高偉偉，李敬軍，張 弟

(1.海軍航空大學(xué)，山東 青島 266041；2.解放軍91208部隊(duì)，山東 青島 266102)

0 引 言

目前，世界主要國家對高功率微波(HPM)武器的研究都非常重視，見諸報(bào)道的HPM武器包括微波炸彈、導(dǎo)彈和各類車載、艦載、機(jī)載及天基HPM武器系統(tǒng)等[1-4]，可以預(yù)見，其在未來的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)與電子戰(zhàn)中將有巨大的應(yīng)用空間。

國內(nèi)外針對HPM武器的研究方向目前主要集中在：HPM武器總體技術(shù)，涉及用于非致命拒止或定向能打擊的HPM武器系統(tǒng)及方法；HPM源，涉及磁絕緣振蕩器、虛陰極振蕩器、相對論磁控管、相對論回旋管、相對論回波管、相對論速調(diào)管等內(nèi)容；脈沖功率源，涉及高功率脈沖開關(guān)和脈沖功率源總體技術(shù)；HPM傳輸與發(fā)射技術(shù)，主要是針對常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)天線的改進(jìn)；HPM武器的效應(yīng)及防護(hù)，主要針對通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)避免遭受“前門”或“后門”耦合效應(yīng)導(dǎo)致的干擾甚至毀傷以及對相關(guān)電子器件產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行研究。然而，針對HPM武器的探測卻未見有相關(guān)研究。為避免敵方HPM武器的二次攻擊并實(shí)施有效反擊，確保己方的制勝權(quán)，現(xiàn)針對HPM武器首次攻擊脈沖測向的可行性進(jìn)行探討分析。

1 HPM武器的特點(diǎn)及危害

HPM作為一種強(qiáng)電磁脈沖，其目的是在戰(zhàn)爭行動或非戰(zhàn)爭軍事行動中使敵方的電子設(shè)備毀傷或影響作戰(zhàn)人員使其喪失作戰(zhàn)能力，具有峰值功率高、所處頻帶范圍寬、脈沖短、重頻低等典型特點(diǎn)[5-6]。

表1 美國研制的部分HPM源性能[7]

以美國研制的HPM源為例(見表1[7])，可見HPM的峰值功率可達(dá)GW級，脈沖寬度在ns級別，脈沖重復(fù)頻率則在kHz以下甚至是單次發(fā)射，且雖然所處頻率范圍較寬，但一般是窄帶信號。峰值功率越高、重復(fù)頻率越高，HPM武器對敵方造成的傷害越大，而脈寬越窄，窄帶信號處于越寬的頻帶范圍(1 GHz～300 GHz[7])，則使得HPM更難以被捕捉。

HPM武器根據(jù)功率大小的不同，通過天線、射頻前端等進(jìn)行“前門”耦合，設(shè)備縫隙、孔洞或金屬殼體感應(yīng)燈進(jìn)行“后門”耦合，可對通信、雷達(dá)、導(dǎo)航及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等電子系統(tǒng)設(shè)備造成干擾、功能紊亂、毀壞甚至引爆等不同程度的打擊。表2[8]顯示了不同輻射功率密度下HPM武器對電子系統(tǒng)設(shè)備的危害。

表2 HPM武器對電子系統(tǒng)設(shè)備的危害[8]

有研究表明，當(dāng)HPM距目標(biāo)1 km時(shí)，在其附近空域產(chǎn)生的功率密度可達(dá)200 W/cm2，而當(dāng)距目標(biāo)10 km時(shí)，在其附近空域產(chǎn)生的功率密度仍可達(dá)20 W/cm2[9]。

2 對HPM武器的被動測向

對于實(shí)施單次攻擊的微波炸彈或巡航導(dǎo)彈來說，很顯然對其發(fā)射的HPM進(jìn)行探測意義并不大，但對于可重復(fù)使用的HPM武器所發(fā)射脈沖進(jìn)行探測則有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

理想狀態(tài)下，敵方開始攻擊之前己方即可發(fā)現(xiàn)HPM武器所在位置；但若在HPM武器攻擊之前不能發(fā)現(xiàn)，己方第一時(shí)間對HPM武器發(fā)射的強(qiáng)脈沖進(jìn)行測量以確定其大致方向，配合其它探測系統(tǒng)，最終確定其方位，避免己方遭受二次攻擊并采取相應(yīng)戰(zhàn)術(shù)行動，則是一種次理想狀態(tài)。

因此，針對HPM武器發(fā)射脈沖特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮遠(yuǎn)場條件下單次HPM脈沖的測向方法，顯然須滿足全空域同時(shí)測向和單脈沖測向2個(gè)必要條件。要滿足全空域同時(shí)測向，搜索式方法不再適合，而要求能單脈沖測向，多脈沖方法也不再適合，這里考慮以下2種方式。

2.1 全向比幅單脈沖法

全向比幅單脈沖測向法可表述為[10]：運(yùn)用多個(gè)相互獨(dú)立且波束主瓣毗鄰的天線陣元覆蓋空域內(nèi)360°全方位，對同一個(gè)HPM脈沖信號來說，總有一對相鄰波束會輸出最強(qiáng)信號與次強(qiáng)信號，因此可通過對這一對信號的包絡(luò)幅度進(jìn)行比較確定來波方向。

圖1為典型的全向比幅四天線方向圖。圖中，相鄰天線的張角為θs=2π/N(N=4)，HPM脈沖方向偏離天線等信號強(qiáng)度方向?yàn)棣龋琋方向天線輸出信號最強(qiáng)，E方向輸出信號次強(qiáng)，通過對這2個(gè)方向信號的后續(xù)比較運(yùn)算可得出θ。全向比幅單脈沖法的方位截獲率較高，對各種天線方向圖函數(shù)適應(yīng)能力較強(qiáng)，但其測向精度較低。

圖1 全向比幅四天線方向圖

2.2 線性相位多模圓陣法

線性相位多模圓陣法是將N個(gè)全方向性天線陣元均勻布置在半徑為r的圓上，固定其中一個(gè)陣元0與圓心的連線為參考方向，對天線陣元接收到的HPM脈沖信號加權(quán)合成后進(jìn)行鑒相處理，從而可實(shí)現(xiàn)整個(gè)空域內(nèi)的無模糊測向。

圖2[10]顯示了線性相位多模圓陣天線陣元原理，陣元r與陣元0的夾角為2mπ/N，HPM入射方向?yàn)棣龋到y(tǒng)對N個(gè)天線陣元接收的信號進(jìn)行加權(quán)鑒相處理后得到θ方向。HPM的頻率只會影響線性相位多模圓陣天線輸出信號模的幅度而不會對相位造成影響，所以脈沖頻率的變化不會影響測向精度。

圖2 線性相位多模圓陣天線陣元圖

3 HPM單脈沖被動測向雷達(dá)要求

通過對HPM單脈沖測向分析，結(jié)合HPM的特點(diǎn)，考慮雷達(dá)系統(tǒng)要求。

3.1 單基地單脈沖被動雷達(dá)

首先，本文考慮的是接收HPM武器發(fā)射的脈沖并以其為信號源進(jìn)行測向，所以優(yōu)先選用被動雷達(dá)；其次，按前文分析，是要對HPM單脈沖進(jìn)行測向，須選用單脈沖測量雷達(dá)；最后，HPM武器是一種定向能武器，其攻擊不可能覆蓋整個(gè)空域，它會選定戰(zhàn)場某一方向進(jìn)行定向攻擊，而多基地雷達(dá)由于雷達(dá)分機(jī)間距較遠(yuǎn)，可能導(dǎo)致同一時(shí)刻僅有某一方向的雷達(dá)分機(jī)會截獲信號(或遭到攻擊)，所以多基地雷達(dá)不適用于對HPM武器的測向，應(yīng)選用單基地雷達(dá)。

綜上，針對HPM武器的被動測向應(yīng)選用單基地單脈沖被動測量雷達(dá)。

3.2 單基地單脈沖被動測向雷達(dá)結(jié)構(gòu)分析

典型的雷達(dá)接收機(jī)組成包括天線、濾波器、限幅器、低噪聲放大器、解調(diào)器、信號處理等幾個(gè)部分，如圖3所示，實(shí)際雷達(dá)接收機(jī)中可能并不包含所有部分。

圖3 典型雷達(dá)接收機(jī)組成框圖

雷達(dá)天線承載微波信號能量較強(qiáng)，對于遠(yuǎn)場HPM一般不會出現(xiàn)天線過載現(xiàn)象；有研究表明，HPM濾波器的功率容限很大，一般難于擊穿[11]；限幅器在應(yīng)對HPM時(shí)起到至關(guān)重要的作用，限幅器的性能好，后續(xù)電路可以得到有效的保護(hù)，反之，后續(xù)電路將不能正常工作甚至損毀；低噪聲放大器為了追求高靈敏度，往往是雷達(dá)接收機(jī)射頻前端中最為脆弱的環(huán)節(jié)，所以一般在設(shè)計(jì)時(shí)與限幅器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，依賴限幅器對其進(jìn)行保護(hù)；解調(diào)器(包括混頻、中頻等)是將微波變換為中頻甚至零中頻的環(huán)節(jié)，通過解調(diào)回波信號后進(jìn)行后續(xù)的信號處理等環(huán)節(jié)。

從上述分析可以看出，限幅器在雷達(dá)對HPM脈沖進(jìn)行測向時(shí)起到至關(guān)重要的作用。

3.3 限幅器的選擇

現(xiàn)今研究應(yīng)用較多的有PIN限幅器[12-15]、MOS限幅器[16-17]、等離子體限幅器[18-19]以及自適應(yīng)頻率選擇限幅器[20-21]。根據(jù)HPM特點(diǎn)，限幅器必須滿足大帶寬(最寬可達(dá)300 GHz)、高耐受功率、響應(yīng)迅速等要求。固體限幅器雖然響應(yīng)時(shí)間快，但是難以做到大帶寬和高功率要求，等離子體限幅器的響應(yīng)時(shí)間較固體限幅器稍長，卻可以滿足高功率要求，但同樣難以滿足大帶寬需求。表3[22]顯示了2類限幅器的性能差異。

利用頻率選擇表面和固體限幅器結(jié)合的方式構(gòu)成頻率選擇限幅結(jié)構(gòu)[20]或利用多工器與固體限幅器的組合形成頻率選擇限幅系統(tǒng)[21]的自適應(yīng)頻率選擇限幅器具有響應(yīng)時(shí)間快和滿足大帶寬的需求，但對高功率要求仍難滿足。綜上，若將等離子體與自適應(yīng)頻率選擇進(jìn)行綜合將會是較為理想的HPM限幅器，這里提出2種新型自適應(yīng)頻率選擇限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 2種新型限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4中限幅器的工作流程可以簡述為：接收到的HPM首先經(jīng)多工器帶通濾波(或頻率選擇表面選頻)后，信號判別電路確定HPM所處頻帶范圍，控制對應(yīng)頻帶范圍的等離子體限幅器導(dǎo)通，由等離子體限幅器對信號進(jìn)行反射與吸收，達(dá)到衰減HPM的目的，衰減后的信號同樣經(jīng)信號判別電路控制進(jìn)入相應(yīng)后續(xù)鏈路進(jìn)行信號處理，最終得到HPM武器的方向。

圖4(a)與圖4(b)的區(qū)別在于，在限幅器的前端一種是多工器，而另一種是頻率選擇表面。頻率選擇表面本質(zhì)是運(yùn)用具有周期性陣列結(jié)構(gòu)的人工電磁材料對電磁場能量分布重新分配[23]，可對HPM進(jìn)行反射或透射處理，可以看作一種特殊的空間濾波器[24]。多工器是將接收到的信號電流進(jìn)行帶通濾波處理，可以看做一種帶通濾波器，兩者雖然在本質(zhì)上有所區(qū)別，但這里起到的作用都是為了確定HPM的頻段范圍并進(jìn)行濾波處理。

信號判別電路主要由信號識別和微波開關(guān)兩部分組成，如圖5所示，其通過識別電路首先確定多工器(或頻率選擇表面)的哪一路有輸出，明確信號頻段，進(jìn)而控制對應(yīng)頻段微波開關(guān)開啟，保證后續(xù)相應(yīng)鏈路工作。

圖5 信號判別電路組成框圖

特別要說明的是，這里提出的限幅器結(jié)構(gòu)與已有限幅器一個(gè)較大的區(qū)別在于信號判別電路的添加。這是因?yàn)椋m然對未知HPM測量頻帶范圍要求非常寬，但實(shí)際情形中，HPM一般是窄帶脈沖信號[7]，其不可能貫穿整個(gè)雷達(dá)探測頻段，因此也就沒有必要使雷達(dá)電路一直處于全頻段工作狀態(tài)。信號判別電路有助于降低整個(gè)雷達(dá)接收鏈路工作量和延長限幅器壽命，并最終達(dá)到精準(zhǔn)處理HPM輸入的目的。

4 結(jié)束語

文章根據(jù)HPM的特點(diǎn)，提出運(yùn)用單基地單脈沖被動側(cè)向雷達(dá)對HPM武器進(jìn)行測向的設(shè)想，給出了可行的測向技術(shù)，并在分析限幅器在HPM測量中重要性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2種雷達(dá)限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。后續(xù)研究將重點(diǎn)對提出的新型限幅器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和HPM武器被動測向進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。