高功率微波武器的被动测向研究

2021-01-09高伟伟李敬军

舰船电子对抗 2020年6期

高伟伟，李敬军，张弟

(1.海军航空大学，山东青岛 266041；2.解放军91208部队，山东青岛 266102)

0 引言

目前，世界主要国家对高功率微波(HPM)武器的研究都非常重视，见诸报道的HPM武器包括微波炸弹、导弹和各类车载、舰载、机载及天基HPM武器系统等[1-4]，可以预见，其在未来的网络战与电子战中将有巨大的应用空间。

国内外针对HPM武器的研究方向目前主要集中在：HPM武器总体技术，涉及用于非致命拒止或定向能打击的HPM武器系统及方法；HPM源，涉及磁绝缘振荡器、虚阴极振荡器、相对论磁控管、相对论回旋管、相对论回波管、相对论速调管等内容；脉冲功率源，涉及高功率脉冲开关和脉冲功率源总体技术；HPM传输与发射技术，主要是针对常规雷达系统天线的改进；HPM武器的效应及防护，主要针对通信、雷达等电子系统避免遭受“前门”或“后门”耦合效应导致的干扰甚至毁伤以及对相关电子器件产生的效应进行研究。然而，针对HPM武器的探测却未见有相关研究。为避免敌方HPM武器的二次攻击并实施有效反击，确保己方的制胜权，现针对HPM武器首次攻击脉冲测向的可行性进行探讨分析。

1 HPM武器的特点及危害

HPM作为一种强电磁脉冲，其目的是在战争行动或非战争军事行动中使敌方的电子设备毁伤或影响作战人员使其丧失作战能力，具有峰值功率高、所处频带范围宽、脉冲短、重频低等典型特点[5-6]。

表1 美国研制的部分HPM源性能[7]

以美国研制的HPM源为例(见表1[7])，可见HPM的峰值功率可达GW级，脉冲宽度在ns级别，脉冲重复频率则在kHz以下甚至是单次发射，且虽然所处频率范围较宽，但一般是窄带信号。峰值功率越高、重复频率越高，HPM武器对敌方造成的伤害越大，而脉宽越窄，窄带信号处于越宽的频带范围(1 GHz～300 GHz[7])，则使得HPM更难以被捕捉。

HPM武器根据功率大小的不同，通过天线、射频前端等进行“前门”耦合，设备缝隙、孔洞或金属壳体感应灯进行“后门”耦合，可对通信、雷达、导航及计算机网络等电子系统设备造成干扰、功能紊乱、毁坏甚至引爆等不同程度的打击。表2[8]显示了不同辐射功率密度下HPM武器对电子系统设备的危害。

表2 HPM武器对电子系统设备的危害[8]

有研究表明，当HPM距目标1 km时，在其附近空域产生的功率密度可达200 W/cm2，而当距目标10 km时，在其附近空域产生的功率密度仍可达20 W/cm2[9]。

2 对HPM武器的被动测向

对于实施单次攻击的微波炸弹或巡航导弹来说，很显然对其发射的HPM进行探测意义并不大，但对于可重复使用的HPM武器所发射脉冲进行探测则有一定的现实意义。

理想状态下，敌方开始攻击之前己方即可发现HPM武器所在位置；但若在HPM武器攻击之前不能发现，己方第一时间对HPM武器发射的强脉冲进行测量以确定其大致方向，配合其它探测系统，最终确定其方位，避免己方遭受二次攻击并采取相应战术行动，则是一种次理想状态。

因此，针对HPM武器发射脉冲特点，重点考虑远场条件下单次HPM脉冲的测向方法，显然须满足全空域同时测向和单脉冲测向2个必要条件。要满足全空域同时测向，搜索式方法不再适合，而要求能单脉冲测向，多脉冲方法也不再适合，这里考虑以下2种方式。

2.1 全向比幅单脉冲法

全向比幅单脉冲测向法可表述为[10]：运用多个相互独立且波束主瓣毗邻的天线阵元覆盖空域内360°全方位，对同一个HPM脉冲信号来说，总有一对相邻波束会输出最强信号与次强信号，因此可通过对这一对信号的包络幅度进行比较确定来波方向。

图1为典型的全向比幅四天线方向图。图中，相邻天线的张角为θs=2π/N(N=4)，HPM脉冲方向偏离天线等信号强度方向为θ，N方向天线输出信号最强，E方向输出信号次强，通过对这2个方向信号的后续比较运算可得出θ。全向比幅单脉冲法的方位截获率较高，对各种天线方向图函数适应能力较强，但其测向精度较低。

图1 全向比幅四天线方向图

2.2 线性相位多模圆阵法

线性相位多模圆阵法是将N个全方向性天线阵元均匀布置在半径为r的圆上，固定其中一个阵元0与圆心的连线为参考方向，对天线阵元接收到的HPM脉冲信号加权合成后进行鉴相处理，从而可实现整个空域内的无模糊测向。

图2[10]显示了线性相位多模圆阵天线阵元原理，阵元r与阵元0的夹角为2mπ/N，HPM入射方向为θ，系统对N个天线阵元接收的信号进行加权鉴相处理后得到θ方向。HPM的频率只会影响线性相位多模圆阵天线输出信号模的幅度而不会对相位造成影响，所以脉冲频率的变化不会影响测向精度。

图2 线性相位多模圆阵天线阵元图

3 HPM单脉冲被动测向雷达要求

通过对HPM单脉冲测向分析，结合HPM的特点，考虑雷达系统要求。

3.1 单基地单脉冲被动雷达

首先，本文考虑的是接收HPM武器发射的脉冲并以其为信号源进行测向，所以优先选用被动雷达；其次，按前文分析，是要对HPM单脉冲进行测向，须选用单脉冲测量雷达；最后，HPM武器是一种定向能武器，其攻击不可能覆盖整个空域，它会选定战场某一方向进行定向攻击，而多基地雷达由于雷达分机间距较远，可能导致同一时刻仅有某一方向的雷达分机会截获信号(或遭到攻击)，所以多基地雷达不适用于对HPM武器的测向，应选用单基地雷达。

综上，针对HPM武器的被动测向应选用单基地单脉冲被动测量雷达。

3.2 单基地单脉冲被动测向雷达结构分析

典型的雷达接收机组成包括天线、滤波器、限幅器、低噪声放大器、解调器、信号处理等几个部分，如图3所示，实际雷达接收机中可能并不包含所有部分。

图3 典型雷达接收机组成框图

雷达天线承载微波信号能量较强，对于远场HPM一般不会出现天线过载现象；有研究表明，HPM滤波器的功率容限很大，一般难于击穿[11]；限幅器在应对HPM时起到至关重要的作用，限幅器的性能好，后续电路可以得到有效的保护，反之，后续电路将不能正常工作甚至损毁；低噪声放大器为了追求高灵敏度，往往是雷达接收机射频前端中最为脆弱的环节，所以一般在设计时与限幅器进行一体化设计，依赖限幅器对其进行保护；解调器(包括混频、中频等)是将微波变换为中频甚至零中频的环节，通过解调回波信号后进行后续的信号处理等环节。

从上述分析可以看出，限幅器在雷达对HPM脉冲进行测向时起到至关重要的作用。

3.3 限幅器的选择

现今研究应用较多的有PIN限幅器[12-15]、MOS限幅器[16-17]、等离子体限幅器[18-19]以及自适应频率选择限幅器[20-21]。根据HPM特点，限幅器必须满足大带宽(最宽可达300 GHz)、高耐受功率、响应迅速等要求。固体限幅器虽然响应时间快，但是难以做到大带宽和高功率要求，等离子体限幅器的响应时间较固体限幅器稍长，却可以满足高功率要求，但同样难以满足大带宽需求。表3[22]显示了2类限幅器的性能差异。

利用频率选择表面和固体限幅器结合的方式构成频率选择限幅结构[20]或利用多工器与固体限幅器的组合形成频率选择限幅系统[21]的自适应频率选择限幅器具有响应时间快和满足大带宽的需求，但对高功率要求仍难满足。综上，若将等离子体与自适应频率选择进行综合将会是较为理想的HPM限幅器，这里提出2种新型自适应频率选择限幅器拓扑结构，如图4所示。

图4 2种新型限幅器拓扑结构

图4中限幅器的工作流程可以简述为：接收到的HPM首先经多工器带通滤波(或频率选择表面选频)后，信号判别电路确定HPM所处频带范围，控制对应频带范围的等离子体限幅器导通，由等离子体限幅器对信号进行反射与吸收，达到衰减HPM的目的，衰减后的信号同样经信号判别电路控制进入相应后续链路进行信号处理，最终得到HPM武器的方向。

图4(a)与图4(b)的区别在于，在限幅器的前端一种是多工器，而另一种是频率选择表面。频率选择表面本质是运用具有周期性阵列结构的人工电磁材料对电磁场能量分布重新分配[23]，可对HPM进行反射或透射处理，可以看作一种特殊的空间滤波器[24]。多工器是将接收到的信号电流进行带通滤波处理，可以看做一种带通滤波器，两者虽然在本质上有所区别，但这里起到的作用都是为了确定HPM的频段范围并进行滤波处理。

信号判别电路主要由信号识别和微波开关两部分组成，如图5所示，其通过识别电路首先确定多工器(或频率选择表面)的哪一路有输出，明确信号频段，进而控制对应频段微波开关开启，保证后续相应链路工作。

图5 信号判别电路组成框图

特别要说明的是，这里提出的限幅器结构与已有限幅器一个较大的区别在于信号判别电路的添加。这是因为，虽然对未知HPM测量频带范围要求非常宽，但实际情形中，HPM一般是窄带脉冲信号[7]，其不可能贯穿整个雷达探测频段，因此也就没有必要使雷达电路一直处于全频段工作状态。信号判别电路有助于降低整个雷达接收链路工作量和延长限幅器寿命，并最终达到精准处理HPM输入的目的。