相控阵雷达在高功率微波弹攻击下的生存能力分析

孟 泽，柴晋飞，王剑峰

(1.中国人民解放军驻七八四厂军事代表室，四川 成都 610051;2.成都中电锦江信息产业有限公司，四川 成都 610051)

相控阵雷达在高功率微波弹攻击下的生存能力分析

孟 泽1，柴晋飞1，王剑峰2

(1.中国人民解放军驻七八四厂军事代表室，四川 成都 610051;2.成都中电锦江信息产业有限公司，四川 成都 610051)

高功率微波弹作为一种针对电子设备的新型武器，对雷达等电子设备的生存能力带来了新的威胁。分析了高功率微波弹毁伤相控阵雷达的机理，对2种不同天线形式的相控阵雷达在遭受高功率微波弹攻击时的生存能力进行了仿真分析。

相控阵雷达；天线形式；高功率微波弹；安全距离

0 引 言

高功率微波弹是一种利用定向发射的高功率微波束毁坏和干扰敌方武器系统、信息系统和通信链路中的敏感电子部件的定向能武器，这种武器辐射的频率一般在1～300 GHz 范围内, 脉冲功率在吉瓦级。一维相控阵雷达是各国装备量较大的一种雷达，在受到高功率微波弹攻击下的生存能力近年来备受关注。本文重点分析2种相扫形式的相控阵雷达在面对高功率电磁脉冲时的生存能力。

1 高功率微波弹的毁伤机制

1.1 高功率微波弹的组成结构

高功率微波弹通常由初级能源、高功率微波发生器、发射天线和其他配套设施组成。它将高功率微波源产生的高能微波由定向天线向空间发射形成高强度的具有破坏效应的微波射束，主要用于攻击敌信息链节点中的电子系统。图1是高功率微波炸弹的组成示意图。

1.2 投送方式

根据投送平台不同，高功率微波弹可分为战斗机或巡航弹2种投放方式[1]。作战时，高功率微波弹通过载机或自动巡航到达目标上空，并在目标上空一定的高度爆炸，对地面一定范围内的电子设备进行破坏。

1.3 耦合途径

高功率微波弹主要通过“前门”和“后门”耦合到目标中的电子系统，从而产生破坏效应。前门耦合模式系指高功率微波弹所产生的电磁场能量，耦合进入雷达或通讯装备系统的天线。因为天线本身的设计就是提供微波能量耦合的通路，因此也是高功率微波弹的能量进入目标的一个有效途径，并造成电子设备本体的破坏与伤害。后门耦合模式系指高功率微波炸弹产生的短暂电流或驻波，引起的电磁场耦合进入固定电线(缆)所造成的耦合效应, 此时，电线(缆)所连结的电子设备(雷达或通讯装备)会间接受到伤害,屏蔽不好的电子设备将被直接烧毁[2]。

1.4 高功率微波弹对电子系统的作用

对于“后门”偶合效应，高功率微波武器对电子设备产生的作用可分为干扰、“软杀伤”、“硬杀伤”3个方面[3]：

(1) 干扰作用

当0.01～1 μW/cm2功率密度的微波束照射目

标时，能干扰在相应频段上工作的雷达、通信设备和导航系统；当功率密度达到0.01～1 W/cm2时，可导致雷达、通信和导航设备的微波器件性能下降或失效，还会使小型计算机芯片失效或被烧毁。

(2) “软杀伤”作用

当功率密度为10～100 W/cm2的强微波束照射目标时，可使工作在任何波段的电子元、器件失效，其辐射形成的电磁场，可在金属目标的表面产生感应电流，通过天线、导线、金属开口或缝隙进入飞机、导弹、卫星、坦克等武器系统的电子设备的电路中；如果感应电流较大，会使电路功能产生混乱，出现误码、中断数据或信息传输，抹掉计算机存储或记忆信息等；如果感应电流很大，则会烧毁电路中的元器件，使电子装备和武器系统失效。

(3) “硬杀伤”作用

高功率微波具有软杀伤效能，还具有硬杀伤破坏效能，当使用功率密度为1 000～10 000 W/cm2的强微波束照射目标时，能在瞬间摧毁目标、引爆炸弹、导弹、核弹等武器。

高功率微波对电子设备的效能如表1所示(这里的功率均为脉冲功率)，根据表1中的功率密度量级，若高功率微波弹释放的强电磁脉冲在电子设备表面的功率密度大于等于0.01 W/cm2，即可导致电子设备损坏。

表1 不同功率密度的高功率微波对电子系统的效应

对于“前门”耦合效应的作用，需要计算高功率脉冲弹所产生的强电磁脉冲从天线进入雷达各环节后的微波功率。如果雷达任一环节的微波功率超过该环节电路的功率烧毁阈值，均会对雷达产生毁伤作用。

2 高功率脉冲弹对电子设备的毁伤模型

2.1 典型高功率脉冲弹参数

目前美军装备的MK84 型高功率微波弹长3.84 m，直径0.46 m，总重量908 kg，高功率微波源脉冲功率Pt=1～10 GW，脉冲宽度τ=0.1～0.6 μs，工作频率f=6 GHz(如图2所示)。

在一些公开发行的文献中[4]，对该型号高功率脉冲弹的天线参数进行描述，在这里直接使用这些参数：天线增益12.3 dB；天线波瓣宽度82°。

2.2 威力半径及功率密度的计算

通常高功率微波弹都在空中爆炸，并向下辐射高功率电磁脉冲，起爆示意图如图所示3[5]。图中起爆高度为h，是高功率微波弹波束中心离地面的距离，天线波束在地面上形成了张角为2θ0.5的圆锥形威力区，而圆锥底面圆为高功率微波弹的威力圆，威力圆内的电子设备是电磁脉冲弹的主要攻击对象，其半径R称为威力半径，则：

(1)

设高功率微波弹功率为Pt，发射增益为G，圆中心点“O”功率密度为S1，圆边点功率密度为S2，圆内各点的功率密度大于S2。在威力圆中心处电磁脉冲弹发射天线的增益最大，由于θ0.5为天线的半功率角，可取圆边上各点增益为天线最大辐射增益的一半，则：

(2)

(3)

3 一维相扫雷达生存能力分析

3.1 雷达天线体制

在文中提及的电磁脉冲弹工作频率为6 GHz，由于对强电磁脉冲弹的资料较少，为了便于比较，假设有2部工作频率同样为6 GHz的相控阵雷达，2部雷达的天线口径相同(3 m×2.5 m)，都采用行线源形式，2部雷达的行线源都为50行。在分析时按一维相扫雷达发射机和天线体制的不同，将一维相扫雷达分为两大类：

(1) 采用真空管放大器或固态的集中馈电体制相控阵雷达

这类雷达其功率放大器件通常为速调管、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点，可直接将信号放大到所需量级，通过集中馈电的形式，直接将大功率微波信号输送至天线。

而采用集中馈电形式的相控阵雷达，由于其发射置相须在大功率下进行，所以一般采用真空管放大器、集中馈电体制的相控阵雷达，所采用的移相器为铁氧体移相器，这类相控阵雷达的典型代表为英国的AR327雷达、美国的AN/TPS-75(V)雷达，其天馈系统组成示意图通常如图4所示。

(2) 采用固态放大器的分布式馈电体制相控阵雷达

这类雷达的功率放大器件通常为砷化镓场效应晶体管(一般称固态微波功率管)，由于固态放大管具有低峰值功率、高占空比的特点，所有采用这类发射机的相控阵雷达通常采用分布式发射体制，所有的能量在空间合成。

由于这类雷达采用分布式全固态发射体制，每个组件输出的峰值功率都较小，进行收发置相的移相器大多选用小功率的光电二极管(PIN)移相器，这类相控阵雷达的典型代表为法国的MASTER-M雷达、美国的AN/TPS-59(V)3雷达，其天馈系统组成示意图通常如图5所示。

3.2 生存能力分析方法

采用以下方法对一维相扫雷达在高功率微波弹威胁下的生存能力进行分析：

(1) 根据高功率微波弹的参数计算出高功率微波弹在不同高度爆炸时所形成的威力半径；

(2) 根据高功率微波弹爆炸高度计算出其威力半径内不同距离段上雷达天线所承受的功率密度；

(3) 分别计算2种不同天线体制的一维相扫雷达在高功率微波弹威力半径内通过“前门”及“后门”进入的强电磁脉冲不造成器件烧毁安全距离；

(4) 综合2种体制雷达的“前门”及“后门”安全距离，得到综合安全距离，通过安全距离的远近比较2种不同天线体制的一维相扫雷达的生存能力，安全距离离高功率微波弹爆炸点近的雷达其生存能力高于安全距离离高功率微波弹爆炸点远的雷达。

3.3 雷达安全距离估算

3.3.1 威力半径计算

在进行威力半径计算时，根据图3所示的电磁脉冲弹爆炸方式，按式(1)计算出电磁脉冲弹在不同高度爆炸时的威力半径(如表2所示)。

表2 不同起爆高度下的威力半径

3.3.2 雷达在威力半径内接收到的电磁脉冲强度

计算雷达在威力半径接收到的电磁脉冲强度时，按照式(2)和式(3)分别计算当电磁脉冲弹在不同高度下起爆，其威力半径内各点雷达天线所接收到的功率密度，计算结果如图6所示。

图6中的每一条曲线对应横坐标代表高功率微波弹在不同高度爆炸时形成的威力半径，纵坐标代表雷达在高功率微波弹威力半径内耦合到的功率密度值。

3.3.3 安全距离计算

(1) “后门”耦合安全距离

在计算后门耦合安全距离时，必须考虑雷达自身的电磁屏蔽能力。目前雷达的电磁屏蔽能力通常按照电磁兼容的相关要求进行设计，一般情况下其电磁屏蔽能力为15～30 dB之间，在这里均按20 dB取值，此时不同起爆高度下形成的威力半径内，耦合到雷达器件上的功率密度值如图7所示。

根据表1中不同功率密度的高功率微波对电子系统的效应计算，只有当功率密度小于0.01 W/cm2(-20 dBW/cm2)才能保证电子器件不会烧毁，所以将0.01 W/cm2(-20 dBW/cm2)作为器件烧毁的阈值。

从图7中可以看到，当高功率微波弹的爆炸高度在1 000 m，雷达距离爆炸中心点超过300 m时，耦合到雷达的功率密度才小于烧毁阈值，将该点作为雷达安全距离的临界点。

(2) “前门”耦合安全距离

在进行前门耦合安全距离计算时，主要考虑通过天线接收后到每行线源后的电磁脉冲功率，每行线源接收到的功率Pn可按下式进行计算：

(4)

式中：S为到达雷达天线的功率密度；A为雷达天线面积(按3.1中取值为3 m×2.5 m=7.5 m2)；M为雷达天线行线源数(按3.1中取值为50行)。

则电磁脉冲弹在50～3 000 m高度爆炸时，雷达在威力中心点及威力半径点每行线源所接收到的强电磁脉冲功率如图8所示。

在进行前门耦合安全距离估算时，还需对面阵天线内的主要器件进行分析。采用真空管集中式发射体制的雷达在行线源后采用铁氧体移相器进行收发置相，由于铁氧体移相器自身特点，其工作最大峰值功率近百千瓦，工作平均功率达到数百瓦。

若在平均功率保持数百瓦量级的情况下，峰值功率达到数兆瓦甚至更大时，也只会造成短时间的移相精度下降，不会造成移相器损坏，在强电磁脉冲通过后移相精度会很快恢复正常。在这里为便于比较，采用全固态分布式放射发射体制的雷达，其收发(T/R)组的抗烧毁功率通常仅为200 W(23 dBW)左右。

若按T/R组件抗烧毁功率为200 W(13 dBW)计算，那么只有当每行行线源接收到的功率小于200 W(13 dBW)才能保证电子器件不会烧毁，所以将200 W(13 dBW)作为器件烧毁的阈值。

从图8中可以看到，当高功率微波弹的爆炸高度为2 000 m，雷达在距离爆炸中心点超过1 000 m的距离时，雷达行线源接收到的功率才小于烧毁阈值，也将该点作为雷达安全距离的临界点。

采用真空管发射机集中馈电的雷达，由于其铁氧体器件峰值功率达到数兆瓦时也不会烧毁，理论上即使强电磁脉冲弹在距离雷达50 m高度爆炸，且雷达处于威力半径的中心，从前门耦合进入的强电磁脉冲也不会造成移相器烧毁(不考虑后门耦合)。

3.3.4 生存能力分析

当雷达处于高功率微波弹的威力半径内时，前门耦合和后门耦合效应会同时作用，所以在估算雷达安全距离时，应按照最小安全距离确定雷达的综合安全距离。根据前述参数，2种体制的一维相扫雷达的综合安全距离如表3所示。

当“前门”和“后门”耦合安全距离差距较大时，应采取设计措施，提高较差一级的耦合安全距离，使得综合安全距离得到有效提高，如采用真空管放大器或固态的集中馈电体制相控阵雷达，提高天线整体电磁屏蔽能力。

表3 2种不同体制的一维相扫雷达在高功率微波弹威力半径内的综合安全距离

通过表3中2种体制一维相扫雷达的综合安全距离比较，可以明显得出，采用真空管发射机集中馈电体制的一维相扫雷达的生存能力优于采用全固态分布式馈电体制的一维相扫雷达。

4 结束语

本文针对一维相扫雷达在电磁脉冲弹攻击下的生存能力，提出了一种分析方法，按此方法可进行相控阵雷达面对高功率脉冲弹时的生存能力评估，也可作为完善雷达抗高功率冲弹的设计依据。根据分析可知，对于分别采用真空管发射机集中馈电体制和全固态分布式馈电体制的2种一维相控阵雷达，当具有相同电磁屏蔽能力时，前者的生存能力明显优于后者。

[1] 姜百汇,米小川,查旭.国外电磁脉冲武器的应用[J].航天制造技术，2012(1):13-16.

[2] 翟岱亮,张晨新，胡帅江，等.高功率微波武器的性能分析及其防御[J].飞航导弹，2012(5)：62-65.

[3] 胡少飞,王伟力.高功率微波弹对雷达接收机保护器的毁伤[J].兵工自动化，2009,28(5)：50-52.

[4] 许海龙,张金华.高功率微波弹杀伤效能分析[J].电子信息对抗技术，2007,22(2):45-48.

[5] 张光义.相控阵雷达技术[M].北京：国防工业出版社，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