高功率微波武器與天線(一)

王仁德，何炳發

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0 引言

高功率微波武器目前已漸次走出實驗研究階段進入裝備各種作戰平臺并已有用于現代戰爭，對這一新概念武器作一簡單介紹，對它的發展過程作一回顧，對目前世界各國研究的現狀作一瀏覽，對高功率微波武器中涉及的重要問題作一綜述是很有必要的。

1 高功率微波系統組成、基本概念［1］

微波(microwave)是指波長介于紅外線和特高頻(UHF)之間的射頻電磁波。微波的波長范圍大約在1 m～1 mm之間，所對應的頻率范圍是0.3～300 GHz。微波在雷達、衛星通信、手機通信系統、等離子發生器、微波加熱和傳感器系統上均有廣泛的應用。

在二戰中，微波技術得到飛躍發展，研究的焦點在雷達方面，由此帶動了微波元件和器件、高功率微波管、微波電路和微波測量等技術的研究和發展。至今，微波技術已成為一門無論在理論和技術上都相當成熟的學科，又是不斷向縱深發展的學科。

美國空軍科學咨詢委員會將10 MW～100 GW、100 MHz～100 GHz的電磁波定義為高功率微波(HPM)。輻射波束可控的高功率微波系統通常由高功率微波源、波束形成網絡、饋電陣列和輻射器組成。

用作高功率微波源的有:返波管BWO、磁絕緣線振蕩器MILO、等離子體填充返波管BWO、鎖相回旋管、相對論返波管、相對論磁控管、相對論速調管和回旋管。

高功率微波的傳輸系統常用波束波導、橢圓軟波導。輻射系統用到的有FLASOV天線、偏饋單反射面天線、偏饋雙反射面天線和相控陣天線。

巡航導彈和無人機可作為高能微波武器的發射平臺。高功率微波會干擾航空電子系統和飛行控制系統，它不可能安裝在有人載機上，只能裝載在無人機上。

在同樣發射功率和天線增益情況下，瞬態場要比穩態場傳播的距離遠。高能微波武器瞬間的穿透能量足以損害電子零部件和擾亂計算機內存。大多數海(地)對空導彈的制導系統都非常敏感，需要依賴當地的雷達進行發射控制，同時大多數的防空系統對高功率微波脈沖也非常敏感，易于被干擾和攻擊。高功率微波武器主要的攻擊目標是雷達、通信、導航、計算機軍用電子設備、武器控制及制導系統，能夠擊穿電子元件，燒毀敵方電子設備，永久地損壞電子系統。

現在的高能微波武器就像炸彈一樣，屬于消耗性的一次性武器?？梢园l射高能微波武器的平臺有機載巡航導彈、戰斧巡航導彈和聯合攻擊彈藥等。

高能微波武器可能是打擊深埋于地下的指揮控制中心的最有效手段。地下工事可能逃過炸彈攻擊，但是它們不能有效抵御高能微波武器的攻擊，因為地下工事必須有水源和通風口，且必須具備通訊和電子設備，它們的屏蔽措施稍有差錯，就難逃高能微波武器的破壞。在2003年伊拉克戰爭中，美英聯軍第一次使用了微波脈沖炸彈空襲了伊拉克國家電視臺，并造成電視臺一段時間癱瘓。

高功率微波武器的可能應用場合為:

(1)反偵察

反成像雷達(SAR)衛星和預警機、強力干擾機、干擾GPS反巡航導彈。

(2)壓制敵防空

壓制跟蹤、瞄準雷達，通訊和導彈的導引、控制和攔截功能，微波彈和輕型微波炮和載在深入敵領空的飛行器(巡航導彈或無人機上)。

2 發展歷史［2］

從遠古人類利用雷擊起火到鉆木取火直到現代技術產生高功率微波，人類利用能量的形式愈來愈復雜，科技含量愈來愈高。從地球誕生以來自然界普遍存在的雷電就是頻譜極寬的高功率微波。從美國科學家富蘭克林用風箏研究閃電到20世紀五六十年代研究核爆炸引發的電磁脈沖，研究的對象均為不受控的高功率電磁脈沖。隨著科技的進步，對閃電的研究手段和設備也愈來愈復雜。對微波的應用也從雷達、通訊和微波爐等極其廣泛的領域發展出一枝獨秀的高功率微波。

1973年在前蘇聯應用物理研究所和列別捷夫研究所用相對論返波管產生10 ns 400 MW的脈沖輸出。這是世界上第一個真正的高功率微波源。

美國在1980年代正式開始高功率微波的研究，比前蘇聯晚了17年。2003年高功率電磁脈沖炸彈首次用于伊拉克戰爭。

3 世界各國研究現狀、主要研究機構

(1)俄羅斯

長期以來俄羅斯的多種高功率微波技術研究處于世界領先地位。俄羅斯主要研究機構及研究成果見表1。

表1 俄羅斯

俄羅斯在高功率微波方面的主要技術成就有:(1)在等離子體加熱用的回旋管方面達到了高峰值功率;(2)研制了驅動高峰值功率和高平均功率源的小型、重復脈沖功率源;(3)開發了用于回旋管的高效耦合器和GW級結構的輸出耦合器。他們對美國人放棄的磁絕緣振蕩器進行了有效的研究，并使其成為最有發展前途的高功率微波源。俄羅斯在20世紀50年代就開始研究電磁脈沖的效應和軍事應用。20世紀70年代以來高功率微波源已獲得迅速發展，小型便攜式高功率微波源可產生0.1～1 GW的峰值功率，脈沖重復頻率為100 Hz。利用現有技術研制出的陸基防空高功率微波發射系統樣機，由微波脈沖功率源、高功率微波源和配套的對空監視雷達與指揮控制系統構成，分載于三輛越野卡車上，總重量為13 t，可用于保護重要的軍事設施和指揮中心。1992年俄羅斯研制的NAGIRA雷達，發射功率300 MW、工作頻率10 GHz、脈寬5 ns、重復頻率150 Hz，能跟蹤150 km以外的高度低于50 m的直升飛機。俄羅斯在微波彈小型化技術方面有許多獨到之處。俄羅斯早在10年前就擁有微波彈，瑞典和澳大利亞軍方都買過俄羅斯早年制造的可裝入手提箱的電子炸彈，可發射10 GW脈沖。據美國報道，俄羅斯在前幾年已為SS-18洲際導彈裝備了電磁脈沖彈藥。2001年的利馬海事和宇航展覽會上，俄羅斯展示了兩種射頻武器，Ranets-E和Rosa-E。前者為射頻火炮，是一個射頻可變的防御系統，輸出超過500 MW，工作在厘米波段，產生10～20 ns的尖脈沖，能在60°扇形里使10 km范圍內的高精度制導武器失效;后者也工作在厘米波段，重600～1500 kg，可安裝在飛機上用于降低敵方雷達系統性能，射程達到500 km。

(2)美國

美國高功率微波技術主要研究機構及研究成果見表2。

表2 美國

續表

美國作為超級軍事大國，在高功率微波的研究方面投資最多，每年僅花費在脈沖源上的投資就達數億美元。1999年定向能局與國際電話電報公司簽訂了一項1400萬美元的合同，進行高功率微波源、超寬帶天線、先進概念和材料物理等方面的研究，現在美國空軍研究實驗室正在進行一項稱為“定向能戰術機載作戰”的研究。其中最有作戰效力的就是高功率微波無人飛行器。在美國空軍協會的2002年大會上，洛克希德·馬丁公司負責先進項目的副總裁尼爾稱，高功率武器與無人機或巡航導彈綜合作戰的技術已經可行。它把高功率微波武器裝在無人飛行器上，主要對付防空導彈、雷達和車輛，燒壞敵方武器關鍵裝置的電子部件。這種無人機可飛到敵占區內進行更為精確的打擊，減少了長距離所需的高功率微波發射能量和執行危險任務的人員傷亡?？哲姕蕚湓?012年將此類高功率微波武器放到無人作戰飛機上。美國各軍種對微波武器都有特殊的要求。陸軍提出戰術微波武器要能裝在大型履帶戰車上，而且要把定向性極高的天線裝在直立的桅桿上，以利于最佳瞄準?？哲娨笪⒉ㄎ淦黧w積小，并采用專用天線。海軍的艦載微波武器要求具有高功率、大天線和遠的作用距離?？梢钥闯?，海軍對微波武器在重量、空間和功率等方面提出的限制條件較小。因此，海軍的微波武器極有可能在未來20年內首先投入作戰使用。

美國已在許多動物和人身上作了數千次有關主動拒止技術(ADT，active denial technology)武器的試驗，補充了真實情況下的效應數據。

(3)英國

英國從20世紀80年代開始大力發展高功率微波技術。英國主要研究機構及研究成果見表3。

表3 英國

英國在高功率微波源的脈沖縮短問題和爆炸驅動方面的成就受到廣泛的關注。1990年英國國防部利用爆炸磁壓縮發生器與特種行波管制造過1 GW的微波彈。一座位于英國西南部的秘密設施曾研制過多種高功率微波武器。目前，美國有計劃使用英國在該設施研制的強力微波炸彈，現正處于預測階段。據報道，該炸彈釋放的電磁波威力相當于核爆炸，十億分之一秒內放射出數十億瓦威力的電波。有消息稱，英國官方研究實驗室和工業部門都參與了高功率微波武器的開發工作。這種武器將被安裝在諾·格公司的BQM-145A中程無人駕駛飛機上，使用的高速低空飛行的無人駕駛飛機可能是從地面起飛的，也可能是從F/A-18上起飛的。此外，對于部署高功率微波武器，英國國防部還安排了潛在的備選平臺——風暴影子巡航導彈。另外，英國還參加了美國波音公司研制的美國空軍X-45高功率微波無人機計劃。

(4)其他

歐洲高功率微波的研究在德國和法國也很突出。法國從1988年起就將“用微波武器燒毀電子設備”的研究列入重點課題，1990年就已發表了關于制造電磁脈沖彈的專利，由法國陸軍武器工業集團研究的微波炮彈預計在2005年或2010年投入使用。德國也一直非常重視無人機高功率微波武器的研究工作，但是至少還需要5年時間才能達到實用程度。隨著機載定向能系統的交付使用，小型化和大功率需求將顯得更為突出。2004年6月在倫敦舉行的定向能武器討論會上，先進技術的首要人物托馬斯·魏澤透露，德國萊茵金屬公司正在研究用于防空作戰的中等能量激光和高功率微波武器。目前，魏澤集團正在考慮把機槍、導彈、中等功率激光器和高功率微波與目標截獲及跟蹤傳感器組合在一起，形成一種裝在幾輛車上的機動式聯網防空系統。高功率微波武器將用于對付低成本巡航導彈和無人機，摧毀控制它們的電子設備。中等功率的激光武器將探測諸如攻擊直升機、無人機或裝甲車輛之類威脅源的光學設備，并用激光脈沖命中它們。

4 關鍵技術

4.1 高功率微波的產生(源)

各種產生高功率微波的器件，如圖1～圖5所示。

4.2 定向輻射(天線)［3］

天線是高功率微波源和自由空間的接口。與常規天線技術不同，高功率微波定向武器用的天線，具有兩個基本的特征:一是高功率;二是短脈沖。為滿足定向能武器的需要，天線應滿足以下要求:很強的方向性，很大的功率容量，帶寬較寬，并具有適當地旁瓣電平和波束快速掃描的能力。重量、尺寸能滿足機動性要求，常見為車載。受公路運輸長、寬、高限制，結構設計要用到許多綜合技術。常用到的卡塞格倫天線的增益、效率要高，副瓣要低，天線的核心技術在饋源上，體積要小，帶寬要大，能耐高功率，有多極化或可變極化的能力。饋源饋電系統示意圖如圖6～圖11所示。

天線的方向性是其集中輻射功率在特定方向的能力，可表為整個球面的立體角4π立體弧度與束面積ΩA之比為

而方向性常常定義為在距離R處的功率密度S與總功率為P的各向同性源功率密度之比為

增益G是天線效率的GD倍，即G=εGD=。

式中，Ae是天線面積;ε 是天線效率，典型值為0.5 ～0.8。

天線的輻射功率密度為

乘積PG是有效輻射功率(ERP)。對于不同有效輻射功率在不同射程時其功率密度也不同。為了避免高功率微波對己方造成傷害，特別要注意控制高功率微波天線遠副瓣的輻射能量。

由于HPW源可以分為窄帶源和寬帶源兩種，與之相對應，天線應用HPW也可分為窄帶天線和寬帶天線兩類。

(1)窄帶天線

在實踐中，只有少數幾種天線用在窄頻帶HPW研究中。由于普通微波中常使用的拋物面天線的集中饋電包含非常高的場強，使得拋物面天線在HPW中卻很少使用。在HPW中最常用的是喇叭型天線，其使用原理類似于波導。喇叭天線是將直接從源延伸的矩形或圓形波導做成像一個向外擴張的喇叭口。目前最通用的類型是矩形喇叭天線。

現在，已經開始在HPW系統中使用天線陣列，通過增加天線陣源數目使功率分離或采用局部吸收器來抑制旁瓣，達到比較好的方向性。陣列天線的應用及其可信度主要是來自于以下三個因素:更高的功率將需要更大的面積以免擊穿;極高功率(約100吉瓦)將從相位鎖定源陣列來實現，這意味著多個輸出波導需要多個天線;陣列的目標快速電跟蹤技術與高度的定向性是相容的。

(2)寬帶天線

當脈沖寬度為納秒量級時，天線設計變得更加復雜。天線的占空時間是波穿過天線直徑時間的若干倍。如果進入天線的波脈沖長度短于占空時間，就不能利用天線的全口徑而使增益減小、脈沖分散。有兩種方法可以應用于脈沖雷達天線。第一種方法是通過寬頻帶低色散天線發送脈沖信號;第二種方法是利用天線的色散，由較長的輸入信號產生脈沖信號。

大多數沖擊雷達至今仍采用橫電磁波(TEM)喇叭天線。這種天線只是張開成指數型喇叭天線的兩個金屬片。這種喇叭天線能夠輻射寬度大于1 ns的脈沖，其頻帶寬度為1 GHz。

總之當今的天線是普通天線形式的直接外延，只是為了防止空氣擊穿而作了一些改進。天線陣列剛剛進入發展階段，主要用于鎖相多路振蕩器或放大器系統。到目前為止，天線子單元的衰減已經達到了很小，但高增益、低色散和寬頻帶天線的研究還有很多的實際困難。

要特別注意的是來自太空的威脅，空間太陽能電站也可能被用作太空高能微波武器發射的基地。

《美國空軍2025年戰略規劃》的研究報告在未來武器構想中提出發展空基高功率微波武器，要求這種武器對地面、空中和空間目標具有不同的殺傷力。它用低軌道(500～916 km)的一組衛星站把超寬帶微波投射到地面、空中和空間目標上，在一個幾十到幾百米的范圍內產生高頻電磁脈沖，摧毀或干擾目標區內的電子設備。

5 高功率微波的基本效應、威力［1，4］

效應研究是高功率微波武器能夠真正投入使用的關鍵，系統戰技指標的確定、作戰效果的評估和主動防護等各方面都需要以效應研究為基礎。

高功率微波能產生熱效應、生物效應、電效應和電子效應。

(1)熱效應

普通燈泡在從開口6×15平方英寸矩形波導(功率密度≤4 kW/m2)中輻射出5 kW(～400 MHz)超高頻功率照射下會爆炸，距波導開口一定距離處熒光燈被點亮，以及鋼絲絨爆炸形成電弧。在非常短的發射時間內加熱目標，要求的功率電平為1000～10000 W/cm2。

(2)生物效應

當人體處于脈沖波輻射之下時，能感覺到一種可聞的聲音。在微波輻射下整個身體的溫度升高1℃是有害的，延長輻射時間而引起的大幅度升溫會導致死亡。當頻率低于400 MHz，高于3 GHz時，被人體吸收的入射能量小于50%。當頻率在1～3 GHz之間時，入射能量的吸收率達100%。脈沖能量可以激發生物效應，同樣平均值的連續波功率無生物效應。對普通人體，在20～300 MHz的范圍內整體吸收率最大。當頻率達2450 MHz時，“專用吸收率(SAR)”在人體的頸、腿和肘處相對而言較高。

人接收的微波功率密度為10～50 mW/cm2時，人將發生痙攣或失去知覺;在100 mW/cm2時，人的心肺功能將會衰竭;0.5 W/cm2時的微波功率密度將會燒傷人體皮膚;20 W/cm2時2 s即可造成三度燒傷;當功率密度達到80 W/cm2時，1 s內即可將人燒死。生物效應與照射功率密度對比，見表4。

表4 生物效應與照射功率密度

(3)電效應

場對金屬線的耦合、相干效應。設備的導線、動力電纜、電話線和失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞，駐波能量通過它們耦合到設備而造成破壞。

(4)電子效應

整流、互調、上鎖、熱破壞、擊穿和數字電路的干擾。因一個導彈電纜的屏蔽接頭未到位，高功率微波產生的電子效應曾導致美國航空母艦上飛機、導彈和炸彈的意外爆炸。發射功率遙控設備和傳感器，發射的微波能量被吸收接收，功率電平通常為0.01～0.1 W/cm2。以壓制功率干擾微波和通訊系統的接收天線信號要求的功率電平為1～10 W/cm2。破壞傳感器和電子設備的運轉要求的功率電平為10 ～100 W/cm2。

一個功率為1 GW，脈寬為1 μs和天線增益為40 dB的微波炮可使商用、工控或軍用計算機翻轉的作用距離分別為 8.1 km，3.6 km 和2.4 km。為降低對微波源的要求或者增加作用距離，要求脈寬大于100 ns。隨著微波技術與器件的發展，微波功率不斷提高，目前峰值功率已達數十吉瓦。