雷达系统射频前端电磁脉冲防护

席有民，平丽浩，钱吉裕

（南京电子技术研究所，江苏南京 210039）

雷达系统射频前端电磁脉冲防护

席有民，平丽浩，钱吉裕

（南京电子技术研究所，江苏南京 210039）

射频前端是雷达系统最易受电磁脉冲影响的部位。在对国内外相关研究及防护用限幅器进行分析的基础上，着重对超导限幅器在雷达系统射频前端电磁脉冲防护中的应用进行了可行性分析。

射频前端；电磁脉冲；限幅器

20世纪80年代后期，随着相关技术的成熟，一种以非核爆形式获得高能电磁脉冲的微波武器问世，使得电磁脉冲武器成为现代常规战争中专门用于对付各种电子系统的“电磁杀手”。2003年伊拉克战争中，美军使用电磁脉冲弹袭击了伊拉克的电视台，造成伊拉克电视信号中止了数小时，标志着高功率微波武器正式登上历史舞台。面对“第五维战场”——电磁空间日益激烈的角逐，面对军事强国咄咄逼人的电磁攻击优势，能否保护好己方电子设备的安全运转并有效发挥其功能，已成为我们争夺制电磁权进而达到制信息权的关键。

电磁脉冲进入雷达系统的途径主要有：1）通过壳体上的孔隙；2）通过对壳体的穿透；3）通过暴露表面上的天线。其中，电磁波对壳体的穿透是通过趋肤效应实现的，一般对于2 GHz的微波信号，在铜和铝中的趋肤厚度分别为1．52μm和2．82μm，对于频率更高的微波信号，趋肤厚度更小。通过孔隙耦合进入舱体内部的电磁脉冲可以通过对屏蔽结构或开孔方式等方面的改进，使其影响得到有效控制［1－3］。而从天线耦合进入雷达系统的电磁脉冲对雷达系统来说是致命的。这是由于：为了使雷达有更远的作用距离或更容易发现目标，通常要求雷达能够处理微弱的信号。例如超外差式雷达接收机灵敏度为10－14～10－12W，而保证这个灵敏度所需的增益为120～160 dB。当雷达天线接收到很强的电磁脉冲时，接收机再将此信号放大，则雷达前端接收装置很容易受到不可逆损伤。雷达的灵敏度越高，作用距离越远，其受到电磁损伤的可能性就越大［4］。

1 当前研究状况

电磁脉冲的打击和防护就像有矛必有盾一样。伴随着电磁脉冲武器的发展，各国对电磁脉冲的防护都开展了相应的研究。目前，针对高功率微波武器及其防护开展研究的国外研究机构主要有：俄罗斯的莫斯科无线电工程与电子学研究所、应用物理研究所、莫斯科大学、哈尔科夫物理技术研究所等；美国的陆军实验室、海军研究实验室、空军武器实验室、能源部橡树岭国家实验室、Mission研究公司、通用原子公司、麻省理工学院、哥伦比亚大学、田纳西大学等。

经过大量试验后，美国在高功率微波武器和防护技术2方面都取得了丰富的研究成果，其中美国陆军实验室的《HPM加固技术手册大纲》对电子设备电磁脉冲防护的研究成果进行了总结。由该书可知，为降低或限制耦合到雷达系统的电磁脉冲能量，在射频前端可采取如下方法：1）限制天线的耦合；2）限制耦合能量传播到系统内部的数量。这2种方法可以通过采用各种形式的滤波器和限幅器来实现，其中限幅器是射频前端防护的关键器件。《HPM加固技术手册大纲》罗列的微波限幅器：半导体限幅器、气体等离子体限幅器、高速微波功率开关、铁氧体限幅器。下面对所罗列的几种限幅器的研究现状进行相应的介绍。

2 限幅器研究现状

2．1 PIN限幅器

PIN限幅器是雷达接收系统中广泛应用的半导体限幅器，包括PIN二极管和射频扼流电感。PIN二极管结构如图1所示，由轻掺杂本征层，即I层，重掺杂P型半导体构成的P层和重掺杂N型半导体构成的N层组成。工作时PIN二极管一端接地，在外加电场很小时，载流子无法穿越低掺杂本征层进行复合，二极管处于截止状态，微波信号可以完整地通过限幅器；当大功率干扰信号出现时，PIN二极管载流子才能在低掺杂本征层不断复合，使PIN二极管得以导通，其导通程度在一定范围内与外加电场成正比，从而完成限幅器的功能。

针对电磁脉冲瞬时功率大的特点，国内已开发出限幅水平40 m W、最大承受功率5 W的多个频段Ga As限幅单片电路［5］。由于PIN限幅器在微波领域单片电路中的优越性能，国内外对电磁脉冲前沿和后沿作用下大功率PIN限幅器的响应特性进行了研究［6－8］。由于PIN限幅器具有一定的响应时间，在达到稳定限幅功能之前，有一个较大的微波脉冲功率可漏过限幅器，即尖峰泄露。在脉冲后沿，在限幅器射频扼流电感和PIN二极管综合作用下会产生一个反向脉冲。反向脉冲幅值大小可能与限幅器尖峰泄露值相当甚至更大。PIN限幅器在阶跃脉冲作用下的瞬态响应如图2所示。尖峰泄露和反向脉冲都可能造成限幅器自身和后级功率敏感器件受损。

图1 PIN结构示意图

图2 阶跃脉冲作用下PIN限幅器瞬态响应

2．2 气体等离子体限幅器

波导等离子体限幅器是由密封腔体充有易电离的气体组成的。当高功率微波入射时使气体电离，产生频率高于入射微波的等离子体，该等离子体反射微波能量，起到保护敏感电子设备的作用。通过选择不同的气体及充气压强可以改变等离子体限幅器的响应速度和功率容限［9］。

等离子体限幅器在防护高功率微波时可能存在以下2个问题：1）为了将限幅器中气体击穿产生等离子体，入射微波电场强度需要达到或超过气体击穿阈值。若来袭高功率微波电场低于其阈值，则气体不能电离，将导致微波功率泄露；2）入射高功率微波将限幅器中的气体击穿，形成等离子体需要一段时间，限幅器响应时间过长可能造成微波功率泄露［10］。

3 超导限幅器

电磁脉冲武器的发展使得传统的限幅器在响应时间、功率容限、插入损耗、恢复时间等方面无法满足雷达系统射频前端电磁脉冲防护要求。国外已意识到这一点，并积极探索各种新材料、新技术和新工艺用于射频前端电磁脉冲防护技术。其中2004年美国NIST开展的超导限幅器的研究在雷达系统射频前端电磁脉冲防护的应用极具潜力［11］。

超导限幅器利用超导材料超导态—正常态转变的物理特性来达到限流目的。当传输微波电流高于某一特定值时，超导限幅器中的超导薄膜材料将失去超导电性。由于高温超导材料多为陶瓷材料，失超后的超导材料将进入高损耗状态，从而将微波电流集中而达到降低限幅功率的目的。图3为某种超导材料在不同频率电磁场作用下电阻的变化曲线。由图3可见，超导材料由超导态进入正常态时，其电阻值增大2—3个数量级。因此，超导限幅器具有功率容限大的特点。

超导限幅器的响应时间受限幅器超导薄膜的材料、物理尺寸、电磁脉冲特性等因素的影响。以2004年美国NIST研制的超导限幅器为例，在10 W连续波和3 GHz，100 W脉冲信号作用下响应时间为纳秒（ns）量级，恢复时间约为10 ns。可见，超导限幅器具有响应时间短的特点。

超导材料失超临界点参量包括临界温度、临界磁感应强度和临界电流，只要有一个参量超过临界值，超导材料就会失超。而为了节约成本及延长超导用低温制冷机寿命，超导器件的工作温度一般略低于临界温度。正是由于在临界点附近工作，以及超导转变过程本身速度极快，因而超导限幅器响应速度快。

超导薄膜材料极低的表面电阻使得超导限幅器正常工作时插入损耗小，此外超导限幅器还可以与超导滤波器集成，即在同一微波器件中实现限幅和滤波功能［12］。因而超导限幅器在射频前端电磁脉冲防护中有着极其突出的特点，尤其是其极高的响应速度对电磁脉冲防护有着重要意义。

图3 超导材料在电磁场作用下电阻变化曲线

4 结 语

随着电磁脉冲技术的发展，雷达系统射频前端防护成为现代雷达有效工作首先要解决的关键技术之一。现有的各种限幅器在响应时间、功率容限、恢复时间、插入损耗等方面已无法满足现代雷达对电磁脉冲防护的要求。超导限幅器是超导材料在微波领域应用的一个新器件，其突出的综合性能有望在雷达系统射频前端电磁脉冲防护中得到应用。

［1］ LI Xu，YU Ji－hui，LI Yong－ming，et al．Simulation of the EMP coupling to circuits inside a shielding box by a wire penetrated with an aperture［A］．IEEE 2007 International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation，and EMC Technologies for Wireless Communications［C］．Hangzhou：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2007．1 345－1 348．

［2］ 王 煜，高峰涛，兰关军，等．电子设备对于电磁脉冲的屏效研究［J］．电子科技，2008，21（8）：7－8．

［3］ 石 蓝．地面雷达对强电磁脉冲的防护研究［D］．无锡：江南大学，2008．

［4］ 张胜涛，赵英俊，耶亚林．电磁脉冲弹对雷达“前门”损伤研究［J］．航天电子对抗，2007，23（3）：18－20．

［5］ 王静辉，魏洪涛，张力江．Ga As垂直结构PIN二极管限幅器［J］．半导体技术，2008，33（9）：766－768．

［6］ TAN R J，WARD A L，KAUL R．Spike leakage of thin Si PIN limiters［J］．IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques，1994，42（10）：1 879－1 885．

［7］ 汪海洋，李家胤，李 浩，等．PIN限幅器的PSpice模拟与实验研究［J］．强激光与粒子束，2006，18（1）：88－92．

［8］ 王 波，黄卡玛．大功率PIN二极管限幅器对电磁脉冲后沿响应的分析［J］，强激光与粒子束，2008，20（7）：1 177－1 181．

［9］ 杨 耿，谭吉春，盛定仪，等．波导等离子体限幅器中气体的选择与触发条件计算［J］．强激光与粒子束，2008，20（3）：439－442．

［10］ 杨 耿，谭吉春，盛定仪，等．级联式高功率微波限幅防护装置［J］．强激光与粒子束，2008，20（6）：977－980．

［11］ BOOTH J C，LEONG K，SCHIMA S A．A superconducting microwave power limiter for high－performance receiver protection［J］．2004 IEEE MTT－S International Microware Symposium，2004，1：139－142．

［12］ 补世荣，羊 恺，陶伯万，等．高温超导微波限幅滤波器［J］．科学通报，2008，53（9）：1 022－1 025．

TN95

A

1008－1542（2011）12－0043－03

2011－06－20；责任编辑：王海云

席有民（1978－），男，山西临汾人，博士后，主要从事超导低温制冷机、电子设备热设计等方面的研究。