相控阵雷达抗高功率微波武器损毁能力分析

2019-09-27任雪峰钱国栋

雷达与对抗 2019年3期

任雪峰，钱国栋

(海军装备部驻南京地区第二军事代表室，南京 210003)

0 引言

高功率微波武器是一种新概念武器。它能定向发射GW量级的高功率脉冲电磁波，通过“前门”和“后门”进入电子设备，干扰或毁坏内部敏感电子器件，使设备失效甚至烧毁。这对雷达等电子设备构成严重的威胁。

高功率微波武器的防护是现代雷达等电子设备设计必须考虑的一个重要方面。业内学者们对高功率微波武器对雷达的干扰毁伤原理、效果和防护方法等进行了大量研究[1-4]。在对相控阵雷达的毁伤和防护方面，文献[5]分析了电磁脉冲弹弹道偏差等因素对相控阵天线阵面毁伤区域的影响。本文针对相控阵特点，对相控阵雷达抗高功率微波武器毁伤能力进行了分析，为相控阵雷达的高功率微波武器防护设计提供参考。

2 高功率微波武器攻击原理

高功率微波武器对雷达攻击示意图如图1所示。

图1 高功率微波武器对雷达攻击示意图

目前，高功率微波武器输出功率能达GW量级，脉宽从几纳秒到几百纳秒，通过“前门”和“后门”两途径进入电子设备，对电子设备进行破坏。“后门”是指设备的导线、动力电缆、电话线、失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞。电磁波能量通过它们耦合进设备内而造成破坏。“后门”可以通过加强屏蔽的方法进行防护。“前门”是指设备的天线等对外开放的通道。强电磁脉冲通过天线直接输入到设备内部，对脆弱的接收电路进行破坏。相对于“后门”，“前门”是雷达的开放通道，是高功率微波武器防护的短板和薄弱环节，雷达更容易受到攻击而导致损毁。因此，在雷达系统设计时重点考虑的是防护高功率微波武器的“前门”攻击。

高功率微波武器攻击雷达“前门”就是发射高功率微波脉冲信号通过雷达天线直接进入雷达设备内部，破坏雷达接收保护电路，乃至后续电路，使接收通道不能工作，从而雷达被损毁。一般雷达在接收通道前端设有保护电路对抗高功率微波武器的“前门”攻击，如图2所示。当小信号到达时，保护电路能几乎无插损地通过；当大功率信号到达时，保护电路对大功率信号进行反射或吸收衰减，从而保护低噪放等后续电路接收机。但是，保护电路也有一定的功率容量。当输入到接收通道的信号功率非常大而超过其功率容量时保护电路会被烧毁，从而导致接收电路无法正常工作。常见的保护电路有真空放电管、固态PIN管限幅器等。真空放电管体积相对较大，一般用在传统雷达中，功率容量能达十kW到几十kW量级[3]。固态PIN管限幅器体积小，在相控阵雷达T/R组件中大量使用，对于μs级以下脉冲信号其功率容量能达kW量级[6]。

图2 接收通道前端框图

3 抗损毁能力分析

传统雷达采用大口径天线获得所需空间分辨率的天线波束，采用机械方式实现波束的扫描控制，对空间目标进行探测，由天线、收发转换开关、接收机、发射机组成，原理如图3所示。

相控阵雷达通过多个天线波束的合成获得所需空间分辨率的天线波束，控制多个天线单元的幅度和相位实现波束的灵活变换，原理如图4所示。

图3 传统雷达原理框图

图4 相控阵雷达原理框图

相对于传统雷达，相控阵雷达天线数量多，每个天线单元接一个收发通道，单个天线增益小。在相同的雷达性能指标和高功率微波武器攻击条件下，相控阵雷达每个通道接收到的信号功率小，从而具有更强的抗高功率微波武器“前门”损毁能力。

高功率微波武器发射的高功率微波经过空间传输后进入雷达接收通道，雷达天线处的功率密度为

(1)

其中，Pt为高功率微波武器发射脉冲功率，Gt为高功率微波武器天线发射增益，R为高功率微波武器与雷达之间的距离，L为损耗(含极化损耗、大气损耗、馈线损耗等)。

进入接收通道的信号功率为

(2)

其中，Ar为雷达天线有效接收面积，Gr为雷达天线接收增益，λ为工作波长。

由式(2)可知，高功率微波武器天线主瓣瞄准雷达进行攻击时，进入雷达接收通道的信号功率Pr与雷达天线增益Gr有关，而受雷达天线方向图的影响雷达天线各方向的增益不同。雷达工作时，天线波束对空间进行扫描探测，高功率微波武器可瞄准雷达进行连续攻击。当雷达天线波束转动且其主瓣对准高功率微波武器天线主瓣时，进入雷达接收通道的信号功率Pr最大，最容易损毁雷达。

设高功率微波武器发射脉冲功率5 GW，频率10 GHz，天线主瓣增益30 dB。设被攻击的雷达工作频率10 GHz，天线主瓣增益33 dB。对于传统雷达，接收通道保护电路采用真空放电管，脉冲功率容量10 kW；对于相控阵雷达，采用1 000个通道设计，单个通道天线增益4 dB，接收通道保护电路采用PIN限幅器，脉冲功率容量1 kW，设损耗为3 dB。

高功率微波武器瞄准雷达进行连续攻击，高功率脉冲电磁波从雷达天线主瓣进入接收通道。对于传统雷达和相控阵雷达，进入接收通道的脉冲信号功率随距离变化如图5所示。由图5可知，对于传统雷达，高功率微波武器攻击距离小于1 km时接收通道接收功率大于10 kW，接收通道被损毁；对于相控阵雷达，高功率微波武器攻击距离小于110 m时，接收通道接收功率大于1 kW，接收通道被损毁。因此，在相同的条件下，相控阵雷达“前门”抗高功率微波武器损毁能力强，对于典型的设计，高功率微波武器要通过“前门”损毁相控阵雷达，攻击距离约为是传统雷达的1/10。