孟 澤，柴晉飛，王劍峰

(1.中國(guó)人民解放軍駐七八四廠軍事代表室，四川 成都 610051;2.成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川 成都 610051)

相控陣?yán)走_(dá)在高功率微波彈攻擊下的生存能力分析

孟 澤1，柴晉飛1，王劍峰2

(1.中國(guó)人民解放軍駐七八四廠軍事代表室，四川 成都 610051;2.成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川 成都 610051)

高功率微波彈作為一種針對(duì)電子設(shè)備的新型武器，對(duì)雷達(dá)等電子設(shè)備的生存能力帶來(lái)了新的威脅。分析了高功率微波彈毀傷相控陣?yán)走_(dá)的機(jī)理，對(duì)2種不同天線形式的相控陣?yán)走_(dá)在遭受高功率微波彈攻擊時(shí)的生存能力進(jìn)行了仿真分析。

相控陣?yán)走_(dá)；天線形式；高功率微波彈；安全距離

0 引 言

高功率微波彈是一種利用定向發(fā)射的高功率微波束毀壞和干擾敵方武器系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和通信鏈路中的敏感電子部件的定向能武器，這種武器輻射的頻率一般在1～300 GHz 范圍內(nèi), 脈沖功率在吉瓦級(jí)。一維相控陣?yán)走_(dá)是各國(guó)裝備量較大的一種雷達(dá)，在受到高功率微波彈攻擊下的生存能力近年來(lái)備受關(guān)注。本文重點(diǎn)分析2種相掃形式的相控陣?yán)走_(dá)在面對(duì)高功率電磁脈沖時(shí)的生存能力。

1 高功率微波彈的毀傷機(jī)制

1.1 高功率微波彈的組成結(jié)構(gòu)

高功率微波彈通常由初級(jí)能源、高功率微波發(fā)生器、發(fā)射天線和其他配套設(shè)施組成。它將高功率微波源產(chǎn)生的高能微波由定向天線向空間發(fā)射形成高強(qiáng)度的具有破壞效應(yīng)的微波射束，主要用于攻擊敵信息鏈節(jié)點(diǎn)中的電子系統(tǒng)。圖1是高功率微波炸彈的組成示意圖。

1.2 投送方式

根據(jù)投送平臺(tái)不同，高功率微波彈可分為戰(zhàn)斗機(jī)或巡航彈2種投放方式[1]。作戰(zhàn)時(shí)，高功率微波彈通過(guò)載機(jī)或自動(dòng)巡航到達(dá)目標(biāo)上空，并在目標(biāo)上空一定的高度爆炸，對(duì)地面一定范圍內(nèi)的電子設(shè)備進(jìn)行破壞。

1.3 耦合途徑

高功率微波彈主要通過(guò)“前門”和“后門”耦合到目標(biāo)中的電子系統(tǒng)，從而產(chǎn)生破壞效應(yīng)。前門耦合模式系指高功率微波彈所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量，耦合進(jìn)入雷達(dá)或通訊裝備系統(tǒng)的天線。因?yàn)樘炀€本身的設(shè)計(jì)就是提供微波能量耦合的通路，因此也是高功率微波彈的能量進(jìn)入目標(biāo)的一個(gè)有效途徑，并造成電子設(shè)備本體的破壞與傷害。后門耦合模式系指高功率微波炸彈產(chǎn)生的短暫電流或駐波，引起的電磁場(chǎng)耦合進(jìn)入固定電線(纜)所造成的耦合效應(yīng), 此時(shí)，電線(纜)所連結(jié)的電子設(shè)備(雷達(dá)或通訊裝備)會(huì)間接受到傷害,屏蔽不好的電子設(shè)備將被直接燒毀[2]。

1.4 高功率微波彈對(duì)電子系統(tǒng)的作用

對(duì)于“后門”偶合效應(yīng)，高功率微波武器對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生的作用可分為干擾、“軟殺傷”、“硬殺傷”3個(gè)方面[3]：

(1) 干擾作用

當(dāng)0.01～1 μW/cm2功率密度的微波束照射目

標(biāo)時(shí)，能干擾在相應(yīng)頻段上工作的雷達(dá)、通信設(shè)備和導(dǎo)航系統(tǒng)；當(dāng)功率密度達(dá)到0.01～1 W/cm2時(shí)，可導(dǎo)致雷達(dá)、通信和導(dǎo)航設(shè)備的微波器件性能下降或失效，還會(huì)使小型計(jì)算機(jī)芯片失效或被燒毀。

(2) “軟殺傷”作用

當(dāng)功率密度為10～100 W/cm2的強(qiáng)微波束照射目標(biāo)時(shí)，可使工作在任何波段的電子元、器件失效，其輻射形成的電磁場(chǎng)，可在金屬目標(biāo)的表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)天線、導(dǎo)線、金屬開(kāi)口或縫隙進(jìn)入飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、坦克等武器系統(tǒng)的電子設(shè)備的電路中；如果感應(yīng)電流較大，會(huì)使電路功能產(chǎn)生混亂，出現(xiàn)誤碼、中斷數(shù)據(jù)或信息傳輸，抹掉計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)或記憶信息等；如果感應(yīng)電流很大，則會(huì)燒毀電路中的元器件，使電子裝備和武器系統(tǒng)失效。

(3) “硬殺傷”作用

高功率微波具有軟殺傷效能，還具有硬殺傷破壞效能，當(dāng)使用功率密度為1 000～10 000 W/cm2的強(qiáng)微波束照射目標(biāo)時(shí)，能在瞬間摧毀目標(biāo)、引爆炸彈、導(dǎo)彈、核彈等武器。

高功率微波對(duì)電子設(shè)備的效能如表1所示(這里的功率均為脈沖功率)，根據(jù)表1中的功率密度量級(jí)，若高功率微波彈釋放的強(qiáng)電磁脈沖在電子設(shè)備表面的功率密度大于等于0.01 W/cm2，即可導(dǎo)致電子設(shè)備損壞。

表1 不同功率密度的高功率微波對(duì)電子系統(tǒng)的效應(yīng)

對(duì)于“前門”耦合效應(yīng)的作用，需要計(jì)算高功率脈沖彈所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖從天線進(jìn)入雷達(dá)各環(huán)節(jié)后的微波功率。如果雷達(dá)任一環(huán)節(jié)的微波功率超過(guò)該環(huán)節(jié)電路的功率燒毀閾值，均會(huì)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生毀傷作用。

2 高功率脈沖彈對(duì)電子設(shè)備的毀傷模型

2.1 典型高功率脈沖彈參數(shù)

目前美軍裝備的MK84 型高功率微波彈長(zhǎng)3.84 m，直徑0.46 m，總重量908 kg，高功率微波源脈沖功率Pt=1～10 GW，脈沖寬度τ=0.1～0.6 μs，工作頻率f=6 GHz(如圖2所示)。

在一些公開(kāi)發(fā)行的文獻(xiàn)中[4]，對(duì)該型號(hào)高功率脈沖彈的天線參數(shù)進(jìn)行描述，在這里直接使用這些參數(shù)：天線增益12.3 dB；天線波瓣寬度82°。

2.2 威力半徑及功率密度的計(jì)算

通常高功率微波彈都在空中爆炸，并向下輻射高功率電磁脈沖，起爆示意圖如圖所示3[5]。圖中起爆高度為h，是高功率微波彈波束中心離地面的距離，天線波束在地面上形成了張角為2θ0.5的圓錐形威力區(qū)，而圓錐底面圓為高功率微波彈的威力圓，威力圓內(nèi)的電子設(shè)備是電磁脈沖彈的主要攻擊對(duì)象，其半徑R稱為威力半徑，則：

(1)

設(shè)高功率微波彈功率為Pt，發(fā)射增益為G，圓中心點(diǎn)“O”功率密度為S1，圓邊點(diǎn)功率密度為S2，圓內(nèi)各點(diǎn)的功率密度大于S2。在威力圓中心處電磁脈沖彈發(fā)射天線的增益最大，由于θ0.5為天線的半功率角，可取圓邊上各點(diǎn)增益為天線最大輻射增益的一半，則：

(2)

(3)

3 一維相掃雷達(dá)生存能力分析

3.1 雷達(dá)天線體制

在文中提及的電磁脈沖彈工作頻率為6 GHz，由于對(duì)強(qiáng)電磁脈沖彈的資料較少，為了便于比較，假設(shè)有2部工作頻率同樣為6 GHz的相控陣?yán)走_(dá)，2部雷達(dá)的天線口徑相同(3 m×2.5 m)，都采用行線源形式，2部雷達(dá)的行線源都為50行。在分析時(shí)按一維相掃雷達(dá)發(fā)射機(jī)和天線體制的不同，將一維相掃雷達(dá)分為兩大類：

(1) 采用真空管放大器或固態(tài)的集中饋電體制相控陣?yán)走_(dá)

這類雷達(dá)其功率放大器件通常為速調(diào)管、行波管及前向波管等真空放大器件，由于真空管放大器具有峰值功率高的特點(diǎn)，可直接將信號(hào)放大到所需量級(jí)，通過(guò)集中饋電的形式，直接將大功率微波信號(hào)輸送至天線。

而采用集中饋電形式的相控陣?yán)走_(dá)，由于其發(fā)射置相須在大功率下進(jìn)行，所以一般采用真空管放大器、集中饋電體制的相控陣?yán)走_(dá)，所采用的移相器為鐵氧體移相器，這類相控陣?yán)走_(dá)的典型代表為英國(guó)的AR327雷達(dá)、美國(guó)的AN/TPS-75(V)雷達(dá)，其天饋系統(tǒng)組成示意圖通常如圖4所示。

(2) 采用固態(tài)放大器的分布式饋電體制相控陣?yán)走_(dá)

這類雷達(dá)的功率放大器件通常為砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(一般稱固態(tài)微波功率管)，由于固態(tài)放大管具有低峰值功率、高占空比的特點(diǎn)，所有采用這類發(fā)射機(jī)的相控陣?yán)走_(dá)通常采用分布式發(fā)射體制，所有的能量在空間合成。

由于這類雷達(dá)采用分布式全固態(tài)發(fā)射體制，每個(gè)組件輸出的峰值功率都較小，進(jìn)行收發(fā)置相的移相器大多選用小功率的光電二極管(PIN)移相器，這類相控陣?yán)走_(dá)的典型代表為法國(guó)的MASTER-M雷達(dá)、美國(guó)的AN/TPS-59(V)3雷達(dá)，其天饋系統(tǒng)組成示意圖通常如圖5所示。

3.2 生存能力分析方法

采用以下方法對(duì)一維相掃雷達(dá)在高功率微波彈威脅下的生存能力進(jìn)行分析：

(1) 根據(jù)高功率微波彈的參數(shù)計(jì)算出高功率微波彈在不同高度爆炸時(shí)所形成的威力半徑；

(2) 根據(jù)高功率微波彈爆炸高度計(jì)算出其威力半徑內(nèi)不同距離段上雷達(dá)天線所承受的功率密度；

(3) 分別計(jì)算2種不同天線體制的一維相掃雷達(dá)在高功率微波彈威力半徑內(nèi)通過(guò)“前門”及“后門”進(jìn)入的強(qiáng)電磁脈沖不造成器件燒毀安全距離；

(4) 綜合2種體制雷達(dá)的“前門”及“后門”安全距離，得到綜合安全距離，通過(guò)安全距離的遠(yuǎn)近比較2種不同天線體制的一維相掃雷達(dá)的生存能力，安全距離離高功率微波彈爆炸點(diǎn)近的雷達(dá)其生存能力高于安全距離離高功率微波彈爆炸點(diǎn)遠(yuǎn)的雷達(dá)。

3.3 雷達(dá)安全距離估算

3.3.1 威力半徑計(jì)算

在進(jìn)行威力半徑計(jì)算時(shí)，根據(jù)圖3所示的電磁脈沖彈爆炸方式，按式(1)計(jì)算出電磁脈沖彈在不同高度爆炸時(shí)的威力半徑(如表2所示)。

表2 不同起爆高度下的威力半徑

3.3.2 雷達(dá)在威力半徑內(nèi)接收到的電磁脈沖強(qiáng)度

計(jì)算雷達(dá)在威力半徑接收到的電磁脈沖強(qiáng)度時(shí)，按照式(2)和式(3)分別計(jì)算當(dāng)電磁脈沖彈在不同高度下起爆，其威力半徑內(nèi)各點(diǎn)雷達(dá)天線所接收到的功率密度，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6中的每一條曲線對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)代表高功率微波彈在不同高度爆炸時(shí)形成的威力半徑，縱坐標(biāo)代表雷達(dá)在高功率微波彈威力半徑內(nèi)耦合到的功率密度值。

3.3.3 安全距離計(jì)算

(1) “后門”耦合安全距離

在計(jì)算后門耦合安全距離時(shí)，必須考慮雷達(dá)自身的電磁屏蔽能力。目前雷達(dá)的電磁屏蔽能力通常按照電磁兼容的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般情況下其電磁屏蔽能力為15～30 dB之間，在這里均按20 dB取值，此時(shí)不同起爆高度下形成的威力半徑內(nèi)，耦合到雷達(dá)器件上的功率密度值如圖7所示。

根據(jù)表1中不同功率密度的高功率微波對(duì)電子系統(tǒng)的效應(yīng)計(jì)算，只有當(dāng)功率密度小于0.01 W/cm2(-20 dBW/cm2)才能保證電子器件不會(huì)燒毀，所以將0.01 W/cm2(-20 dBW/cm2)作為器件燒毀的閾值。

從圖7中可以看到，當(dāng)高功率微波彈的爆炸高度在1 000 m，雷達(dá)距離爆炸中心點(diǎn)超過(guò)300 m時(shí)，耦合到雷達(dá)的功率密度才小于燒毀閾值，將該點(diǎn)作為雷達(dá)安全距離的臨界點(diǎn)。

(2) “前門”耦合安全距離

在進(jìn)行前門耦合安全距離計(jì)算時(shí)，主要考慮通過(guò)天線接收后到每行線源后的電磁脈沖功率，每行線源接收到的功率Pn可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中：S為到達(dá)雷達(dá)天線的功率密度；A為雷達(dá)天線面積(按3.1中取值為3 m×2.5 m=7.5 m2)；M為雷達(dá)天線行線源數(shù)(按3.1中取值為50行)。

則電磁脈沖彈在50～3 000 m高度爆炸時(shí)，雷達(dá)在威力中心點(diǎn)及威力半徑點(diǎn)每行線源所接收到的強(qiáng)電磁脈沖功率如圖8所示。

在進(jìn)行前門耦合安全距離估算時(shí)，還需對(duì)面陣天線內(nèi)的主要器件進(jìn)行分析。采用真空管集中式發(fā)射體制的雷達(dá)在行線源后采用鐵氧體移相器進(jìn)行收發(fā)置相，由于鐵氧體移相器自身特點(diǎn)，其工作最大峰值功率近百千瓦，工作平均功率達(dá)到數(shù)百瓦。

若在平均功率保持?jǐn)?shù)百瓦量級(jí)的情況下，峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦甚至更大時(shí)，也只會(huì)造成短時(shí)間的移相精度下降，不會(huì)造成移相器損壞，在強(qiáng)電磁脈沖通過(guò)后移相精度會(huì)很快恢復(fù)正常。在這里為便于比較，采用全固態(tài)分布式放射發(fā)射體制的雷達(dá)，其收發(fā)(T/R)組的抗燒毀功率通常僅為200 W(23 dBW)左右。

若按T/R組件抗燒毀功率為200 W(13 dBW)計(jì)算，那么只有當(dāng)每行行線源接收到的功率小于200 W(13 dBW)才能保證電子器件不會(huì)燒毀，所以將200 W(13 dBW)作為器件燒毀的閾值。

從圖8中可以看到，當(dāng)高功率微波彈的爆炸高度為2 000 m，雷達(dá)在距離爆炸中心點(diǎn)超過(guò)1 000 m的距離時(shí)，雷達(dá)行線源接收到的功率才小于燒毀閾值，也將該點(diǎn)作為雷達(dá)安全距離的臨界點(diǎn)。

采用真空管發(fā)射機(jī)集中饋電的雷達(dá)，由于其鐵氧體器件峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦時(shí)也不會(huì)燒毀，理論上即使強(qiáng)電磁脈沖彈在距離雷達(dá)50 m高度爆炸，且雷達(dá)處于威力半徑的中心，從前門耦合進(jìn)入的強(qiáng)電磁脈沖也不會(huì)造成移相器燒毀(不考慮后門耦合)。

3.3.4 生存能力分析

當(dāng)雷達(dá)處于高功率微波彈的威力半徑內(nèi)時(shí)，前門耦合和后門耦合效應(yīng)會(huì)同時(shí)作用，所以在估算雷達(dá)安全距離時(shí)，應(yīng)按照最小安全距離確定雷達(dá)的綜合安全距離。根據(jù)前述參數(shù)，2種體制的一維相掃雷達(dá)的綜合安全距離如表3所示。

當(dāng)“前門”和“后門”耦合安全距離差距較大時(shí)，應(yīng)采取設(shè)計(jì)措施，提高較差一級(jí)的耦合安全距離，使得綜合安全距離得到有效提高，如采用真空管放大器或固態(tài)的集中饋電體制相控陣?yán)走_(dá)，提高天線整體電磁屏蔽能力。

表3 2種不同體制的一維相掃雷達(dá)在高功率微波彈威力半徑內(nèi)的綜合安全距離

通過(guò)表3中2種體制一維相掃雷達(dá)的綜合安全距離比較，可以明顯得出，采用真空管發(fā)射機(jī)集中饋電體制的一維相掃雷達(dá)的生存能力優(yōu)于采用全固態(tài)分布式饋電體制的一維相掃雷達(dá)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一維相掃雷達(dá)在電磁脈沖彈攻擊下的生存能力，提出了一種分析方法，按此方法可進(jìn)行相控陣?yán)走_(dá)面對(duì)高功率脈沖彈時(shí)的生存能力評(píng)估，也可作為完善雷達(dá)抗高功率沖彈的設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)分析可知，對(duì)于分別采用真空管發(fā)射機(jī)集中饋電體制和全固態(tài)分布式饋電體制的2種一維相控陣?yán)走_(dá)，當(dāng)具有相同電磁屏蔽能力時(shí)，前者的生存能力明顯優(yōu)于后者。

[1] 姜百匯,米小川,查旭.國(guó)外電磁脈沖武器的應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2012(1):13-16.

[2] 翟岱亮,張晨新，胡帥江，等.高功率微波武器的性能分析及其防御[J].飛航導(dǎo)彈，2012(5)：62-65.

[3] 胡少飛,王偉力.高功率微波彈對(duì)雷達(dá)接收機(jī)保護(hù)器的毀傷[J].兵工自動(dòng)化，2009,28(5)：50-52.

[4] 許海龍,張金華.高功率微波彈殺傷效能分析[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2007,22(2):45-48.

[5] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

Viability Analysis of Phased Array Radar Attacked by High-power Microwave Bomb

MENG Ze1,CHAI Jin-fei1,WANG Jian-feng2

(1.Military Representative Office of PLA in 784 Factory,Chengdu 610051,China; 2.CEC Jinjiang Industrial Co.Ltd.,Chengdu 610051,China)

High-power microwave bomb is a kind of new weapon aiming at electronic equipments,which has brought new threats to the viability of electronic equipments such as radar.This paper analyzes the damage mechanism of high-power microwave bomb to phased array radar,simulates and analyzes the viability of phased array radar with two different antenna styles when it is attacked by the high-power microwave bomb.

phased array radar;antenna style;high-power microwave bomb;safe distance

2016-05-27

TN958.92

A

CN32-1413(2017)01-0029-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.006