高功率微波武器的被動測向研究

高偉偉，李敬軍，張 弟

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

0 引 言

目前，世界主要國家對高功率微波(HPM)武器的研究都非常重視，見諸報道的HPM武器包括微波炸彈、導彈和各類車載、艦載、機載及天基HPM武器系統等[1-4]，可以預見，其在未來的網絡戰與電子戰中將有巨大的應用空間。

國內外針對HPM武器的研究方向目前主要集中在：HPM武器總體技術，涉及用于非致命拒止或定向能打擊的HPM武器系統及方法；HPM源，涉及磁絕緣振蕩器、虛陰極振蕩器、相對論磁控管、相對論回旋管、相對論回波管、相對論速調管等內容；脈沖功率源，涉及高功率脈沖開關和脈沖功率源總體技術；HPM傳輸與發射技術，主要是針對常規雷達系統天線的改進；HPM武器的效應及防護，主要針對通信、雷達等電子系統避免遭受“前門”或“后門”耦合效應導致的干擾甚至毀傷以及對相關電子器件產生的效應進行研究。然而，針對HPM武器的探測卻未見有相關研究。為避免敵方HPM武器的二次攻擊并實施有效反擊，確保己方的制勝權，現針對HPM武器首次攻擊脈沖測向的可行性進行探討分析。

1 HPM武器的特點及危害

HPM作為一種強電磁脈沖，其目的是在戰爭行動或非戰爭軍事行動中使敵方的電子設備毀傷或影響作戰人員使其喪失作戰能力，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[5-6]。

表1 美國研制的部分HPM源性能[7]

以美國研制的HPM源為例(見表1[7])，可見HPM的峰值功率可達GW級，脈沖寬度在ns級別，脈沖重復頻率則在kHz以下甚至是單次發射，且雖然所處頻率范圍較寬，但一般是窄帶信號。峰值功率越高、重復頻率越高，HPM武器對敵方造成的傷害越大，而脈寬越窄，窄帶信號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武器根據功率大小的不同，通過天線、射頻前端等進行“前門”耦合，設備縫隙、孔洞或金屬殼體感應燈進行“后門”耦合，可對通信、雷達、導航及計算機網絡等電子系統設備造成干擾、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武器對電子系統設備的危害。

表2 HPM武器對電子系統設備的危害[8]

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

2 對HPM武器的被動測向

對于實施單次攻擊的微波炸彈或巡航導彈來說，很顯然對其發射的HPM進行探測意義并不大，但對于可重復使用的HPM武器所發射脈沖進行探測則有一定的現實意義。

理想狀態下，敵方開始攻擊之前己方即可發現HPM武器所在位置；但若在HPM武器攻擊之前不能發現，己方第一時間對HPM武器發射的強脈沖進行測量以確定其大致方向，配合其它探測系統，最終確定其方位，避免己方遭受二次攻擊并采取相應戰術行動，則是一種次理想狀態。

因此，針對HPM武器發射脈沖特點，重點考慮遠場條件下單次HPM脈沖的測向方法，顯然須滿足全空域同時測向和單脈沖測向2個必要條件。要滿足全空域同時測向，搜索式方法不再適合，而要求能單脈沖測向，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

全向比幅單脈沖測向法可表述為[10]：運用多個相互獨立且波束主瓣毗鄰的天線陣元覆蓋空域內360°全方位，對同一個HPM脈沖信號來說，總有一對相鄰波束會輸出最強信號與次強信號，因此可通過對這一對信號的包絡幅度進行比較確定來波方向。

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強度方向為θ，N方向天線輸出信號最強，E方向輸出信號次強，通過對這2個方向信號的后續比較運算可得出θ。全向比幅單脈沖法的方位截獲率較高，對各種天線方向圖函數適應能力較強，但其測向精度較低。

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，固定其中一個陣元0與圓心的連線為參考方向，對天線陣元接收到的HPM脈沖信號加權合成后進行鑒相處理，從而可實現整個空域內的無模糊測向。

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入射方向為θ，系統對N個天線陣元接收的信號進行加權鑒相處理后得到θ方向。HPM的頻率只會影響線性相位多模圓陣天線輸出信號模的幅度而不會對相位造成影響，所以脈沖頻率的變化不會影響測向精度。

圖2 線性相位多模圓陣天線陣元圖

3 HPM單脈沖被動測向雷達要求

通過對HPM單脈沖測向分析，結合HPM的特點，考慮雷達系統要求。

3.1 單基地單脈沖被動雷達

首先，本文考慮的是接收HPM武器發射的脈沖并以其為信號源進行測向，所以優先選用被動雷達；其次，按前文分析，是要對HPM單脈沖進行測向，須選用單脈沖測量雷達；最后，HPM武器是一種定向能武器，其攻擊不可能覆蓋整個空域，它會選定戰場某一方向進行定向攻擊，而多基地雷達由于雷達分機間距較遠，可能導致同一時刻僅有某一方向的雷達分機會截獲信號(或遭到攻擊)，所以多基地雷達不適用于對HPM武器的測向，應選用單基地雷達。

綜上，針對HPM武器的被動測向應選用單基地單脈沖被動測量雷達。

3.2 單基地單脈沖被動測向雷達結構分析

典型的雷達接收機組成包括天線、濾波器、限幅器、低噪聲放大器、解調器、信號處理等幾個部分，如圖3所示，實際雷達接收機中可能并不包含所有部分。

圖3 典型雷達接收機組成框圖

雷達天線承載微波信號能量較強，對于遠場HPM一般不會出現天線過載現象；有研究表明，HPM濾波器的功率容限很大，一般難于擊穿[11]；限幅器在應對HPM時起到至關重要的作用，限幅器的性能好，后續電路可以得到有效的保護，反之，后續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，往往是雷達接收機射頻前端中最為脆弱的環節，所以一般在設計時與限幅器進行一體化設計，依賴限幅器對其進行保護；解調器(包括混頻、中頻等)是將微波變換為中頻甚至零中頻的環節，通過解調回波信號后進行后續的信號處理等環節。

從上述分析可以看出，限幅器在雷達對HPM脈沖進行測向時起到至關重要的作用。

3.3 限幅器的選擇

現今研究應用較多的有PIN限幅器[12-15]、MOS限幅器[16-17]、等離子體限幅器[18-19]以及自適應頻率選擇限幅器[20-21]。根據HPM特點，限幅器必須滿足大帶寬(最寬可達300 GHz)、高耐受功率、響應迅速等要求。固體限幅器雖然響應時間快，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時間較固體限幅器稍長，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合的方式構成頻率選擇限幅結構[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[21]的自適應頻率選擇限幅器具有響應時間快和滿足大帶寬的需求，但對高功率要求仍難滿足。綜上，若將等離子體與自適應頻率選擇進行綜合將會是較為理想的HPM限幅器，這里提出2種新型自適應頻率選擇限幅器拓撲結構，如圖4所示。

圖4 2種新型限幅器拓撲結構

圖4中限幅器的工作流程可以簡述為：接收到的HPM首先經多工器帶通濾波(或頻率選擇表面選頻)后，信號判別電路確定HPM所處頻帶范圍，控制對應頻帶范圍的等離子體限幅器導通，由等離子體限幅器對信號進行反射與吸收，達到衰減HPM的目的，衰減后的信號同樣經信號判別電路控制進入相應后續鏈路進行信號處理，最終得到HPM武器的方向。

圖4(a)與圖4(b)的區別在于，在限幅器的前端一種是多工器，而另一種是頻率選擇表面。頻率選擇表面本質是運用具有周期性陣列結構的人工電磁材料對電磁場能量分布重新分配[23]，可對HPM進行反射或透射處理，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電流進行帶通濾波處理，可以看做一種帶通濾波器，兩者雖然在本質上有所區別，但這里起到的作用都是為了確定HPM的頻段范圍并進行濾波處理。

信號判別電路主要由信號識別和微波開關兩部分組成，如圖5所示，其通過識別電路首先確定多工器(或頻率選擇表面)的哪一路有輸出，明確信號頻段，進而控制對應頻段微波開關開啟，保證后續相應鏈路工作。

圖5 信號判別電路組成框圖

特別要說明的是，這里提出的限幅器結構與已有限幅器一個較大的區別在于信號判別電路的添加。這是因為，雖然對未知HPM測量頻帶范圍要求非常寬，但實際情形中，HPM一般是窄帶脈沖信號[7]，其不可能貫穿整個雷達探測頻段，因此也就沒有必要使雷達電路一直處于全頻段工作狀態。信號判別電路有助于降低整個雷達接收鏈路工作量和延長限幅器壽命，并最終達到精準處理HPM輸入的目的。

4 結束語

文章根據HPM的特點，提出運用單基地單脈沖被動側向雷達對HPM武器進行測向的設想，給出了可行的測向技術，并在分析限幅器在HPM測量中重要性基礎上，設計了2種雷達限幅器拓撲結構。后續研究將重點對提出的新型限幅器拓撲結構和HPM武器被動測向進行實踐驗證。