论高功率微波对脉冲多普勒无线电引信干扰的无效性

冯延彬，李国林，李春荣，路翠华

（1.海军航空工程学院，山东 烟台 264001；2.第二炮兵工程大学士官学院，山东 青州 262500；3.解放军93502部队，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

由于高功率微波的高功率、强耦合特性，无线电引信在近距离高功率微波作用下，其系统由于内部电子器件暂时失效或永久烧毁而受到破坏。如某型号脉冲多普勒引信的高功率微波效应实验表明：S波段微波功率密度大约在10W／cm2量级时，引信均出现暂时失效或早炸现象［1］。而在高功率微波功率未达到引信器件性扰乱或烧毁阈值前，即在非高功率微波器件物理损伤前提下，高功率微波信号能否达成对系统正常工作信号的攻击，形成干扰效应未见相应的研究。根据对GPS、计算机、控制系统等其他电子设备的研究，高功率微波可以对系统形成干扰［2－6］。但引信系统有其结构、使用等方面的特殊性和较强抗干扰能力，高功率微波能否形成干扰条件并干扰系统的运行应是高功率微波对无线电引信效应的重要研究内容之一。因此，本文研究空基高功率微波武器对脉冲多普勒引信的干扰效果。

1 高功率微波干扰信号来源

假设高功率微波武器装备在作战飞机上，飞机与导弹相向飞行，辐射方向沿飞机轴线向前。由于飞机的机动性比导弹差，这种空间位置决定了高功率微波进入引信接收机的功率会大幅度降低，达不到失效或烧毁要求，从而形成干扰信号源，其主要原因如下。

1.1 空间位置因素

受机载天线安装空间的局限，其高功率微波照射方向与无线电引信接收天线方向会不一致。从引战配合来说，高功率微波载机与加电的导弹引信相会时间最多为5s，甚至低于1s；从空间位置上，载机飞行员如果决定利用高功率微波武器对抗来袭导弹，须将天线正对导弹，因而需要相向而行。这种空间位置决定了高功率微波武器能量在交会前无法从引信天线主瓣波束进入。从引信天线旁瓣进入时，衰减很大。另外，部分导弹无线电引信信号处理电路还采取了副瓣对消等技术来降低干扰信号功率。

1.2 信号频率、极化方向以及接收天线的选择性

空基高功率微波武器依靠无线电引信“前门”作用实施攻击时，必然会有针对性地选择频段，尽量与雷达信号工作频段相同，并选择圆极化方式。如果选择频段相差较大，引信天线的选频特性以及系统中的高频滤波器会给非工作频段内的能量以较大的衰减。如果无线电引信天线间的极化方向也为圆极化，但方向相反，那么进入引信内部的功率理论上为零。

1.3 限幅器

微波限幅器作为一种重要的抗大信号干扰器件开始被应用在先进的引信接收机系统中，用于保护接收机中后级低噪声放大器、混频器、模数转换器等敏感器件，避免这些器件被带内和带外的高功率信号烧毁。输入限幅器的高功率信号大部分被旁路掉。限幅的结果是只有限幅后的信号符合引信系统的输入要求。如MA4L022限幅二极管，可承受100 W以上的脉冲功率冲击，可将45dBm的输入信号限幅至25dBm以下。

具体考虑引信所处的高功率微波环境，从干扰的角度，无线电引信所处的高功率微波环境信号具备了干扰的基本要求，有如下特点：

1）信号足够大。由于是近距离作用，高功率微波信号的功率完全胜任干扰的需要。

2）高功率微波属窄带，能量相对集中（90%的能量分布在带宽内）。

3）信号属于规律性重复脉冲。机载高功率微波武器脉宽一般在100ns级，信号重复率为1Hz～1kHz。

2 干扰无效的逻辑分析

为方便分析，引信研究对象选定为脉冲多普勒无线电引信。这是目前主战装备常用选型。美国的AIM－120、挪威的Nasmas、意大利的Aspide以及英国的“天空闪光”导弹等空空导弹均采用了此类引信。

2.1 几何位置分析

引信天线接收能力受机载高功率微波武器方向与无线电引信接收天线方向空间位置影响最大。通常，高功率微波武器的天线方向始终对准目标，并跟踪目标位置。

图1 空空导弹与目标位置关系图Fig.1 Location relationship of air－to－air missile and target

通常典型空空导弹无线电引信天线主瓣和弹轴倾角为αH＝60°±2°，主瓣波束宽度为θH－3dB＝9°±1°。先进的引信天线在目标方向无旁瓣。即使有旁瓣可以进入，而主副瓣电平比通常不小于20dB。

引信与高功率微波武器空间位置决定了在载机未进入导弹引信作用区前，高功率微波武器能量无法从引信主瓣波束进入，进入导弹引信的可以是旁瓣信号和近距离的散射干扰信号。因此，高功率微波高功率微波武器不能对导弹产生毁伤效应。引信加电开机前，来袭导弹已被空基高功率微波武器目标感知系统感知，高功率微波武器处于发射状态，其天线所指方向即为导弹方向。此时，导弹与战机尚未进入交会段，机－弹连线与弹轴夹角很小，如图1所示。假设载机速度为V1＝300m／s，导弹速度为V2＝1 000m／s，导弹按比例导引，考虑不同的导弹来袭方位，载机位置与导弹位置连线和导弹实际运动轨迹之间夹角的最大值为：

2.2 信号流程分析

脉冲多普勒引信发射脉冲受目标距离调制，飞机与导弹间相对运动产生的多普勒频率。信号从天线进入，并经环流器进入接收机。

图2 脉冲多普勒引信原理图Fig.2 Principle diagram of pulse Doppler radio fuze

脉冲多普勒引信信号流程见图2。高功率微波信号要进入信号处理部分，首先受到发射接收开关的衰减，该开关的作用是发射脉冲期间关闭接收机，发射脉冲结束后，开关打开，使回波进入混频器。

其次受距离门脉冲宽度影响。只有在距离门脉冲期间，来自目标的信号才能进入混频器，而距离门以外的干扰信号则被抑制。混频器内，回波信号同本振信号混频，产生受多普勒信号调制的双向视频信号，并进入中频滤波器。如果高功率微波信号与本振混频后产生的中频信号偏差较大，则受到较大的衰减。

外差式脉冲多普勒引信发射的脉冲是一种大占空比系数的脉冲。根据对现有脉冲多普勒引信的统计，一般调制脉冲宽度在0.8～4μs之间，调制脉冲重复周期为30～50μs。根据假设，则高功率微波从前门进入的窗口时间（距离门脉冲宽度）与工作时间（调制脉冲重复周期）之比为1／60～1／10之间，但窗口开启并不代表有高功率微波脉冲的进入。

根据高功率微波武器所处的环境，假设高功率微波脉冲宽度100ns，重复率为1kHz，则其占空比为1／104。假设距离门脉冲宽度为2μs，调制脉冲重复周期为40μs。

分析1ms内情况，高功率微波武器发射高功率微波脉冲数为1，假设调制脉冲分布均匀，引信1ms内收到的调制脉冲数为：

有信号的时间为2n个距离门脉冲时间，即50μs。在1ms内，高功率微波从前门进入的窗口概率为50／1 000＝1／20。

而高功率微波信号进入后仅影响一个回波脉冲，由于脉冲宽度远远大于高功率微波信号宽度，故产生影响可能性不大。

再次是受信号相干检测影响。部分外差式脉冲多普勒引信是将发射信号的一部分，经微波延时线延时，再与回波信号进行相干检测。相干检测要求发射载波信号在发射若干个连续的脉冲时，必须具有一个固定的相位参考。只有当两个脉冲可以看作是从同一个连续稳定的正弦波上截取下来的时，才被认为是相干的。距离门和多普勒滤波器起到自相关处理的作用，本振信号才会通过由相干检测结果控制的距离门微波开关电路加至混频器。由于高功率微波信号与引信发射信号不相干，作为干扰信号的高功率微波信号自然无法通过混频器。

流程分析说明：1kHz重复度的高功率微波只能影响回波的一个脉冲，不能作为干扰信号通过混频器。

3 仿真与试验验证

逻辑分析的正确性与否需采用验证。仿真方法采用时域有限差分法（FDTD）求解引信天线与高功率微波的耦合效应，然后将高频电磁场转化为天线的端口电压文件，再将其引入行为级仿真软件（Agilent Systemvue）建立的电子设备仿真系统，进行场路结合的方法进行仿真。

3.1 损毁无效

首先建立天线模型，仿真天线感应电压。为此，设计一个缝隙单元在波导宽边中心线一侧排列的16阵元波导缝隙天线［7－9］，模型如图3所示。

图3 16阵元波导宽边缝隙天线模型Fig.3 16elements array waveguide slot antenna model

图4为仿真引信天线的天线场分布三维方向图，主波束宽度仅为4.5°，且不存在前向旁瓣。

利用FDTD方法计算出天线远场方向图如图5所示，可见天线最大增益为17.7dB，副瓣电平小于15dB，主瓣倾角65°。从图5可知，与弹轴倾角20°内增益为－25dB左右。

图4 天线远场分布三维方向图Fig.4 Antenna’s far field distribution of a three－dimensional pattern

图5 天线远场分布仿真结果Fig.5 Far field distribution simulation results of antenna

为使天线获得最大的感应信号，高功率微波选用圆极化高斯脉冲平面波，沿主瓣以倾角65°辐照无线电该引信天线。入射波电场强度设为10kV／m。由FDTD方法仿真提取天线端口感应电压的时域波形如图6所示。

图6 高功率微波辐照下引信天线耦合电压Fig.6 Coupling voltage of the fuze antenna by HPM irradiation

如果高功率微波武器与导弹处于同一轴线，以0°～20°角度照射来袭导弹，根据图5所示，引信天线端口感应电压将下降25dB，主瓣照射时感应电压按170V计，则零角度辐照时仅为0.54V。根本不具备对器件毁伤的电压要求。

3.2 干扰无效

在Systemvue软件中，建立脉冲多普勒无线电引信系统仿真模型。主要包括：脉冲信号发生器、发射机、天线、接收机等部分，建立引信系统仿真模型如图7所示。

图7 引信系统仿真模型Fig.7 Behavioral model of the PD fuze

按照图8所示方式，将高功率微波在天线上耦合电压数据添加到引信系统仿真回路中。

图8 天线端口模块Fig.8 Antenna port module

首先在无干扰下，对混频输出的信号进行仿真，获得正常的时、频域视频信号，仿真结果如图9所示。

图9 正常视频信号时、频域波形Fig.9 Normal video signal waveform in time domain and frequency domain

其次考察高功率微波单次照射情况。高功率微波信号经天线耦合以脉冲形式耦合进入引信系统，与本振信号混频，产生的视频信号如图10所示。高功率微波重复频率为1kHz，则每1ms发射一个脉冲，脉冲时长为100ns，进入导弹引信内，只影响正常信号的1个脉冲，从而使输出的视频信号频域变化不明显。此时通过包络检波可正常检出多普勒信号，不影响引信的正常工作。

假设高功率微波信号经天线以连续波形式耦合进入引信系统，产生的视频信号如图11所示。由于干扰太强，输出信号的包络频率非常不明显，此时通过包络检波检出多普勒信号已不可能，从而影响引信的正常工作。

图10 单次照射的视频信号时频域波形Fig.10 Video signal in time domain and frequency domain at HPM single irradiation

图11 连续照射的视频信号时频域波形Fig.11 Video signal at HPM continual irradiation

在连续干扰情况下，对信号加限幅器，虽然干扰情况有所好转，但仍不能解出正常信号。如图12所示。

图12 连续波加限幅器的视频信号时频域波形Fig.12 Video signal under HPM irradiation with limiter in time domain and frequency domain

可见，无论加限幅器与否，连续波状高功率微波信号可造成干扰，有信号时，有干扰，无信号时，无干扰。受干扰时，信号频谱与时域信号均发生较大变化，无法正常工作。但连续波的高功率微波是不存在的，因为高功率微波能做到的重复率目前为1 kHz左右，由于脉冲多普勒无线电引信工作在微波频段，这样的重复率对引信信号不会产生大的影响。

在微波实验室对某一现役导弹无线电引信进行了照射试验。实验中没有异常反应。

4 结论

本文研究了空基高功率微波武器对脉冲多普勒引信的干扰效果。空间分析说明，高功率微波武器与引信的空间位置决定了在载机未进入导弹引信作用区前，其能量无法从引信主瓣波束进入；流程分析揭示，具有1kHz重复度的高功率微波也只能影响一个回波脉冲，不能作为干扰信号通过混频器。高功率微波仿真与试验证明了以上观点是正确的，即在目前的重复率和非器件毁伤的前提下，高功率微波武器不能干扰脉冲多普勒无线电引信。

［1］方进勇，黄文华.引信高功率微波对抗与反对抗初步分析［J］.试验与研究，2000（3）：4－8

［2］Ziya Mazloom.Multi－conductor transmission line model for electrified railways：A method for including responses of lumped devices ［D］.Sweden：KTH electrical engineering，2010.

［3］James Burrell.Disruptive effects of electromagnetic interference on communication and electronic systems［D］.US：George Mason University，2003.

［4］Backstrom M.Susceptibility of electronic systems to high power microwave summary of test experience［J］.IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility，2004，46（3）：396－403.

［5］Bayram Yakup，Chang Paul C，Volakis John L，et al.High power EMI on digital circuits within automotive structures［C］／／IEEE international symposium on electromagnetic compatibility. Washington：IEEE，2006：507－512.

［6］Daniel Nitsch，Michael Camp，Frank Sabath，et al.Susceptibility of some electronic equipment to HPEM threats［J］.IEEE transactions on electromagnetic compatibility，2004，46（3）：82－85.

［7］徐琰，刘元云.波导缝隙引信天线的设计与仿真［J］.制导与引信，2003，24（1）：37－41.XU Yan，LIU Yuanyun.Thedesign and simulation of slot array fuze sntenna［J］.Guidance ＆ Fuze，2003，24（1）：37－41.

［8］毛康侯，沈心雄，袁刚直.防空导弹天线［M］.北京：宇航出版社，1991.

［9］任宇辉，高宝建，伍捍东，等.基于CST的波导窄边缝隙天线的分析与设计［J］.西北大学学报（自然科学版），2010，40（5）：798－900.REN Yuhui，GAO Baojian，WU Handong，et al.Analysis and design of the slotted antenna in the narrow wall of a rectangular waveguide based CST［J］.Journal of Northwest University，2010，40（5）：798－900.