高功率微波对北斗系统接收机影响分析∗

王建争 彭少磊

（91404部队42分队 秦皇岛 066000）

1 引言

中国北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制的全球定位导航系统［1～2］，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的全球卫星导航系统［3～4］。美国GPS最初设计时主要用于军事领域，但因其能够提供较高精度的全球定位、授时和导航服务，如今在民用领域中也得到了广泛的应用，同样我国的北斗系统也具有这样的发展历程。由于定位卫星距离地球很远，地面北斗接收机接收到的卫星信号功率相当低，在使用过程中也会受到各种有意或无意的微波信号干扰［5］，其中高功率微波的危害最大，严重时可直接烧毁接收机。因此，研究北斗系统接收机抗烧毁防护已经成为我国军事和民用应用中不可忽视的问题。

高功率微波是峰值功率大于100MW 或平均功率大于1MW、频率介于300MHz～300GHz 之间的强电磁脉冲。高功率微波技术是一门跨学科门类的综合性技术，内容涵盖微波技术、脉冲功率技术等学科技术［6～10］。

使用高功率微波武器进行电子攻击具有以下特点:1）电子攻击是非致命的，它几乎不对人体造成伤害；2）大多数防御系统是非屏蔽的，因此，为了对付电子攻击，整个系统必须屏蔽。所以高功率微波武器的威慑力迫使对方将所有装备进行改造；3）攻击电磁波可以从“前门”和“后门”进入目标系统；4）可以同时攻击覆盖范围内的多个目标；5）基本不受气候条件（如雨或雾）的影响；6）在开发和使用方面基本不存在法律障碍；7）攻击费用低于传统武器；8）电子损伤的修理通常需要专业知识，所以难以在现场完成；9）为作战增添新的层次，让指挥官有更多的选择［11］。

2 高功率微波的损伤机理

2.1 高功率微波的损伤效应

高功率微波对北斗系统接收机的损伤主要包括热效应和电效应。热效应是指高功率微波对介质进行加热而引起的效应，主要包括半导体结热二次击穿和烧毁器件等；电效应是指高功率微波的感应电流或感应电压对元器件作用而产生的效应，主要包括半导体器件的翻转、闭锁、结电压击穿等。

北斗接收机作为一种高频电子设备，对高功率微波极为敏感:当高功率微波强度不高时便可直接压制导航定位信号，使接收机无法正常定位工作；当高功率微波信号强度较高时，产生的感应电场可导致接收机内部芯片工作异常、逻辑混乱等；当高功率微波信号强度很高时，强场作用可短时间内直接烧毁芯片，导致接收机报废。不同功率密度高功率微波对电子系统破坏效果，详见表1。

表1 不同功率密度高功率微波对电子系统破坏效果

2.2 高功率微波的耦合效应

高功率微波耦合是指高功率微波与北斗系统接收机相互作用时，高功率微波信号能量传入系统中的过程，它是研究热效应和电效应的基础，对电子设备的耦合情况决定了进入系统的微波能量的大小。这种耦合一般有“前门”耦合与“后门”耦合两种途径［12-14］。其中，“前门”耦合是指微波能量通过接收通道进入系统内部，主要破坏系统的前端设备；“后门”耦合是指微波能量通过设备缝隙、孔洞等途径进入系统内部，可破坏系统的所有组成部分。两种耦合途径的特征、分布情况，详见表2。

北斗系统接收机主要由天线、接收机主机、电源等部分构成，采用无源定位原理机制，系统导航定位时必须通过天线实时接收卫星定位信号，因此不可避免地会受到“前门”耦合影响。

由于目前接收机材料、工艺、封装、成本等原因，北斗系统接收机天线、接口、外壳等部分，同样不可避免地存在缝隙和孔洞，当孔缝的尺寸和高功率微波的波长相比拟时，电磁波将通过衍射原理大量进入系统内部，特定的频率下内部电路板、线缆会发生谐振，直接影响设备的工作状态甚至烧毁芯片、烧毁电路板。

表2 “前门”耦合和“后门”耦合

2.3 高功率微波的作用对象

高功率微波耦合到接收机内部后，以空间辐射和线路传导的方式，耦合到器件中而作用于器件，最终破坏的是易损半导体器件。

一般而言，“前门”耦合方式的作用对象主要是天线的限幅器（有的老型号天线不存在限幅器）、接收机内部的滤波器、功率放大器以及混频器等微波器件。“后门”耦合方式的作用对象主要是处理芯片、存储器等低频电子器件。作用在器件上的损伤效应是系统损伤效应的基础，反之，系统损伤效应则是器件损伤效应的宏观体现形式。

对于北斗系统接收机而言，主要包括三大部分:射频前端、基带数字信号处理模块以及定位导航运算模块。射频前端主要由射频天线、限幅器、前置功率放大器、滤波器、混频器以及基准振荡器等微波器件组成，主要受到“前门”耦合效应影响。由于耦合方式简单，通道耦合系数、敏感微波器件和破坏效果都属于已有公开研究成果，因此采用器件级损伤效应来预估射频前端的损伤效应是具有可信度和可行性的。而基带数字信号处理模块以及定位导航运算模块属于低频电子系统，工作频率也远低于高功率微波的频率，因此高功率微波对其的损伤效应主要是“后门”耦合方式下的带外作用:1）带外耦合作用。接收机内部的复杂电路结构和线路布局决定了高功率微波耦合效应是多路径的，既有线路传导耦合，也有空间辐射场耦合，同样耦合到半导体器件上的高功率微波强度也是多路径耦合作用的复合函数，此外，接收机内部电路中的敏感半导体器件又不止一个，其逻辑关系也不尽相同，因此依据数学方法采用低频电子器件的损伤效应来预估接收机低频部分的带外耦合作用将十分困难。2）带外损毁作用。由于接收机内部电路线路的复杂性和半导体器件敏感度的复杂性，导致接收机低频电路具有独特的敏感度图案，不仅敏感度图案与微波频率和极化方式相关，而且导致接收机低频部分整机效应与内部电路和半导体器件的敏感度图案不存在任何直接的数学关系。因此对于接收机低频部分的损伤效应研究需要整机研究，且研究成果不具有广泛的通用性。

3 接收机的防护措施

3.1 系统设计

在系统级防护方面，从设计初期将抗高功率微波指标纳入规划，将系统接收机天线增益、滤波器、前置功率放大器增益等进行合理分配，优化系统接口、内部电路结构合理布局等，提高系统的线性度和动态范围等，以提高高功率微波损伤效应的适应能力。

3.2 器件防护

北斗系统中，射频前端、接收机天线中的敏感半导体器件容易被高功率微波击穿或烧毁。可在系统中使用限幅器来提高防护性能。传统的防护器件有肖特基势垒二极管限幅器、变容二极管限幅器等，此类限幅器具有技术成熟、成本较低的特点，但易被高峰值功率的高功率微波烧毁；新兴的限幅器可采用波导等离子体限幅器，其具有较高功率容限的优势。

3.3 材料防护

近年来，一些新材料开始逐步应用于高功率微波防护中，起到了良好的高功率微波防护效果，这些材料主要包括:1）特种集成芯片。特种芯片采用高品质材料和先进工艺制成，主要目的就是不显著降低性能的情况下增强高功率微波的防护能力以代替系统内的当前芯片。2）光纤。由于光纤仅对光信号进行传导，不会与电磁波产生耦合作用，因此采用光纤传输信号可以有效地避免高功率微波的耦合效应，同时光纤传输还具有频带宽、稳定性好、成本较低的特点。

4 结语

本文从高功率微波对北斗系统接收机的损伤机理开始，介绍了损伤效应和耦合效应，分析了高功率微波的作用对象，从系统、器件、以及材料三个层级分析了接收机的防护措施，期望为进一步进行北斗系统接收机的防护技术研究提供参考。