射频电路抗高功率微波关键技术研究

邰战雄，阮毅，秦银，滕新友

（四川九洲空管科技有限责任公司，四川 绵阳 621000）

0 引言

高功率微波技术是指微波信号的平均功率在千瓦以上的微波信号。平均功率在千瓦以上的微波，可以破坏和干扰保护严密的精密电子设备。因此，对高功率微波技术应用的研究，有极大的战略价值。微波武器对现代战争产生了巨大作用，现代战争是陆、海、空、天、电磁“五维一体”的立体联合作战，对设备的制电磁权已经成为决胜的关键之一。高频微波作为武器主要攻击导弹和雷达系统，对设备发射高频微波从而干扰、损伤、烧毁信息化武器的电子设备。

1 高频微波技术的研究阶段

截至目前，高功率微波技术大致经历了三个阶段。20世纪70年代到80年代，高功率微波开始能够以几百兆瓦的高功率输出，并陆续提出了相对论返波管（1970年）、相对论磁控管RM（1976年）、虚阴极振荡器（1977年）等典型微波源。20世纪80年到代90年代，美俄在以高功率设备为主的信息化武器领域展开了功率竞赛，这一阶段出现了各种大型高功率设备，微波武器输出功率最高超过10GW，不过输出设备体型大，能量转化效率低。与此同时，吉瓦级重频高功率微波以及长脉冲产生技术取得重大进展，超宽谱高功率微波技术逐渐从实验室走入军事应用领域。21世纪后，高功率微波技术往设备小型化和能效提高的方向发展，研究重点为紧凑小型化HPM产生研究，数吉瓦超高功率及重复频率HPM产生研究，长脉冲HPM产生研究以及HPM锁频锁相及功率合成技术研究。

2 微波前门注入受损研究

研究高功率微波对前门注入损伤效应时，需要先进行理论建模分析，并结合相关模拟微波注入的实验，对高功率微波损伤效应最小系统进行评估和研究。

高功率微波前门注入实验平台由微波源、功率放大器、隔离器、定向耦合器、环形器、待测设备、测试设备以及连接电缆组成，如图1所示。微波前门注入受损实验采用编写软件控制程序的方式进行控制，操作者能够对步进功率电平、实验启动和关闭进行便捷的操控，同时还能够对测量门限进行科学的设置，既可以把当前点的值当做实验触发条件，还可以将第一次测量当做触发参考，这样不仅能够保证功率阈值的真实性与准确性，还能够显著降低操作者的工作量。在进行实验时，需要做好各种实验样品小信号信息的收集工作，主要包括电流特征、噪声变化情况以及增益情况等。因为该实验所选用的噪声放大器处于正常运行状态时，漏极电流、柵极电流都非常小，采用电流钳无法比较准确地检测到真实的电流大小，同时采用偏置电路的方式，存在一定的限流电阻，在实验的过程中出现噪声放大器损坏的情况，电流值浮动的范围也相对较小，无法准确地检测电流值。因为限流电阻的阻值不会发生变化，所以采用检测漏极管脚电压、柵极电压的方式取代电流值检测的方式，即如果噪声放大器发生故障或者被损坏，采用检测漏极电压升降的方式取代原来检测漏极电流的方式[1]。

具体实验如下：

（1）按照相关要求和规定，对实验中需要用到的各种仪器设备进行连接，并在此基础上将相应的微波前门注入平台系统构建起来。

（2）对实验样品小信号进行测试，在这个过程中相关实验人员要注意噪声以及两级漏极实际工作时的电压值、小信号参数特性等指标参数进行收集，之后基于此将小信号样品参考数据库构建起来，并不断加以完善。

（3）利用15cp/s脉冲功率将相应信号持续注入低噪声放大器中，同时实验人员要注意通过相应的软件对两级漏极电性进行严密的监测，并详细记录低噪声放大器的实际输出功率值。

（4）在实验过程中，对于达到预设门限的软件，其功率输出会自动关闭，此时需要拆下低噪声放大器，直到设备恢复至正常状态。

（5）拆卸所有实验设备，并对实验过程中收集到的数据进行整理。

在实验的过程中需要注意以下几个方面：其一，在进行低噪放上电时需要按照先进行柵极后进行源极的方式，在进行掉电时，则需要按照先进行源极后进行柵极的方式。其二，因为样品之间存在一定的差异，所以退化实验初始阶段，需要把触发门限设置的低一点，这样能够比较准确、及时的捕捉噪声退化的预知。其三，输出设备种类众多，不仅包括信号源，还包括示波器、功率计等，尤其是功率较大的输出设备，在进行实验之前，为了防止功率过大影响实验结果，需要在开始阶段安装衰减器，同时还能够防止设备探头或仪器出现损坏。

3 前门通道（接收机）抗损实验

在向通信设施中注入高功率微波的能量耦合时，进入载荷系统主要有两种方法：一种是通过前门通道进入；另一种是通过后门通道进入。如果雷达接收机接收到的高功率微波是从前门接收天线传入的，那么雷达接收机中的相关电子元器件就很容易受到较强电磁脉冲的影响[2]。

针对这种情况，在通过前门通道向通信设施注入高功率微波信号时，为了使通信系统在受到HPM压制的情况下，能够将相应的通信链路有效的构建起来，可以通过前门PIN二极管限幅器防护设计将抗HPM双通道限幅接收模块设计构建起来，并结合微带双工器进行综合运用。需要注意的是，所设计的双工器应具备以下特点：即具有较强的限幅功能、较高的隔离度、较小的尺寸以及较低的插值损耗。前门通道抗损实验基于系统角度，对抗毁伤策略对接收机在有效荷载前提下的影响程度进行测试，将限幅器安装在接收机中，同时测试在多种信号不同注入的情况下，接收机抗毁伤策略是否能够发挥相应的作用。本实验通过限幅器把小信号传递至噪声放大器，对噪声的群时延抖动、增益等情况进行观测，并和实施抗摧毁策略之前的情况进行对比分析。如果群时延抖动小于0.1ns、噪音增益下降小于1dB，噪声系数上升没有超过0.4dB，则表明采取的抗摧毁策略能够对设备性能产生保护作用。利用连续波和脉冲信号对抗高功率微波造成的损坏程度进行实验，持续注入15min，测试完成后，进行增益和噪声系统等的实验，以此检验采取的抗摧毁策略能够具有保护作用。在实验的过程中采用专用的实验平台，该实验平台连接电缆、测试装置、限幅器、耦合器、衰减器以及微波源等部分组成，其结构示意图如图2所示。注入高功率微波之后，将预备检测的装置安置在主路的通道，在脉冲发射器中形成重复频率、脉冲宽度等各异的高功率微波信号，在功率放大器的作用下，将其传递至等待检测装置的输入端口，等待检测的装置在检波器与衰减器的共同作用下，和数字示波器进行可靠的连接，并能够在该数字示波器中对待测装置的瞬时响应情况进行全面、真实、准确的展示。

之后进行相应的仿真和测试，结果证明双通道限幅接收模块能够对HPM的压制进行有效的抵抗，能够充分保障通信链路的构建。在进行实际操作时，为了更加全面、深入的研究和分析前门抗高功率波损伤措施，并对相关设备指标是否受到影响以及受影响程度进行充分的了解，还需要实验接收机前门通道抗损伤能力，从而使所采取的保护措施的可靠性得到充分的保证[3]。

考虑以上各种因素，所设计的功率放大器应具备以下特点：一是理论功分比需达到正无穷；二是能够对不等分功率进行便捷操作，之后将接地电阻接入到元件中，从而能够与高功率应用相适应。通过电磁仿真对功率分配器进行相应的操作之后，还需要加工测试相应的实物，最终的测试结果符合之前的仿真结果[4]。

4 无源电路

从以上实验结果可知，传统的功率放大器虽然具有较大的功率，并且能够应用到高功率的实验环境中，但是这无法充分满足不等分设计，主要原因是难以对更高的功率进模拟，这导致高功率传输技术的应用以及高功率设备的加工受到了一定程度的限制。

因此，可以基于传统功率放大器，利用新型片状传输结构优化设计高功率微带功率放大器的宽带化。在进行设计时，要重视区别普通微带线与片状结构电场分布情况之间存在的差异，针对这种情况为了使功率放大器的小型化设计得以充分的实现，可以采取弯曲传输路径的方法。就这种设计方法来说，功率放大器的优势在于不需要借助高阻抗线就能够对不等分功率放大器进行准确的功率分比。与此同时，对于高阻抗线的功率容量也不需要进行考虑，并且对于改进之后的系统还能够在很大程度上保证其在更高的功率中进行有效的应用[5]。

之后，利用电磁仿真以及测试实物后的结果显示，与之前相比功率放大器宽带提高了30%左右，并且尺寸同比减小50%左右，有利于实现不等分功率放大器功率分解以及设备小型化的目标。

5 结论

总而言之，电磁干扰与高功率微波传输、测量等技术以及相关方面研究之间的联系非常密切，其中与军事项目应用之间的联系尤为紧密，再加上电磁、电热等学科与高功率微波传输之间存在相互重叠的情况，因此对其实际情况往往难以使用传统的Matlab数值模拟进行全面、充分的描述。在本文的研究中，主要通过实验验证的方法研究分析了射频电路抗高功率微波技术问题，之后有机地融合了实验和数值模拟得出的数据，确保了最终结论的科学性和严谨性，希望能够为以后相关方面的研究工作提供一些参考。