邰戰(zhàn)雄，阮毅，秦銀，滕新友

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

高功率微波技術(shù)是指微波信號(hào)的平均功率在千瓦以上的微波信號(hào)。平均功率在千瓦以上的微波，可以破壞和干擾保護(hù)嚴(yán)密的精密電子設(shè)備。因此，對(duì)高功率微波技術(shù)應(yīng)用的研究，有極大的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。微波武器對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生了巨大作用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是陸、海、空、天、電磁“五維一體”的立體聯(lián)合作戰(zhàn)，對(duì)設(shè)備的制電磁權(quán)已經(jīng)成為決勝的關(guān)鍵之一。高頻微波作為武器主要攻擊導(dǎo)彈和雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備發(fā)射高頻微波從而干擾、損傷、燒毀信息化武器的電子設(shè)備。

1 高頻微波技術(shù)的研究階段

截至目前，高功率微波技術(shù)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。20世紀(jì)70年代到80年代，高功率微波開(kāi)始能夠以幾百兆瓦的高功率輸出，并陸續(xù)提出了相對(duì)論返波管（1970年）、相對(duì)論磁控管RM（1976年）、虛陰極振蕩器（1977年）等典型微波源。20世紀(jì)80年到代90年代，美俄在以高功率設(shè)備為主的信息化武器領(lǐng)域展開(kāi)了功率競(jìng)賽，這一階段出現(xiàn)了各種大型高功率設(shè)備，微波武器輸出功率最高超過(guò)10GW，不過(guò)輸出設(shè)備體型大，能量轉(zhuǎn)化效率低。與此同時(shí)，吉瓦級(jí)重頻高功率微波以及長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生技術(shù)取得重大進(jìn)展，超寬譜高功率微波技術(shù)逐漸從實(shí)驗(yàn)室走入軍事應(yīng)用領(lǐng)域。21世紀(jì)后，高功率微波技術(shù)往設(shè)備小型化和能效提高的方向發(fā)展，研究重點(diǎn)為緊湊小型化HPM產(chǎn)生研究，數(shù)吉瓦超高功率及重復(fù)頻率HPM產(chǎn)生研究，長(zhǎng)脈沖HPM產(chǎn)生研究以及HPM鎖頻鎖相及功率合成技術(shù)研究。

2 微波前門(mén)注入受損研究

研究高功率微波對(duì)前門(mén)注入損傷效應(yīng)時(shí)，需要先進(jìn)行理論建模分析，并結(jié)合相關(guān)模擬微波注入的實(shí)驗(yàn)，對(duì)高功率微波損傷效應(yīng)最小系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和研究。

高功率微波前門(mén)注入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由微波源、功率放大器、隔離器、定向耦合器、環(huán)形器、待測(cè)設(shè)備、測(cè)試設(shè)備以及連接電纜組成，如圖1所示。微波前門(mén)注入受損實(shí)驗(yàn)采用編寫(xiě)軟件控制程序的方式進(jìn)行控制，操作者能夠?qū)Σ竭M(jìn)功率電平、實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)和關(guān)閉進(jìn)行便捷的操控，同時(shí)還能夠?qū)y(cè)量門(mén)限進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置，既可以把當(dāng)前點(diǎn)的值當(dāng)做實(shí)驗(yàn)觸發(fā)條件，還可以將第一次測(cè)量當(dāng)做觸發(fā)參考，這樣不僅能夠保證功率閾值的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，還能夠顯著降低操作者的工作量。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要做好各種實(shí)驗(yàn)樣品小信號(hào)信息的收集工作，主要包括電流特征、噪聲變化情況以及增益情況等。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)所選用的噪聲放大器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，漏極電流、柵極電流都非常小，采用電流鉗無(wú)法比較準(zhǔn)確地檢測(cè)到真實(shí)的電流大小，同時(shí)采用偏置電路的方式，存在一定的限流電阻，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中出現(xiàn)噪聲放大器損壞的情況，電流值浮動(dòng)的范圍也相對(duì)較小，無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)電流值。因?yàn)橄蘖麟娮璧淖柚挡粫?huì)發(fā)生變化，所以采用檢測(cè)漏極管腳電壓、柵極電壓的方式取代電流值檢測(cè)的方式，即如果噪聲放大器發(fā)生故障或者被損壞，采用檢測(cè)漏極電壓升降的方式取代原來(lái)檢測(cè)漏極電流的方式[1]。

具體實(shí)驗(yàn)如下：

（1）按照相關(guān)要求和規(guī)定，對(duì)實(shí)驗(yàn)中需要用到的各種儀器設(shè)備進(jìn)行連接，并在此基礎(chǔ)上將相應(yīng)的微波前門(mén)注入平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建起來(lái)。

（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品小信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，在這個(gè)過(guò)程中相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員要注意噪聲以及兩級(jí)漏極實(shí)際工作時(shí)的電壓值、小信號(hào)參數(shù)特性等指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行收集，之后基于此將小信號(hào)樣品參考數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建起來(lái)，并不斷加以完善。

（3）利用15cp/s脈沖功率將相應(yīng)信號(hào)持續(xù)注入低噪聲放大器中，同時(shí)實(shí)驗(yàn)人員要注意通過(guò)相應(yīng)的軟件對(duì)兩級(jí)漏極電性進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)，并詳細(xì)記錄低噪聲放大器的實(shí)際輸出功率值。

（4）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于達(dá)到預(yù)設(shè)門(mén)限的軟件，其功率輸出會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)需要拆下低噪聲放大器，直到設(shè)備恢復(fù)至正常狀態(tài)。

（5）拆卸所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)方面：其一，在進(jìn)行低噪放上電時(shí)需要按照先進(jìn)行柵極后進(jìn)行源極的方式，在進(jìn)行掉電時(shí)，則需要按照先進(jìn)行源極后進(jìn)行柵極的方式。其二，因?yàn)闃悠分g存在一定的差異，所以退化實(shí)驗(yàn)初始階段，需要把觸發(fā)門(mén)限設(shè)置的低一點(diǎn)，這樣能夠比較準(zhǔn)確、及時(shí)的捕捉噪聲退化的預(yù)知。其三，輸出設(shè)備種類(lèi)眾多，不僅包括信號(hào)源，還包括示波器、功率計(jì)等，尤其是功率較大的輸出設(shè)備，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，為了防止功率過(guò)大影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要在開(kāi)始階段安裝衰減器，同時(shí)還能夠防止設(shè)備探頭或儀器出現(xiàn)損壞。

3 前門(mén)通道（接收機(jī)）抗損實(shí)驗(yàn)

在向通信設(shè)施中注入高功率微波的能量耦合時(shí)，進(jìn)入載荷系統(tǒng)主要有兩種方法：一種是通過(guò)前門(mén)通道進(jìn)入；另一種是通過(guò)后門(mén)通道進(jìn)入。如果雷達(dá)接收機(jī)接收到的高功率微波是從前門(mén)接收天線傳入的，那么雷達(dá)接收機(jī)中的相關(guān)電子元器件就很容易受到較強(qiáng)電磁脈沖的影響[2]。

針對(duì)這種情況，在通過(guò)前門(mén)通道向通信設(shè)施注入高功率微波信號(hào)時(shí)，為了使通信系統(tǒng)在受到HPM壓制的情況下，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的通信鏈路有效的構(gòu)建起來(lái)，可以通過(guò)前門(mén)PIN二極管限幅器防護(hù)設(shè)計(jì)將抗HPM雙通道限幅接收模塊設(shè)計(jì)構(gòu)建起來(lái)，并結(jié)合微帶雙工器進(jìn)行綜合運(yùn)用。需要注意的是，所設(shè)計(jì)的雙工器應(yīng)具備以下特點(diǎn)：即具有較強(qiáng)的限幅功能、較高的隔離度、較小的尺寸以及較低的插值損耗。前門(mén)通道抗損實(shí)驗(yàn)基于系統(tǒng)角度，對(duì)抗毀傷策略對(duì)接收機(jī)在有效荷載前提下的影響程度進(jìn)行測(cè)試，將限幅器安裝在接收機(jī)中，同時(shí)測(cè)試在多種信號(hào)不同注入的情況下，接收機(jī)抗毀傷策略是否能夠發(fā)揮相應(yīng)的作用。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)限幅器把小信號(hào)傳遞至噪聲放大器，對(duì)噪聲的群時(shí)延抖動(dòng)、增益等情況進(jìn)行觀測(cè)，并和實(shí)施抗摧毀策略之前的情況進(jìn)行對(duì)比分析。如果群時(shí)延抖動(dòng)小于0.1ns、噪音增益下降小于1dB，噪聲系數(shù)上升沒(méi)有超過(guò)0.4dB，則表明采取的抗摧毀策略能夠?qū)υO(shè)備性能產(chǎn)生保護(hù)作用。利用連續(xù)波和脈沖信號(hào)對(duì)抗高功率微波造成的損壞程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，持續(xù)注入15min，測(cè)試完成后，進(jìn)行增益和噪聲系統(tǒng)等的實(shí)驗(yàn)，以此檢驗(yàn)采取的抗摧毀策略能夠具有保護(hù)作用。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中采用專(zhuān)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接電纜、測(cè)試裝置、限幅器、耦合器、衰減器以及微波源等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。注入高功率微波之后，將預(yù)備檢測(cè)的裝置安置在主路的通道，在脈沖發(fā)射器中形成重復(fù)頻率、脈沖寬度等各異的高功率微波信號(hào)，在功率放大器的作用下，將其傳遞至等待檢測(cè)裝置的輸入端口，等待檢測(cè)的裝置在檢波器與衰減器的共同作用下，和數(shù)字示波器進(jìn)行可靠的連接，并能夠在該數(shù)字示波器中對(duì)待測(cè)裝置的瞬時(shí)響應(yīng)情況進(jìn)行全面、真實(shí)、準(zhǔn)確的展示。

之后進(jìn)行相應(yīng)的仿真和測(cè)試，結(jié)果證明雙通道限幅接收模塊能夠?qū)PM的壓制進(jìn)行有效的抵抗，能夠充分保障通信鏈路的構(gòu)建。在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，為了更加全面、深入的研究和分析前門(mén)抗高功率波損傷措施，并對(duì)相關(guān)設(shè)備指標(biāo)是否受到影響以及受影響程度進(jìn)行充分的了解，還需要實(shí)驗(yàn)接收機(jī)前門(mén)通道抗損傷能力，從而使所采取的保護(hù)措施的可靠性得到充分的保證[3]。

考慮以上各種因素，所設(shè)計(jì)的功率放大器應(yīng)具備以下特點(diǎn)：一是理論功分比需達(dá)到正無(wú)窮；二是能夠?qū)Σ坏确止β蔬M(jìn)行便捷操作，之后將接地電阻接入到元件中，從而能夠與高功率應(yīng)用相適應(yīng)。通過(guò)電磁仿真對(duì)功率分配器進(jìn)行相應(yīng)的操作之后，還需要加工測(cè)試相應(yīng)的實(shí)物，最終的測(cè)試結(jié)果符合之前的仿真結(jié)果[4]。

4 無(wú)源電路

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)的功率放大器雖然具有較大的功率，并且能夠應(yīng)用到高功率的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，但是這無(wú)法充分滿(mǎn)足不等分設(shè)計(jì)，主要原因是難以對(duì)更高的功率進(jìn)模擬，這導(dǎo)致高功率傳輸技術(shù)的應(yīng)用以及高功率設(shè)備的加工受到了一定程度的限制。

因此，可以基于傳統(tǒng)功率放大器，利用新型片狀傳輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)高功率微帶功率放大器的寬帶化。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要重視區(qū)別普通微帶線與片狀結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布情況之間存在的差異，針對(duì)這種情況為了使功率放大器的小型化設(shè)計(jì)得以充分的實(shí)現(xiàn)，可以采取彎曲傳輸路徑的方法。就這種設(shè)計(jì)方法來(lái)說(shuō)，功率放大器的優(yōu)勢(shì)在于不需要借助高阻抗線就能夠?qū)Σ坏确止β史糯笃鬟M(jìn)行準(zhǔn)確的功率分比。與此同時(shí)，對(duì)于高阻抗線的功率容量也不需要進(jìn)行考慮，并且對(duì)于改進(jìn)之后的系統(tǒng)還能夠在很大程度上保證其在更高的功率中進(jìn)行有效的應(yīng)用[5]。

之后，利用電磁仿真以及測(cè)試實(shí)物后的結(jié)果顯示，與之前相比功率放大器寬帶提高了30%左右，并且尺寸同比減小50%左右，有利于實(shí)現(xiàn)不等分功率放大器功率分解以及設(shè)備小型化的目標(biāo)。

5 結(jié)論

總而言之，電磁干擾與高功率微波傳輸、測(cè)量等技術(shù)以及相關(guān)方面研究之間的聯(lián)系非常密切，其中與軍事項(xiàng)目應(yīng)用之間的聯(lián)系尤為緊密，再加上電磁、電熱等學(xué)科與高功率微波傳輸之間存在相互重疊的情況，因此對(duì)其實(shí)際情況往往難以使用傳統(tǒng)的Matlab數(shù)值模擬進(jìn)行全面、充分的描述。在本文的研究中，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究分析了射頻電路抗高功率微波技術(shù)問(wèn)題，之后有機(jī)地融合了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)，確保了最終結(jié)論的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，希望能夠?yàn)橐院笙嚓P(guān)方面的研究工作提供一些參考。