線

因此，對于寬帶信號輻照本天線而言，Le(f)會隨著頻率增加而相應(yīng)的下降。同理，對于純理想導(dǎo)體反射平面輻照效應(yīng)仿真結(jié)果，應(yīng)同樣對更高頻段輸出信號添加適量衰減，以擬合實(shí)際效果。

輻照信號從喇叭口進(jìn)入波導(dǎo)，在波導(dǎo)中傳播，由于波導(dǎo)具有高通傳輸特性，存在截止波長，導(dǎo)致低于某頻率的波在波導(dǎo)內(nèi)呈指數(shù)率衰減，波導(dǎo)的截止頻率計算方法為[19]：

(m,n=0,1,2,…)

(7)

式(7)中：m,n用來表示波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男盘柲＃?(fc)mn為指定模工作狀態(tài)下的截止頻率；ε0為真空介電常數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；a為波導(dǎo)長邊寬度；b為波導(dǎo)窄邊寬度。由于波導(dǎo)傳輸特性，最低模式是TE10波，則此波導(dǎo)的截止頻率(fc)mn=0.681 82 GHz。既在低于0.681 82 GHz處快速截止，增益呈指數(shù)率降低。

采用CST仿真軟件對波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分析，其頻域傳輸特性如圖7所示。由圖7可以看出：在0.7～1.7 GHz頻帶內(nèi)，傳輸系數(shù)變化比較平緩，為天線的通頻帶，雷達(dá)工作在此頻帶內(nèi)；在低于0.72 GHz處耦合效率急劇降低，與上文分析基本相符；在高于1.7 GHz處急劇降低并反復(fù)起伏，在更高頻段呈逐漸降低趨勢且起伏明顯。在此體現(xiàn)到Le(f)隨頻率的變化。

圖7 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器傳輸特性

綜上，對于超寬帶輻照信號，反射面天線類似于低頻側(cè)過渡帶較窄，并快速截止；高頻側(cè)過渡帶較寬，阻帶紋波較明顯的帶通濾波器。

仿照天線特性，利用Matlab軟件采用Butterworth濾波器構(gòu)造一個帶通濾波器，對輻照信號進(jìn)行濾波，輸出信號時域和頻域波形如圖8所示。此處只是對輻照信號波形通過濾波器直接進(jìn)行濾波，未添加信號整體增益。

圖8 對輻照信號進(jìn)行帶通濾波后時域和頻域波形曲線

由圖8可以看出，由于天線的帶通濾波特性，會使耦合輸出信號相較于輻照信號在頻域上帶寬變窄，輸出信號主要能量頻帶集中于天線工作頻帶，并伴隨有高頻段起伏明顯的副瓣；由于部分頻譜分量缺失，時域上出現(xiàn)非線性失真，顯現(xiàn)為信號峰值變?nèi)?，周期延拓，出現(xiàn)振蕩衰減尾瓣。

當(dāng)輻照信號峰值場強(qiáng)一致時，改變脈寬常數(shù)，當(dāng)輻照信號頻譜峰值點(diǎn)位于天線工作頻帶內(nèi)時，才能使盡量多的輻照信號耦合進(jìn)雷達(dá)，使輻照信號非線性形變最小，輸出信號峰值功率最大。

為保證雷達(dá)正常工作，設(shè)計時通常要求天線帶寬大于雷達(dá)工作帶寬，造成在耦合接收超寬帶信號時，輸出信號主要能量覆蓋整個雷達(dá)工作頻段。當(dāng)功率達(dá)不到燒毀接收機(jī)時，耦合輸出信號會進(jìn)入接收機(jī)形成類似目標(biāo)的假目標(biāo)回波，影響接收機(jī)正常工作。

4.3 輻照仿真分析

采用頻譜峰值點(diǎn)位于天線工作頻帶內(nèi)超寬帶信號輻照仿真，結(jié)果如圖9所示。

圖9 輻照信號和同軸線輸出端仿真波形曲線

從圖9可以看出，在頻域上天線通帶內(nèi)增益變化平緩，通帶左側(cè)的過渡段比較陡峭，增益急速降低。通帶右側(cè)過渡段增益下降比較緩慢，且有較大的旁瓣，起伏較明顯，這與波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的特性相似。在同軸線輸出端，信號變形較大，且由一個脈沖變成多個脈沖,總體呈振蕩衰減形式，仿真結(jié)果與上文理論分析及濾波分析結(jié)果相似。

改變輻照信號脈寬常數(shù)，輻照結(jié)果如圖10所示，由圖10可以看出，輻照信號頻譜峰值點(diǎn)位于天線工作頻帶內(nèi)時，輸出信號電壓峰值最大，而不是越平均越好。

圖10 不同脈寬下耦合信號的波形和頻譜曲線

經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)輻照信號電壓峰值一定時，頻譜峰值點(diǎn)位于天線低頻截止點(diǎn)附近，可使輸出信號峰值點(diǎn)電壓最大。

4.4 實(shí)驗(yàn)對照

采用超寬帶高功率源對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)雷達(dá)天線主瓣進(jìn)行輻照，與理論計算和仿真設(shè)定一致。信號形式采用高斯一階導(dǎo)函數(shù)脈沖，距離滿足輻射天線遠(yuǎn)場要求，到達(dá)天線口面處電場峰值強(qiáng)度約為1 V/m。天線耦合接收輻照信號后由同軸電纜輸出信號，如圖11所示。對照圖9可以看出，輸出信號時域波形與仿真結(jié)果基本一致，整體呈振蕩衰減形式。頻域上高頻側(cè)過渡帶較寬，過渡帶和阻帶紋波較明顯，低頻側(cè)快速截止，與仿真分析一致。輸出信號為寬帶信號，頻譜主要能量覆蓋天線整個工作頻段。

圖11 輻照信號和同軸線輸出端信號實(shí)驗(yàn)波形

由于輻照信號較弱，未達(dá)到燒毀功率，輻照信號進(jìn)入接收機(jī)，在接收機(jī)內(nèi)形成密集假目標(biāo)干擾，且接收機(jī)底噪被抬高，遮擋正常信號，表現(xiàn)為對雷達(dá)的干擾效果。而且，由于輻照信號是超寬帶信號，耦合輸出信號接近覆蓋天線全頻段，即使雷達(dá)采用變頻等方法仍無法消去干擾，效果與分析和仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

通過對超寬帶高功率微波輻照下拋物面天線輸出特性進(jìn)行分析和仿真，并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：拋物面天線在接收超寬帶信號過程中，相較于工作頻帶內(nèi)的窄帶信號，耦合輸出信號會出現(xiàn)非線性失真，在頻域上表現(xiàn)為低于工作頻帶端增益迅速下降并截止，高于工作頻帶端增益緩慢下降并反復(fù)起伏，接收信號頻譜主要能量覆蓋雷達(dá)工作頻段；在時域上，輸出信號峰值電壓顯著變小，信號變成多個脈沖并呈振蕩衰減形式。在計算和仿真中，可以通過設(shè)計相應(yīng)的濾波器來簡化計算，減少計算量。在未來雷達(dá)的防護(hù)設(shè)計中，可以通過減小雷達(dá)天饋系統(tǒng)的帶寬，如在喇叭口處增加隨發(fā)射信號頻帶變化的頻選表面材料，盡量減少進(jìn)入接收機(jī)的脈沖總功率和峰值功率，更好地保護(hù)接收機(jī)。