雷达抗前门耦合攻击防护能力对比分析 *

胡欣，杨江平，孟藏珍，左治方，许一，谢雨希

（1. 空军预警学院，湖北 武汉 430019；2. 中国人民解放军93498 部队，河北 石家庄 050000）

0 引言

美军曾经在2003 年的伊拉克战争中，使用电磁脉冲炸弹攻击伊拉克国家电视台，造成电视信号中断数小时之久，这一行动标志着高功率微波武器正式登场［1］。高功率微波武器是利用产生的高功率微波干扰、扰乱、压制甚至摧毁目标的新型武器［2］。它不仅能对电子信息设备起到干扰和误触作用，还能通过高功率微波的能量摧毁目标，兼有“软杀伤”和“硬摧毁”的双重效果［3］。具有很多常规武器无法企及的优点，如打击速度快，攻击距离远，打击范围广，攻击成本低，作用效果多样等，使它逐渐成为战争的新宠［4-5］。

雷达是现代防空作战的主要信息源，是国土防空的重要组成部分［6］。雷达通过发射、接收电磁波进行工作，天线必须裸露于外，而且为了提高雷达探测性能，要求接收机具有高的增益和灵敏度，因此雷达更容易遭受高功率微波的干扰，甚至摧毁，使雷达在与高功率微波武器的对抗中处于天然劣势。

鉴于雷达面临的高功率微波武器威胁，各国也开展了多方面的研究。文献［7］计算和分析了高功率微波对航海雷达接收机的毁伤能力范围；文献［8］对相控阵雷达抗高功率微波武器损毁能力进行了分析，认为相控阵雷达较相同指标传统雷达防护能力高10 倍；文献［9］分析后得出，采用分布式馈电体制相控阵雷达的生存能力要弱于采用集中馈电体制的一维相扫相控阵雷达。文献［10-11］研究了低噪声放大器在强电磁脉冲下的响应特性，为雷达装备有目的的防护做好准备；文献［12］在分析强电磁脉冲武器发展现状及趋势基础上，提出了相应的防护技术方法。

之前的研究基本都假定高功率微波武器始终处在雷达的主波束，未对旁瓣进行分析，没有从空域滤波的角度考虑雷达的防护性能。本文在分析雷达装备耦合高功率微波的基础上，针对有源相控阵雷达和反射面雷达的特点，分析两种雷达抗高功率微波武器毁伤的能力区别，发现反射面雷达在主波瓣位置的确比有源相控阵雷达防护能力弱，但主波束非常窄，在主波束外的其他方位，防护能力都优于有源相控阵雷达。

1 雷达前门耦合攻击建模

高功率微波武器产生的高功率脉冲，通过“前门耦合”和“后门耦合”2 种途径进入雷达内部，利用高能电磁波毁伤雷达的电子系统。“前门”就是指雷达对电磁波的开放通道——天线，而天线对外是时刻开放的，因此雷达接收通路更容易被高功率微波武器影响和破坏。

高功率微波武器在地面或空中将能量转化为高功率微波，并通过发射天线向指定方向进行辐照，经雷达天线耦合接收进入雷达接收通路，破坏其电子器件，从而使雷达性能下降或故障。其大体传播路径如图1 所示。

图1 雷达天线耦合高功率微波路径Fig. 1 Coupling path of high power microwave to radar antenna

天线耦合信号后经接收机保护器限幅后，经接收前端放大送入接收机。接收机保护器一般由PIN限幅器、气体放电管等组成，接收前端一般由低噪声放大管及其附属电路组成。

1.1 高功率微波辐射场模型

假定某时刻高功率微波武器发射的瞬时功率为Pt，则高功率微波武器天线远场某点的能流密度为

式中：S为空间中能流密度；Pt为微波武器发射功率；Gt(θt，φt)为微波武器天线在偏离波束中心线(θt，φt)方向处的增益；R为微波武器到雷达天线的距离。

1.2 雷达前门耦合模型

雷达天线前门耦合功率可用Friis 公式［13］进行计算：

式中：Pr为雷达天线接收输出功率；Ae为天线有效面积；Gr(θr，φr)为雷达天线在高功率微波武器方向的增益；λ为天线工作中心频率波长。

在天线将能量传输到接收机过程中，需要经过耦合器、旋转铰链、波导/同轴线、限幅器等，不可避免地产生一定的衰减和损耗，可以加入损耗因子Le来进行描述，包括极化损耗、馈线损耗、限幅衰减等，则式（2）可改写为

1.3 天线增益的计算方法

对于收发共用一副天线的雷达来说，按照发射机和接收机分布形式进行分类，可以分为分布式和集中放大式2 种。分布式发射接收雷达，其阵列天线通常采用大量相同结构、相同尺寸的天线单元按照一定规律排列在一起，阵面上每个天线单元连接一套发射和接收装置，形成一部兼具收发供能的小雷达系统，通过控制各天线单元中信号的幅度或相位来改变整个天线的方向图。常见分布式发射接收雷达天线单个天线单元的方向性不是很大，约2～8 dB，但经过整个阵列的叠加，合成增益可达30 dB 以上。分布式发射接收雷达单个接收前端输入的能量由对应天线单元耦合所得，通过控制每个天线单元的幅度和相位可改变合成波束的方向，但其单个天线单元的方向图并不会改变。常见的分布发射接收雷达为有源相控阵雷达，如图2所示。

图2 有源相控阵雷达天线结构图Fig. 2 Structure diagram of active phased array radar antenna

集中发射接收式雷达主要采用反射面天线或无源相控阵天线。反射面天线一般只有一副天线，由反射面和馈源组成，馈源位于焦点或焦点附近。接收时通过天线将特定方向的电磁波汇聚后通过馈源进入接收机保护器和接收前端，如图3 所示。

图3 反射面雷达天线结构图Fig. 3 Structure diagram of reflector radar antenna

采用无源相控阵天线的雷达其天线同为阵列天线，天线单元与有源相控阵相似，但采用集中式发射机通过馈线和移相器/功分器将产生的射频能量分配给各天线单元，在空间合成发射波束。接收时各天线单元各自耦合接收能量，经过馈线和移相器/功分器将射频能量叠加输出到接收机保护器，如图4 所示。集中发射接收式雷达接收前端输入的能量由整个天线耦合所得，通常天线增益可达30 dB以上。

图4 无源相控阵雷达天线结构图Fig. 4 Structure diagram of passive phased array radar antenna

因此，分布式发射接收雷达和集中放大式发射接收雷达2 种接收机耦合能量公式可以进行统一。分布式发射接收雷达按照单天线单元进行计算，计算限幅器限幅能力时也是按照单个通道限幅器能力进行计算，而在计算雷达前门耦合的天线增益时，集中放大式发射接收雷达天线增益以整个天线进行计算。

2 抗前门耦合毁伤能力分析

2.1 高功率微波对雷达的危害机理

高功率微波对雷达的前门毁伤主要是在进入接收通路后，由于电压或电流效应，引起半导体器件误动作、击穿或发热融毁，毁伤机理主要有瞬时干扰、浪涌冲击、金属化烧毁、二次击穿和介质击穿等。接收机限幅器和低噪声放大器作为接收通路的主要防护和放大器件，高功率微波进入雷达接收通路后，最先进入的就是这2 个器件，是接收通路的门户，它们是高功率微波对雷达前门毁伤的主要作用器件，也是整个接收通路中最容易损伤的器件。当进入的能量较低时，可以形成假目标，对雷达造成干扰；当进入的能量高到一定级别的时候，可以使限幅器短路或断路，烧毁低噪声放大器，使雷达损坏。实验证明，当功率能量密度为0.01～1 μW/cm2时，可干扰雷达的正常工作，使其产生假目标或因过载而无法检测目标；当微波功率密度达到10～100 W/cm2时，可使雷达内电子器件性能降低或故障，甚至直接导致器件烧毁［14］。

2.2 PIN 限幅器的影响

PIN 限幅器主要作用是防止来自天线的高功率信号对接收机造成损坏。高功率信号主要来自发射期间的功率泄漏和反射，近程目标的强反射，以及来自外界的干扰机或其他雷达系统的干扰信号。当输入信号达到和超过超限功率后，PIN 限幅器作用，输出功率被限制在某一范围内，保护低噪声放大器不被烧毁。集中发射接收式雷达由于发射和接收通路传输的功率比较大，在雷达设计之初就进行了严密的防护。如某型反射面天线地面预警雷达PIN 限幅器能抗1 kW@2 μs 的高功率脉冲而不被烧毁。分布式发射接收雷达单T/R 组件的发射功率不是很高，留给PIN 限幅器的安装空间也很小，且单天线的增益也不是很大，所以在设计之初防护能力相对较低，如某型相控阵雷达PIN 限幅器仅能抗100 W@10 μs。当输入功率超过PIN 限幅器的耐受功率时，造成PIN 限幅器毁坏，雷达停机。

2.3 天线增益的影响

典型反射面天线的特点是增益高、旁瓣低，在其他方向增益都较小。图5 为通过CST（computer simulation technology）仿真的某反射面天线雷达水平方向波瓣图，灰色弧形为天线俯视图，红色曲线为雷达天线在水平方向的增益分布曲线，2 条蓝色线为主波瓣3 dB 半功率点的夹角。可见其主瓣增益可达40.9 dBi，波瓣宽度很窄，仅有1.9°，增益在0 dB 以上区域仅分布在±6°范围内。而有源相控阵雷达因为天线单元空间结构的问题不能采用大的高增益天线，只能采用低增益的贴片、裂缝、半波振子等形式的天线。图6 为采用CST 仿真的某有源相控阵雷达贴片天线水平方向增益分布，蓝色和黑色矩形为贴片天线，红色为雷达天线在水平方向的增益分布曲线，2 条蓝色线为主波瓣3 dB 半功率点的夹角。可以看出，主瓣增益只有7.79 dBi，主波束很宽，达到79.3°，增益在0 dB 以上的区域达到137°范围。

图5 常见反射面天线水平方向的增益Fig. 5 Horizontal gain of common reflector antenna

图6 常见贴片天线水平方向增益Fig. 6 Horizontal gain of common patch antenna

在垂直方向上亦是如此，图7，8 分别为反射面天线和贴片天线在垂直方向的增益。可见反射面天线主瓣宽度仅有2.7°，增益在0 dB 以上区域范围仅42°；而贴片天线的主瓣宽度达到78°，增益在0 dB 以上区域范围达到131°。

图7 常见反射面天线垂直方向增益Fig. 7 Vertical gain of common reflector antenna

图8 常见贴片天线垂直方向增益Fig. 8 Vertical gain of common patch antenna

从图5～8 可以看出，反射面雷达除了在主波瓣方向增益较大，在其他方向增益均较小；贴片天线在大范围内增益较均匀，但在大范围的方向上增益较大。

2.4 前门耦合最远可毁伤距离影响因素分析

对式（3）进行变形，可以提取出雷达耐受功率和增益、限幅器耐受功率的关系为

式中：Prlim为PIN 限幅器耐受功率；Rd为雷达的最远防护边界，即高功率微波武器在Rd范围外不能对雷达造成毁伤，在Rd范围内可以对雷达造成毁伤。从式（4）可以看出，在高功率微波武器攻击状态不变的情况下，雷达最远防护边界与增益成正比，与限幅器耐受功率成反比。

3 雷达防护能力对比分析

设高功率微波武器发射信号脉冲峰值功率5 GW，频率1.58 GHz，信号脉宽2 μs，天线主瓣增益12 dB，水平极化。采用图5～8 所示天线的雷达作为被攻击目标，设雷达工作频率同为1.58 GHz，均为水平极化。反射面天线采用PIN 限幅器，耐受脉冲功率1 kW@2 μs，通道损耗3 dB；有源相控阵雷达采用贴片天线组成相控阵阵面，采用PIN 限幅器进行防护，耐受脉冲功率100 W@10 μs，通道损耗1.5 dB。由文献［15-16］可知，当脉冲宽度超过1 μs 时，PIN限幅器内部进入热平衡状态，毁伤功率基本为一定值。因此，在本文中不计算脉宽的影响，仅按照上文中器件标示的耐受功率进行计算。

假定高功率微波武器搭载在巡航导弹上进行攻击，飞行高度正好与天线中心持平，且能够实时调整攻击姿态，确保攻击时高功率微波波束中心始终面向雷达。则可通过式（3）和上文耐受功率计算反射面雷达和有源相控阵（贴片天线）雷达在不同水平方向的最大生存距离，结果如图9 所示。可以看出，当高功率微波武器正好处在雷达主瓣中心时进行攻击，反射面雷达在距高功率微波武器10 562 m 距离外可生存，贴片天线雷达在877 m 外可生存，反射面天线防护能力约为贴片天线的1/12。当高功率微波武器偏离雷达天线主波瓣时，反射面天线防护能力急剧增加，甚至在方位角±6°范围外全部压缩到100 m 以内。而贴片天线雷达由于波束较宽且比较均匀，导致在很大角度范围内防护能力不如反射面天线。

图9 2 种雷达在水平面上最远防护边界Fig. 9 Farthest protective boundary of the two radars on the horizontal plane

假定高功率微波武器搭载在航空炸弹上进行攻击，在一定距离进行自由落体，且高功率微波弹引爆时正好处在主波瓣方向或相反方向，则对于不同距离上的高功率微波弹，2 种不同体制雷达的防护边界如图10 所示，水平距离正为主瓣方向，负为相反方向。

图10 2 种雷达在垂直面上的最远防护边界Fig. 10 Farthest protective boundary of the two radars in the vertical plane

当高功率微波弹位于主波瓣垂直方位和偏离45°时，防护边界高度图如图11，12 所示。可以看出，只有在极低的范围内，高功率微波弹处于反射面主波瓣范围附近时，反射面天线雷达防护能力弱于贴片天线雷达。

图11 偏离主瓣90°方位的垂直方向最远防护边界Fig. 11 Farthest protective boundary in the vertical direction deviating from the main lobe orientation of 90°

图12 偏离主瓣45°方位切面的最远防护边界Fig. 12 Farthest protective boundary deviating from the main lobe of 45°

假设高功率微波引爆位置为以天线为中心的球面，在空中的任何一个方向均可以进行攻击。通过统计，反射面天线雷达防护能力比相控阵雷达弱的方位占比仅为全方向的0.585 4%。

通过以上分析可以看出，在采用高功率微波武器对雷达进行攻击时，在大角度范围内就可以在远距离上耦合很大功率进入有源相控阵雷达天线。而攻击反射面天线雷达时，只有主波瓣方向上才能耦合较大功率，其他方向增益很小，相当于进行了空域滤波。但主波束很窄，留给高功率微波武器瞄准雷达天线主瓣进行攻击的时间窗口很短，否则就需要到达很近的距离进行攻击。因此，反射面天线雷达增加了高功率微波武器攻击的困难程度，能更有效地进行自我防护。

4 结束语

本文通过对高功率微波武器攻击雷达时天线不同方向增益对防护能力的影响，从空域滤波的角度考虑雷达的防护性能，理论分析了反射面天线和有源相控阵天线2 种不同体制雷达波束特性和抗高功率微波前门耦合攻击毁伤中的优缺点。并以某两型雷达装备为例，通过仿真实验，证明了在相同攻击条件下，相较于有源相控阵阵天线，只有高功率微波武器处于反射面雷达天线的主瓣附近时，反射面雷达的防护能力弱于有源相控阵雷达；偏离主波瓣较远时，反射面天线耦合能量较小，且限幅能力更好。反射面天线雷达增加了高功率微波武器攻击的困难程度，在面对高功率微波武器攻击时，有更大概率能更有效抗击高功率微波武器的攻击。下一步需更深入研究的问题是如何基于战场对抗的实际环境和攻击过程对雷达装备抗高功率微波能力进行精确评估。