高功率微波武器与天线(一)

王仁德，何炳发

(南京电子技术研究所，南京 210039)

0 引言

高功率微波武器目前已渐次走出实验研究阶段进入装备各种作战平台并已有用于现代战争，对这一新概念武器作一简单介绍，对它的发展过程作一回顾，对目前世界各国研究的现状作一浏览，对高功率微波武器中涉及的重要问题作一综述是很有必要的。

1 高功率微波系统组成、基本概念［1］

微波(microwave)是指波长介于红外线和特高频(UHF)之间的射頻电磁波。微波的波长范围大约在1 m～1 mm之间，所对应的频率范围是0.3～300 GHz。微波在雷达、卫星通信、手机通信系统、等离子发生器、微波加热和传感器系统上均有广泛的应用。

在二战中，微波技术得到飞跃发展，研究的焦点在雷达方面，由此带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研究和发展。至今，微波技术已成为一门无论在理论和技术上都相当成熟的学科，又是不断向纵深发展的学科。

美国空军科学咨询委员会将10 MW～100 GW、100 MHz～100 GHz的电磁波定义为高功率微波(HPM)。辐射波束可控的高功率微波系统通常由高功率微波源、波束形成网络、馈电阵列和辐射器组成。

用作高功率微波源的有:返波管BWO、磁绝缘线振荡器MILO、等离子体填充返波管BWO、锁相回旋管、相对论返波管、相对论磁控管、相对论速调管和回旋管。

高功率微波的传输系统常用波束波导、椭圆软波导。辐射系统用到的有FLASOV天线、偏馈单反射面天线、偏馈双反射面天线和相控阵天线。

巡航导弹和无人机可作为高能微波武器的发射平台。高功率微波会干扰航空电子系统和飞行控制系统，它不可能安装在有人载机上，只能装载在无人机上。

在同样发射功率和天线增益情况下，瞬态场要比稳态场传播的距离远。高能微波武器瞬间的穿透能量足以损害电子零部件和扰乱计算机内存。大多数海(地)对空导弹的制导系统都非常敏感，需要依赖当地的雷达进行发射控制，同时大多数的防空系统对高功率微波脉冲也非常敏感，易于被干扰和攻击。高功率微波武器主要的攻击目标是雷达、通信、导航、计算机军用电子设备、武器控制及制导系统，能够击穿电子元件，烧毁敌方电子设备，永久地损坏电子系统。

现在的高能微波武器就像炸弹一样，属于消耗性的一次性武器。可以发射高能微波武器的平台有机载巡航导弹、战斧巡航导弹和联合攻击弹药等。

高能微波武器可能是打击深埋于地下的指挥控制中心的最有效手段。地下工事可能逃过炸弹攻击，但是它们不能有效抵御高能微波武器的攻击，因为地下工事必须有水源和通风口，且必须具备通讯和电子设备，它们的屏蔽措施稍有差错，就难逃高能微波武器的破坏。在2003年伊拉克战争中，美英联军第一次使用了微波脉冲炸弹空袭了伊拉克国家电视台，并造成电视台一段时间瘫痪。

高功率微波武器的可能应用场合为:

(1)反侦察

反成像雷达(SAR)卫星和预警机、强力干扰机、干扰GPS反巡航导弹。

(2)压制敌防空

压制跟踪、瞄准雷达，通讯和导弹的导引、控制和拦截功能，微波弹和轻型微波炮和载在深入敌领空的飞行器(巡航导弹或无人机上)。

2 发展历史［2］

从远古人类利用雷击起火到钻木取火直到现代技术产生高功率微波，人类利用能量的形式愈来愈复杂，科技含量愈来愈高。从地球诞生以来自然界普遍存在的雷电就是频谱极宽的高功率微波。从美国科学家富兰克林用风筝研究闪电到20世纪五六十年代研究核爆炸引发的电磁脉冲，研究的对象均为不受控的高功率电磁脉冲。随着科技的进步，对闪电的研究手段和设备也愈来愈复杂。对微波的应用也从雷达、通讯和微波炉等极其广泛的领域发展出一枝独秀的高功率微波。

1973年在前苏联应用物理研究所和列别捷夫研究所用相对论返波管产生10 ns 400 MW的脉冲输出。这是世界上第一个真正的高功率微波源。

美国在1980年代正式开始高功率微波的研究，比前苏联晚了17年。2003年高功率电磁脉冲炸弹首次用于伊拉克战争。

3 世界各国研究现状、主要研究机构

(1)俄罗斯

长期以来俄罗斯的多种高功率微波技术研究处于世界领先地位。俄罗斯主要研究机构及研究成果见表1。

表1 俄罗斯

俄罗斯在高功率微波方面的主要技术成就有:(1)在等离子体加热用的回旋管方面达到了高峰值功率;(2)研制了驱动高峰值功率和高平均功率源的小型、重复脉冲功率源;(3)开发了用于回旋管的高效耦合器和GW级结构的输出耦合器。他们对美国人放弃的磁绝缘振荡器进行了有效的研究，并使其成为最有发展前途的高功率微波源。俄罗斯在20世纪50年代就开始研究电磁脉冲的效应和军事应用。20世纪70年代以来高功率微波源已获得迅速发展，小型便携式高功率微波源可产生0.1～1 GW的峰值功率，脉冲重复频率为100 Hz。利用现有技术研制出的陆基防空高功率微波发射系统样机，由微波脉冲功率源、高功率微波源和配套的对空监视雷达与指挥控制系统构成，分载于三辆越野卡车上，总重量为13 t，可用于保护重要的军事设施和指挥中心。1992年俄罗斯研制的NAGIRA雷达，发射功率300 MW、工作频率10 GHz、脉宽5 ns、重复频率150 Hz，能跟踪150 km以外的高度低于50 m的直升飞机。俄罗斯在微波弹小型化技术方面有许多独到之处。俄罗斯早在10年前就拥有微波弹，瑞典和澳大利亚军方都买过俄罗斯早年制造的可装入手提箱的电子炸弹，可发射10 GW脉冲。据美国报道，俄罗斯在前几年已为SS-18洲际导弹装备了电磁脉冲弹药。2001年的利马海事和宇航展览会上，俄罗斯展示了两种射频武器，Ranets-E和Rosa-E。前者为射频火炮，是一个射频可变的防御系统，输出超过500 MW，工作在厘米波段，产生10～20 ns的尖脉冲，能在60°扇形里使10 km范围内的高精度制导武器失效;后者也工作在厘米波段，重600～1500 kg，可安装在飞机上用于降低敌方雷达系统性能，射程达到500 km。

(2)美国

美国高功率微波技术主要研究机构及研究成果见表2。

表2 美国

续表

美国作为超级军事大国，在高功率微波的研究方面投资最多，每年仅花费在脉冲源上的投资就达数亿美元。1999年定向能局与国际电话电报公司签订了一项1400万美元的合同，进行高功率微波源、超宽带天线、先进概念和材料物理等方面的研究，现在美国空军研究实验室正在进行一项称为“定向能战术机载作战”的研究。其中最有作战效力的就是高功率微波无人飞行器。在美国空军协会的2002年大会上，洛克希德·马丁公司负责先进项目的副总裁尼尔称，高功率武器与无人机或巡航导弹综合作战的技术已经可行。它把高功率微波武器装在无人飞行器上，主要对付防空导弹、雷达和车辆，烧坏敌方武器关键装置的电子部件。这种无人机可飞到敌占区内进行更为精确的打击，减少了长距离所需的高功率微波发射能量和执行危险任务的人员伤亡。空军准备在2012年将此类高功率微波武器放到无人作战飞机上。美国各军种对微波武器都有特殊的要求。陆军提出战术微波武器要能装在大型履带战车上，而且要把定向性极高的天线装在直立的桅杆上，以利于最佳瞄准。空军要求微波武器体积小，并采用专用天线。海军的舰载微波武器要求具有高功率、大天线和远的作用距离。可以看出，海军对微波武器在重量、空间和功率等方面提出的限制条件较小。因此，海军的微波武器极有可能在未来20年内首先投入作战使用。

美国已在许多动物和人身上作了数千次有关主动拒止技术(ADT，active denial technology)武器的试验，补充了真实情况下的效应数据。

(3)英国

英国从20世纪80年代开始大力发展高功率微波技术。英国主要研究机构及研究成果见表3。

表3 英国

英国在高功率微波源的脉冲缩短问题和爆炸驱动方面的成就受到广泛的关注。1990年英国国防部利用爆炸磁压缩发生器与特种行波管制造过1 GW的微波弹。一座位于英国西南部的秘密设施曾研制过多种高功率微波武器。目前，美国有计划使用英国在该设施研制的强力微波炸弹，现正处于预测阶段。据报道，该炸弹释放的电磁波威力相当于核爆炸，十亿分之一秒内放射出数十亿瓦威力的电波。有消息称，英国官方研究实验室和工业部门都参与了高功率微波武器的开发工作。这种武器将被安装在诺·格公司的BQM-145A中程无人驾驶飞机上，使用的高速低空飞行的无人驾驶飞机可能是从地面起飞的，也可能是从F/A-18上起飞的。此外，对于部署高功率微波武器，英国国防部还安排了潜在的备选平台——风暴影子巡航导弹。另外，英国还参加了美国波音公司研制的美国空军X-45高功率微波无人机计划。

(4)其他

欧洲高功率微波的研究在德国和法国也很突出。法国从1988年起就将“用微波武器烧毁电子设备”的研究列入重点课题，1990年就已发表了关于制造电磁脉冲弹的专利，由法国陆军武器工业集团研究的微波炮弹预计在2005年或2010年投入使用。德国也一直非常重视无人机高功率微波武器的研究工作，但是至少还需要5年时间才能达到实用程度。随着机载定向能系统的交付使用，小型化和大功率需求将显得更为突出。2004年6月在伦敦举行的定向能武器讨论会上，先进技术的首要人物托马斯·魏泽透露，德国莱茵金属公司正在研究用于防空作战的中等能量激光和高功率微波武器。目前，魏泽集团正在考虑把机枪、导弹、中等功率激光器和高功率微波与目标截获及跟踪传感器组合在一起，形成一种装在几辆车上的机动式联网防空系统。高功率微波武器将用于对付低成本巡航导弹和无人机，摧毁控制它们的电子设备。中等功率的激光武器将探测诸如攻击直升机、无人机或装甲车辆之类威胁源的光学设备，并用激光脉冲命中它们。

4 关键技术

4.1 高功率微波的产生(源)

各种产生高功率微波的器件，如图1～图5所示。

4.2 定向辐射(天线)［3］

天线是高功率微波源和自由空间的接口。与常规天线技术不同，高功率微波定向武器用的天线，具有两个基本的特征:一是高功率;二是短脉冲。为满足定向能武器的需要，天线应满足以下要求:很强的方向性，很大的功率容量，带宽较宽，并具有适当地旁瓣电平和波束快速扫描的能力。重量、尺寸能满足机动性要求，常见为车载。受公路运输长、宽、高限制，结构设计要用到许多综合技术。常用到的卡塞格伦天线的增益、效率要高，副瓣要低，天线的核心技术在馈源上，体积要小，带宽要大，能耐高功率，有多极化或可变极化的能力。馈源馈电系统示意图如图6～图11所示。

天线的方向性是其集中辐射功率在特定方向的能力，可表为整个球面的立体角4π立体弧度与束面积ΩA之比为

而方向性常常定义为在距离R处的功率密度S与总功率为P的各向同性源功率密度之比为

增益G是天线效率的GD倍，即G=εGD=。

式中，Ae是天线面积;ε 是天线效率，典型值为0.5 ～0.8。

天线的辐射功率密度为

乘积PG是有效辐射功率(ERP)。对于不同有效辐射功率在不同射程时其功率密度也不同。为了避免高功率微波对己方造成伤害，特别要注意控制高功率微波天线远副瓣的辐射能量。

由于HPW源可以分为窄带源和宽带源两种，与之相对应，天线应用HPW也可分为窄带天线和宽带天线两类。

(1)窄带天线

在实践中，只有少数几种天线用在窄频带HPW研究中。由于普通微波中常使用的抛物面天线的集中馈电包含非常高的场强，使得抛物面天线在HPW中却很少使用。在HPW中最常用的是喇叭型天线，其使用原理类似于波导。喇叭天线是将直接从源延伸的矩形或圆形波导做成像一个向外扩张的喇叭口。目前最通用的类型是矩形喇叭天线。

现在，已经开始在HPW系统中使用天线阵列，通过增加天线阵源数目使功率分离或采用局部吸收器来抑制旁瓣，达到比较好的方向性。阵列天线的应用及其可信度主要是来自于以下三个因素:更高的功率将需要更大的面积以免击穿;极高功率(约100吉瓦)将从相位锁定源阵列来实现，这意味着多个输出波导需要多个天线;阵列的目标快速电跟踪技术与高度的定向性是相容的。

(2)宽带天线

当脉冲宽度为纳秒量级时，天线设计变得更加复杂。天线的占空时间是波穿过天线直径时间的若干倍。如果进入天线的波脉冲长度短于占空时间，就不能利用天线的全口径而使增益减小、脉冲分散。有两种方法可以应用于脉冲雷达天线。第一种方法是通过宽频带低色散天线发送脉冲信号;第二种方法是利用天线的色散，由较长的输入信号产生脉冲信号。

大多数冲击雷达至今仍采用横电磁波(TEM)喇叭天线。这种天线只是张开成指数型喇叭天线的两个金属片。这种喇叭天线能够辐射宽度大于1 ns的脉冲，其频带宽度为1 GHz。

总之当今的天线是普通天线形式的直接外延，只是为了防止空气击穿而作了一些改进。天线阵列刚刚进入发展阶段，主要用于锁相多路振荡器或放大器系统。到目前为止，天线子单元的衰减已经达到了很小，但高增益、低色散和宽频带天线的研究还有很多的实际困难。

要特别注意的是来自太空的威胁，空间太阳能电站也可能被用作太空高能微波武器发射的基地。

《美国空军2025年战略规划》的研究报告在未来武器构想中提出发展空基高功率微波武器，要求这种武器对地面、空中和空间目标具有不同的杀伤力。它用低轨道(500～916 km)的一组卫星站把超宽带微波投射到地面、空中和空间目标上，在一个几十到几百米的范围内产生高频电磁脉冲，摧毁或干扰目标区内的电子设备。

5 高功率微波的基本效应、威力［1，4］

效应研究是高功率微波武器能够真正投入使用的关键，系统战技指标的确定、作战效果的评估和主动防护等各方面都需要以效应研究为基础。

高功率微波能产生热效应、生物效应、电效应和电子效应。

(1)热效应

普通灯泡在从开口6×15平方英寸矩形波导(功率密度≤4 kW/m2)中辐射出5 kW(～400 MHz)超高频功率照射下会爆炸，距波导开口一定距离处荧光灯被点亮，以及钢丝绒爆炸形成电弧。在非常短的发射时间内加热目标，要求的功率电平为1000～10000 W/cm2。

(2)生物效应

当人体处于脉冲波辐射之下时，能感觉到一种可闻的声音。在微波辐射下整个身体的温度升高1℃是有害的，延长辐射时间而引起的大幅度升温会导致死亡。当频率低于400 MHz，高于3 GHz时，被人体吸收的入射能量小于50%。当频率在1～3 GHz之间时，入射能量的吸收率达100%。脉冲能量可以激发生物效应，同样平均值的连续波功率无生物效应。对普通人体，在20～300 MHz的范围内整体吸收率最大。当频率达2450 MHz时，“专用吸收率(SAR)”在人体的颈、腿和肘处相对而言较高。

人接收的微波功率密度为10～50 mW/cm2时，人将发生痉挛或失去知觉;在100 mW/cm2时，人的心肺功能将会衰竭;0.5 W/cm2时的微波功率密度将会烧伤人体皮肤;20 W/cm2时2 s即可造成三度烧伤;当功率密度达到80 W/cm2时，1 s内即可将人烧死。生物效应与照射功率密度对比，见表4。

表4 生物效应与照射功率密度

(3)电效应

场对金属线的耦合、相干效应。设备的导线、动力电缆、电话线和失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞，驻波能量通过它们耦合到设备而造成破坏。

(4)电子效应

整流、互调、上锁、热破坏、击穿和数字电路的干扰。因一个导弹电缆的屏蔽接头未到位，高功率微波产生的电子效应曾导致美国航空母舰上飞机、导弹和炸弹的意外爆炸。发射功率遥控设备和传感器，发射的微波能量被吸收接收，功率电平通常为0.01～0.1 W/cm2。以压制功率干扰微波和通讯系统的接收天线信号要求的功率电平为1～10 W/cm2。破坏传感器和电子设备的运转要求的功率电平为10 ～100 W/cm2。

一个功率为1 GW，脉宽为1 μs和天线增益为40 dB的微波炮可使商用、工控或军用计算机翻转的作用距离分别为 8.1 km，3.6 km 和2.4 km。为降低对微波源的要求或者增加作用距离，要求脉宽大于100 ns。随着微波技术与器件的发展，微波功率不断提高，目前峰值功率已达数十吉瓦。