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        相控陣?yán)走_(dá)抗高功率微波武器損毀能力分析

        2019-09-27 08:57:04任雪峰錢國棟
        雷達(dá)與對抗 2019年3期
        關(guān)鍵詞:前門高功率相控陣

        任雪峰,錢國棟

        (海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室,南京 210003)

        0 引 言

        高功率微波武器是一種新概念武器。它能定向發(fā)射GW量級的高功率脈沖電磁波,通過“前門”和“后門”進(jìn)入電子設(shè)備,干擾或毀壞內(nèi)部敏感電子器件,使設(shè)備失效甚至燒毀。這對雷達(dá)等電子設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

        高功率微波武器的防護(hù)是現(xiàn)代雷達(dá)等電子設(shè)備設(shè)計必須考慮的一個重要方面。業(yè)內(nèi)學(xué)者們對高功率微波武器對雷達(dá)的干擾毀傷原理、效果和防護(hù)方法等進(jìn)行了大量研究[1-4]。在對相控陣?yán)走_(dá)的毀傷和防護(hù)方面,文獻(xiàn)[5]分析了電磁脈沖彈彈道偏差等因素對相控陣天線陣面毀傷區(qū)域的影響。本文針對相控陣特點,對相控陣?yán)走_(dá)抗高功率微波武器毀傷能力進(jìn)行了分析,為相控陣?yán)走_(dá)的高功率微波武器防護(hù)設(shè)計提供參考。

        2 高功率微波武器攻擊原理

        高功率微波武器對雷達(dá)攻擊示意圖如圖1所示。

        圖1 高功率微波武器對雷達(dá)攻擊示意圖

        目前,高功率微波武器輸出功率能達(dá)GW量級,脈寬從幾納秒到幾百納秒,通過“前門”和“后門”兩途徑進(jìn)入電子設(shè)備,對電子設(shè)備進(jìn)行破壞?!昂箝T”是指設(shè)備的導(dǎo)線、動力電纜、電話線、失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞。電磁波能量通過它們耦合進(jìn)設(shè)備內(nèi)而造成破壞?!昂箝T”可以通過加強(qiáng)屏蔽的方法進(jìn)行防護(hù)。“前門”是指設(shè)備的天線等對外開放的通道。強(qiáng)電磁脈沖通過天線直接輸入到設(shè)備內(nèi)部,對脆弱的接收電路進(jìn)行破壞。相對于“后門”,“前門”是雷達(dá)的開放通道,是高功率微波武器防護(hù)的短板和薄弱環(huán)節(jié),雷達(dá)更容易受到攻擊而導(dǎo)致?lián)p毀。因此,在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計時重點考慮的是防護(hù)高功率微波武器的“前門”攻擊。

        高功率微波武器攻擊雷達(dá)“前門”就是發(fā)射高功率微波脈沖信號通過雷達(dá)天線直接進(jìn)入雷達(dá)設(shè)備內(nèi)部,破壞雷達(dá)接收保護(hù)電路,乃至后續(xù)電路,使接收通道不能工作,從而雷達(dá)被損毀。一般雷達(dá)在接收通道前端設(shè)有保護(hù)電路對抗高功率微波武器的“前門”攻擊,如圖2所示。當(dāng)小信號到達(dá)時,保護(hù)電路能幾乎無插損地通過;當(dāng)大功率信號到達(dá)時,保護(hù)電路對大功率信號進(jìn)行反射或吸收衰減,從而保護(hù)低噪放等后續(xù)電路接收機(jī)。但是,保護(hù)電路也有一定的功率容量。當(dāng)輸入到接收通道的信號功率非常大而超過其功率容量時保護(hù)電路會被燒毀,從而導(dǎo)致接收電路無法正常工作。常見的保護(hù)電路有真空放電管、固態(tài)PIN管限幅器等。真空放電管體積相對較大,一般用在傳統(tǒng)雷達(dá)中,功率容量能達(dá)十kW到幾十kW量級[3]。固態(tài)PIN管限幅器體積小,在相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中大量使用,對于μs級以下脈沖信號其功率容量能達(dá)kW量級[6]。

        圖2 接收通道前端框圖

        3 抗損毀能力分析

        傳統(tǒng)雷達(dá)采用大口徑天線獲得所需空間分辨率的天線波束,采用機(jī)械方式實現(xiàn)波束的掃描控制,對空間目標(biāo)進(jìn)行探測,由天線、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)組成,原理如圖3所示。

        相控陣?yán)走_(dá)通過多個天線波束的合成獲得所需空間分辨率的天線波束,控制多個天線單元的幅度和相位實現(xiàn)波束的靈活變換,原理如圖4所示。

        圖3 傳統(tǒng)雷達(dá)原理框圖

        圖4 相控陣?yán)走_(dá)原理框圖

        相對于傳統(tǒng)雷達(dá),相控陣?yán)走_(dá)天線數(shù)量多,每個天線單元接一個收發(fā)通道,單個天線增益小。在相同的雷達(dá)性能指標(biāo)和高功率微波武器攻擊條件下,相控陣?yán)走_(dá)每個通道接收到的信號功率小,從而具有更強(qiáng)的抗高功率微波武器“前門”損毀能力。

        高功率微波武器發(fā)射的高功率微波經(jīng)過空間傳輸后進(jìn)入雷達(dá)接收通道,雷達(dá)天線處的功率密度為

        (1)

        其中,Pt為高功率微波武器發(fā)射脈沖功率,Gt為高功率微波武器天線發(fā)射增益,R為高功率微波武器與雷達(dá)之間的距離,L為損耗(含極化損耗、大氣損耗、饋線損耗等)。

        進(jìn)入接收通道的信號功率為

        (2)

        其中,Ar為雷達(dá)天線有效接收面積,Gr為雷達(dá)天線接收增益,λ為工作波長。

        由式(2)可知,高功率微波武器天線主瓣瞄準(zhǔn)雷達(dá)進(jìn)行攻擊時,進(jìn)入雷達(dá)接收通道的信號功率Pr與雷達(dá)天線增益Gr有關(guān),而受雷達(dá)天線方向圖的影響雷達(dá)天線各方向的增益不同。雷達(dá)工作時,天線波束對空間進(jìn)行掃描探測,高功率微波武器可瞄準(zhǔn)雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)攻擊。當(dāng)雷達(dá)天線波束轉(zhuǎn)動且其主瓣對準(zhǔn)高功率微波武器天線主瓣時,進(jìn)入雷達(dá)接收通道的信號功率Pr最大,最容易損毀雷達(dá)。

        設(shè)高功率微波武器發(fā)射脈沖功率5 GW,頻率10 GHz,天線主瓣增益30 dB。設(shè)被攻擊的雷達(dá)工作頻率10 GHz,天線主瓣增益33 dB。對于傳統(tǒng)雷達(dá),接收通道保護(hù)電路采用真空放電管,脈沖功率容量10 kW;對于相控陣?yán)走_(dá),采用1 000個通道設(shè)計,單個通道天線增益4 dB,接收通道保護(hù)電路采用PIN限幅器,脈沖功率容量1 kW,設(shè)損耗為3 dB。

        高功率微波武器瞄準(zhǔn)雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)攻擊,高功率脈沖電磁波從雷達(dá)天線主瓣進(jìn)入接收通道。對于傳統(tǒng)雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá),進(jìn)入接收通道的脈沖信號功率隨距離變化如圖5所示。由圖5可知,對于傳統(tǒng)雷達(dá),高功率微波武器攻擊距離小于1 km時接收通道接收功率大于10 kW,接收通道被損毀;對于相控陣?yán)走_(dá),高功率微波武器攻擊距離小于110 m時,接收通道接收功率大于1 kW,接收通道被損毀。因此,在相同的條件下,相控陣?yán)走_(dá)“前門”抗高功率微波武器損毀能力強(qiáng),對于典型的設(shè)計,高功率微波武器要通過“前門”損毀相控陣?yán)走_(dá),攻擊距離約為是傳統(tǒng)雷達(dá)的1/10。

        圖5 進(jìn)入接收通道功率隨距離變化

        4 結(jié)束語

        由上分析,相控陣?yán)走_(dá)由于采用多天線合成所需波束,單個通道天線增益小,在相同條件下每個通道接收功率小。相對于相同天線增益指標(biāo)的傳統(tǒng)雷達(dá),相控陣?yán)走_(dá)抗高功率微波武器損毀能力強(qiáng)。高功率微波武器對相控陣?yán)走_(dá)的有效殺傷距離約為對相同指標(biāo)傳統(tǒng)雷達(dá)有效殺傷距離的1/10。

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