雷达接收机高功率微波效应试验研究*

王 哲，贺 宇，武丹丹，张 琪，宋 滔

（中国电子科技网络信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

高功率微波是强电磁脉冲的一种，频率范围0.3～300 GHz，峰值功率超过100 MW。高功率微波主要作用于各类电子信息系统，相关作用机理与效应具有普适性，并不随目标种类的不同而变化。因此，高功率微波对电子信息系统的电磁安全构成了极其严重的威胁，需要开展深入的研究[1]。

高功率微波主要通过“前门”和“后门”两种耦合途径进入目标系统，进而产生干扰、扰乱、降级和损毁等效应。“前门”通常是指如天线等电磁波接收系统，“后门”则包括各种线缆、孔缝等。不难看出，“前门”设备的电磁敏感度更高，在高功率微波环境下更脆弱[2]。因此，研究“前门”设备的高功率微波效应和毁伤机理，对于提高复杂电子信息系统的电磁防护能力具有极其重要的意义。本文采用辐照法和注入法[3-4]研究某型雷达射频前端模块的高功率微波效应和毁伤机理，取得了宝贵数据，可为后续的电磁防护加固工作提供数据支撑。

1 试验对象

试验对象为某型宽带雷达接收机中的测角功能关键部件，接收灵敏度约为-60 dBm。模块由2个X波段接收天线、2个接收变频通道、1个频综组件及1个鉴相器组成，如图1所示。接收天线工作频段为9～9.6 GHz，频综提供的本振频率为7.931 GHz。工作时，两天线共同接收前方一定角度范围内的目标信号，然后与频综提供的本振信号进行混频，下变频到中频信号，最后经鉴相器对信号的相位和幅度进行比较得出目标的角度信息。

图1 试验对象组成

根据该雷达测角功能部件的设计与工作原理，高功率微波环境可能对其产生的效应判据如下：

（1）若中频信号及I、Q信号的各项参数均未发生变化，则表示高功率微波环境对被测系统无影响。

（2）若中频信号频率未发生变化，但中频带宽附近出现了高于底噪但幅度小于主信号的杂散，此时需结合I、Q信号的特征进行分析。杂散信号可能导致系统衰减档位的误触发或者鉴相精度的恶化，从而导致被测系统的测角精度变差。

（3）若中频信号频率发生跳变或中频信号幅度比干扰信号小，则说明高功率微波环境已导致被测系统功能异常，无法对目标信号进行跟踪。

（4）若中频信号变弱或者消失，则表明被测系统已经出现硬损伤。

2 辐照法试验

在辐照法试验中，各参试设备连接关系如图2所示。其中，频谱仪监测试验对象中频信号输出的频谱，示波器监测试验对象中鉴相器输出I、Q信号的波形。为了避免对外界产生干扰，试验在全电波暗室中进行。同时，为了避免高功率微波辐照环境对频谱仪和示波器造成干扰甚至损坏，所有仪器仪表都被置于屏蔽室中。

图2 辐照法试验布置

试验步骤如下：

（1）标校窄带高功率微波源产生的辐射场的信号强度，记录高功率微波源不同强度辐射输出时被测系统摆放处的信号强度。

（2）在不加高功率微波的情况下，设置模拟目标信号源参数如表1所示。然后，对被测系统加电，监测频谱仪中中频信号的频率、幅度、底噪和杂散等参数，监测示波器中鉴相I、Q信号的幅度及底噪等参数，如图3所示。

表1 模拟目标源参数状态

图3 正常I、Q信号及相位解算结果

（3）设置窄带高功率微波源辐射频率为9.3 GHz，固定辐射方向，改变辐射强度、重频率和脉宽等参数，监测被测系统各项参数的变化情况并记录。

经过多次试验，当窄带高功率微波源参数状态如表2所示时，试验对象出现了干扰效应，相对应的I、Q信号波形及相位解算结果分别如图4、图5所示。当高功率微波微波辐射消失后，测试对象功能恢复正常。

表2 窄带高功率微波源参数状态

图4 试验A中被干扰的I、Q信号及对应的相位解算结果

图5 试验B中被干扰的I、Q信号及对应的相位解算结果

从图4和图5可以看出，虽然高功率微波辐照对试验对象造成了干扰，但干扰信号持续时间非常短。这是因为高功率微波干扰信号的脉宽（1 000 ns）远小于模拟目标源发射信号的脉宽（200 μs）。由于两种信号特征差别明显，在后续信号处理模块中，可采用相应的算法将幅度未达门限或持续时间未达阈值的信号视为毛刺滤除，从而达到抗干扰的效果。

为了考察目标信号脉宽与高功率微波干扰信号脉宽，可比较干扰效应。设置目标源与高功率微波源参数如表3和表4所示。

表3 模拟目标源参数

在此状态下，试验对象的干扰效应如图6所示。

可见，当模拟目标源的发射脉冲与高功率微波源的发射脉冲的脉宽相同时（均为1 μs），高功率微波干扰信号会对试验对象中鉴相器的输出I、Q信号产生覆盖，导致严重的干扰。但是，由于高功率微波干扰信号与模拟目标源发射信号的重频率差别较大，仍然可以通过后续的信号处理模块对此类干扰进行滤除。

表4 高功率微波源参数

图6 被干扰的I、Q信号及对应的相位解算结果

受试验条件的限制，试验用窄带高功率微波源不能产生更高强度的辐照环境，而试验用接收天线口径小（≈1.5 cm2）、增益低（0 dBi），因而馈入射频通道的高功率微波能量和功率都很低，不足以产生更严重的毁伤效应。为进一步考察试验对象在更高强度高功率微波作用下的相关效应，对试验对象开展了注入法试验。

3 注入法试验

3.1 试验过程

注入法试验的具体布置如图7所示。考虑到注入功率很高，可能直接造成试验对象及仪器仪表损坏，故不对中频信号和鉴相器输出I、Q信号进行在线监测，而是在每次试验后对试验对象进行测试，并将测试结果与常态测试结果（见图8）进行对比分析。

图7 注入法试验布置

图8 I、Q信号常态测试结果及对应的相位解算结果

试验时，设置模拟目标源和窄带高功率微波源的相关参数分别如表5和表6所示。

表5 模拟目标源参数

表6 高功率微波源参数

试验完成后，对鉴相器的I、Q输出进行测量，测量结果如图9所示。

图9 注入试验后I、Q信号输出及对应的相位解算结果

对比图8和图9可以看出，I、Q信号的波形在注入试验后发生了明显的异常变化，噪声波动大。由于上述测试是在高功率微波注入信号消失后离线进行的，表明试验对象内部出现了硬毁伤。

注入法试验中，仅有一个通道（通道1）被注入了高功率微波信号，而另一个通道（通道2）接收正常的模拟目标源信号。对此两个通道进行开盖对比测试，具体测试结果见图10。通过对比测试发现，通道1中的限幅器损耗比通道2中的限幅器损耗增加约14.2 dBm，而两个通道链路上其他器件的损耗及增益均保持一致，表明高功率微波对接收通道中的限幅器造成了永久性、不可逆的硬损毁效应。

图10 接收通道开盖对比测试结果

3.2 限幅器毁伤机理分析

接收通道选用的限幅器芯片型号为TGL2208-SM。该芯片由4个限幅二极管并联实现，其外部封装与内部原理见图11。

图11 限幅器封装外形及内部原理

从该限幅器的内部原理可以看出，其由4个限幅二极管并联实现。当输入信号功率电平很高时，限幅器处于串联谐振状态，输入和输出阻抗近似为零，输入功率几乎不能传输到输出端口，使输出电平很小，限幅器对后置电路起到保护作用；当输入信号功率电平较低时，限幅器处于并联谐振状态，输入和输出阻抗几乎完全匹配，输入功率几乎全部传输到输出端口，从而使限幅器插入损耗很小，几乎对接收通道的工作不产生影响。

该限幅器的易损元件是后级PIN二极管[5]。根据该限幅器的内部原理，可判断其损坏机理为：由于前级PIN二极管I层厚度较大、启动速度慢，因而当高功率微波注入时会导致较大的尖峰电压泄露。当该电压传递到后级PIN二极管时，若超出其反向电压承受能力，将发生电击穿，导致硬件损伤。

4 结 语

本文针对电磁敏感度高的雷达射频前端，采用辐照法和注入法研究了其高功率微波效应，分析了其损毁机理，得出以下结论：

（1）若高功率微波的信号特征与目标的信号特性区别较大，如脉宽、重频率等特征区别较大，所造成的干扰效应将非常微弱；

（2）若高功率微波与目标信号特性接近，则高功率微波干扰信号越覆盖接收通道采集到的目标脉冲，从而达到明显的干扰效应；

（3）当高功率微波的强度达到一定阈值时，将对接收通道的硬件造成损伤，并且首先受到损坏的是接收通道的前置器件。

针对本次试验中高功率微波对雷达接收机前端造成的一系列效应，给出如下的防护建议：

（1）雷达接收机前端在不增加额外保护电路的基础上，应选用能够承受更大功率的限幅器，尽可能增加接收机抗高功率微波的能力；

（2）雷达接收机设计时在现有限幅器保护电路之前增加高功率微波保护电路，将高功率微波能量尽可能抑制，再由限幅器限幅后输入射频前端；

（3）在条件允许的情况下，可将雷达接收机的硬件电路进行适当备份，保证设计冗余度，在主通道损坏的情况下，能够迅速切换到备份通道，从而保障系统正常工作；

（4）在高功率微波不足以损坏雷达接收机硬件通道的情况下，雷达接收机的信号处理部分可根据高功率微波的信号特征进行针对性的抗干扰算法处理，确保雷达接收机的性能不受影响。