调频连续波引信高功率微波前门耦合效应研究

陈凯柏， 高敏， 周晓东， 惠江海

(1.陆军工程大学石家庄校区 导弹工程系, 河北 石家庄 050003; 2.陆军工程大学石家庄校区 弹药工程系, 河北 石家庄 050003)

0 引言

弹药是武器系统最重要最活跃的因素之一，引信作为弹药毁伤效能的控制系统，在现代战场中扮演着重要角色[1]。调频连续波(FMCW)引信类似一台小型雷达，容易受到电磁干扰，尤其是高功率微波(HPM)武器利用定向大功率电磁脉冲通过“前门”或“后门”耦合效应毁伤、干扰目标电子系统[2-3]，更易对引信正常工作造成影响。

出于保密原因，目前针对引信HPM耦合效应方面的公开文献较少，主要涉及实验方法[4-5]、效应机理[6-8]、防护设计[9]等方面，但是以上研究方向多偏于后门耦合研究，对引信前门耦合效应研究不够充分。基于此，本文使用先辐照、后注入的实验方法对引信HPM前门耦合效应规律进行探究，所得结论进一步完善了引信HPM效应机理，也可为引信射频前端加固防护提供相关依据。

1 FMCW测距原理及前门耦合理论

1.1 FMCW引信测距原理

FMCW引信通过信号差拍频率(简称差频)获取目标距离信息，当目标与引信间的距离满足预设条件时，触发弹药战斗部摧毁目标。考虑到多普勒效应，其差频计算公式[10]为

(1)

式中：Δf为差频频率；B为调制带宽；R为HPM源与引信间距离；c为光速；TM为调制周期；fc为载频；v为引信径向接近速度。

1.2 前门耦合理论分析

前门耦合是指HPM能量通过接收天线等途径耦合进入引信射频前端，当耦合能量过大时，前端电路会出现饱和、阻塞甚至烧毁的情况。该耦合过程可分为两部分：一是求解HPM电磁脉冲的大气传输衰减模型；二是对引信天线的耦合能量定量分析。由于近炸引信应用于自由电子数目极少的低空大气环境，HPM在该环境下传输引起非线性衰减可忽略不计[11]，在不考虑非线性衰减情况下，可用(2)式对距目标R米处的场强E表征[12]：

(2)

式中：Pt为HPM发射源功率；Gt为HPM源发射天线增益。

当HPM武器发起攻击时，其发射天线向引信辐射电磁脉冲，在空间形成一个底面为球面的锥体杀伤区域。假设引信入射倾角与HPM武器天线倾角相等，则HPM武器杀伤覆盖范围如图1所示。图1中O点是HPM武器天线位置，OB、DE为水平线，E点为引信位置，∠AOC为发射天线波束角。由图1可知：HPM武器对引信的毁伤效果取决于引信前门耦合功率，分别定义EF和OF为干扰区和毁伤区：当引信处于EF段时，接收天线耦合能量功率较低，不会造成引信毁伤，但是其正常工作性能可能会受到扰乱；当引信处于OF段时，接收天线耦合能量功率很高，射频前端敏感元件因为承受功率过大而被烧毁，直接破坏引信的正常工作状态。

图1 HPM武器杀伤范围示意图Fig.1 Killing range of HPMW

2 联合仿真实验

2.1 实验方案设计

为了更好地模拟引信在HPM辐照下的场- 路耦合效应，实验采用先辐照、后注入的方法[4]。利用电磁仿真软件完成HPM脉冲信号、引信射频天线模块的模型搭建，采用正弦函数调制的平面波作为HPM脉冲信号；在微带天线末端连接50 Ω负载的离散端口，端口另一端接地，由端口耦合电压响应特性判断引信耦合规律。

在电路设计软件中搭建引信射频前端模型进行注入实验仿真。将辐照实验耦合电压数据按照TIM格式要求导入电磁仿真软件VtDataset模块，模块末端依次连接PIN限幅器、滤波器、低噪声放大器、混频器和中频电路，在电路中设置节点观察电路输出响应特性。总体实验设计框图如图2所示。

图2 联合仿真示意图Fig.2 Schematic diagram of joint simulation

仿真实验中，假设HPM武器发射天线与引信接收天线带宽一致，发射功率为10 GW，发射天线增益取20 dB，设置损耗因子为3 dB.

2.2 HPM信号模型

使用仿真软件自带VBA编辑器定义HPM辐照信号。正弦函数调制的HPM信号一般用(3)式表示：

(3)

式中：Em为脉冲信号峰值；f0为中心频率；t为脉冲激励时间；tr为上升时间；td为平顶宽度；T为底宽。由(3)式可知，HPM脉冲能量主要集中于中心频率处。假设Em=150 kV/m，中心频率为f0，tr=5 ns，td=10 ns，T=20 ns，可作脉冲时域和频域图如图3所示。

图3 HPM信号示意图Fig.3 Schematic diagram of HPM signal

2.3 射频前端模型

图4为仿真软件中建立的引信接收天线模型，模型参数如表1所示，其中：L为矩形贴片长度；W为矩形贴片宽度；g为开槽缝隙宽度；w为馈线宽度；l为馈线长度；d为开槽缝隙深度；Lg为介质基板长度；Wg为介质基板宽度；h为介质基板厚度。接收天线是HPM前门耦合效应的主要通道，考虑到该引信工作频率较高且天线面积很小，在信号收发时对信号强度要求较高，所以在设计时优先考虑天线增益。选用美国罗杰斯公司生产的RT4350B有损耗材料为介质基板，其底面为接地板，微带贴片选用厚度为35 μm的纯铜材料，使用时域求解器求解，所得天线最大增益为7.6 dB，-10 dB带宽超过450 MHz，其输入回波损耗如图5所示。

图4 引信接收天线仿真模型Fig.4 Simulation model of fuze receiving antenna

mm

图5 引信接收天线输入回波损耗Fig.5 Input echo loss of fuze receiving antenna

图6为FMCW引信射频前端仿真模型，该电路模型包括三角波发生器、收发天线、目标模型和接收机模型。假设引信调制带宽为600 MHz，调制频率为300 kHz，载频为fc，目标雷达散射截面为1 m2，相对速度为300 m/s，设置目标距离分别为6 m和12 m时，得到的中频输出峰值分别为15 MHz和30 MHz，与(1)式中计算结果基本吻合，可用于进一步仿真实验。

由图6可以看出：当HPM脉冲耦合进入射频电路时，首先会和PIN限幅器发生作用，PIN限幅器被广泛应用于敏感电子系统前端，可以防止大功率微波脉冲造成的损坏；但是当输入脉冲功率过大时，其限幅能力会达到饱和状态，因此确定限幅器的限幅能力对HPM武器的毁伤范围分析有重要意义。PIN限幅器与接收天线相连，是接收机的前端保护器件，但因为存在一定的响应时间，会出现尖峰泄漏的现象；模型中的PIN限幅器由两只反向并联PIN二极管构成，理论上这种结构可以简化电路设计[13]。图7为限幅器性能仿真结果，从中可以看出在连续波输入下，PIN限幅器的起限阈值为7 dBm，稳定输出电平为10.277 dBm，当输入功率达到36 dBm时，限幅器的输出功率开始随输入功率增大而增大，其限幅能力达到饱和状态。

图7 PIN限幅器仿真Fig.7 Simulation of PIN limiter

限幅器后端依次连接滤波器和低噪声放大器，低噪声放大器属于敏感元器件，在大功率信号输入下会出现非线性效应，功率过大时甚至会出现负增益的情况。以VMMK-1225为放大晶体管，根据文献[14]设计低噪声放大器并进行性能仿真，结果如图8所示。由图8可以看出：在较低输入功率下，放大器增益稳定在14 dB左右；当输入功率大于-10 dBm时，放大器增益开始呈下降趋势；当输入功率达到24.2 dBm时，放大器增益变为-10 dB，此时可认为放大器已被HPM脉冲毁伤。

图8 低噪声放大器增益仿真Fig.8 Gain simulation of LNA

3 仿真结果与分析

3.1 辐照仿真结果与分析

由(3)式可知影响信号脉冲波形的主要参数有脉冲信号峰值Em、上升时间tr、平顶宽度td和中心频率f0，分别改变以上参数，对引信天线进行辐照实验，图9～图12分别为不同参数条件下的天线末端耦合电压波形。

图9 不同峰值条件下耦合电压Fig.9 Coupling voltages under different peak conditions

图10 不同上升时间下耦合电压Fig.10 Coupling voltages at different rising times

图11 不同平顶宽度下耦合电压Fig.11 Coupling voltages with different flat top widths

图12 不同旧一化中心频率下耦合电压Fig.12 Coupling voltages under different normalized center frequencies

由于天线的作用类似带通滤波器，所以仿真中各耦合信号到达峰值的时间均有所延后。图9表示在其余参数条件相同情况下，辐照信号峰值分别为60 kV/m、40 kV/m和20 kV/m时的天线耦合电压波形。由图9可以看出：在不同峰值信号辐照下，天线末端产生的耦合电压在数值上大致呈线性变化，其波形与原信号波形基本一致；当信号峰值为20 kV/m时，耦合电压峰值达到59.8 V.

图10和图11表示在其余参数条件相同情况下，分别改变辐照信号上升时间和平顶宽度对耦合波形变化的影响。由图10和图11可知：信号上升时间和平顶宽度的改变并不能显著影响耦合电压波形以及峰值，该结论与图9结论类似；继续改变辐照信号中心频率f0并进行辐照实验，发现随着中心频率f0的改变耦合信号波形仍无明显变化。但是从图12可以看出，当f0偏离天线中心频率时，耦合电压峰值会显著降低，这说明要想达到理想毁伤效果，HPM武器的中心频率应尽量对准引信工作频率。

综上可知，改变辐照信号峰值、上升时间和平顶宽度对天线耦合波形均无明显影响，且天线末端耦合电压峰值只由脉冲信号峰值以及信号中心频率决定。

3.2 注入仿真结果与分析

为了避免器件在非线性状态下的收敛性问题，使用理想器件对引信射频电路进行注入仿真实验。仿真设定辐照信号中心频率不变，分别改变信号上升时间和平顶宽度，观察限幅器和滤波器的输出波形变化。

图13 不同峰值信号下PIN限幅器输出Fig.13 PIN limiter outputs under different peak signals

图13和图14分别描述了在不同峰值信号注入下的PIN限幅器和第1级滤波器输出电压波形。从图13可以看出，由于尖峰泄漏效应，HPM信号在通过限幅器时会产生一个较大的脉冲信号，在限幅器响应完全后，输出波形逐渐趋于平稳，高峰值信号会造成更高的平坦泄露。由图14可以看出，泄漏脉冲在通过滤波器后幅值降低，说明滤波器对尖峰泄漏信号有一定抑制作用，由于耦合信号基本处于滤波器带宽内，因此在通过滤波器时其幅值下降并不明显。此外，脉冲信号在通过限幅器后产生了部分衰减震荡波，并且该震荡波在通过滤波器后并未有明显衰减，也会对接收机电路产生一定威胁。

图14 不同峰值信号下第1级滤波器输出Fig.14 The first-stage filter outputs under different peak signals

图15和图16描述了注入不同上升时间信号对PIN限幅器和第1级滤波器输出电压波形的影响。从图15不难看出，信号上升时间越短，限幅器尖峰泄漏电压越高，限幅电路更快达到饱和状态。由图16可以看出，上升时间越长，通过滤波器后的延迟时间也相应增加。图16对比图14可以看出，在平顶宽度和信号幅值相同情况下，上升时间对输出信号幅值和波形影响较为明显，当上升时间为10 ns时，输出波形基本保持不变，但输出信号幅值下降了约2.5 V.

图15 不同上升时间信号下PIN限幅器输出Fig.15 PIN limiter outputs at different rising times

图16 不同上升时间信号下第1级滤波器输出Fig.16 The first-stage filter outputs at different rising times

图17和图18表示注入不同平顶宽度信号对PIN限幅器和第1级滤波器输出电压波形的影响。由图17和图18可以看出：平顶宽度的增加对输出波形的尖峰泄漏效应和幅值无明显影响；在通过滤波器后，不同平顶宽度对输出信号幅值和延迟均无明显影响。

图17 不同平顶宽度信号下PIN限幅器输出Fig.17 PIN limiter outputs under different flat top widths

图18 不同平顶宽度信下第1级滤波器输出Fig.18 The first-stage filter outputs under different flat top widths

4 HPM武器耦合效应分析

4.1 毁伤效应分析

结合2.4节中仿真分析，设定当低噪声放大器增益为-10 dB，即第1级滤波器输出峰值达到24.2 dBm时，判定引信已被HPM武器毁伤。不断改变辐照场强进行仿真实验，图19和图20分别为注入不同功率输入信号时的PIN限幅器输出响应峰值和滤波器输出响应峰值。

图19 PIN限幅器输出峰值功率Fig.19 Peak output power of PIN limiter

图20 滤波器输出峰值功率Fig.20 Peak output power of filter

观察图19和图20可知，滤波器在一定程度上对信号输出功率起到了抑制作用，对短上升时间信号的抑制尤为明显，但是在输出幅值上，短上升时间信号仍然更具优势。这说明在相同峰值情况下，信号上升时间是影响HMP武器武器杀伤距离的主要因素。当低噪声放大器达到毁伤阈值时，注入信号输入功率依次为45 dBm、45 dBm和47 dBm，结合(2)式和2.1节中的初始条件，计算可得不同参数下的最大毁伤距离如表2所示。

表2 HPM武器毁伤范围表

4.2 干扰效应分析

设定当低噪声放大器增益为0 dB时，即第1级滤波器为12 dBm时，为HPM武器干扰阈值下限。结合图18以及仿真实验，同理计算可得HPM武器干扰范围如表3所示。

表3 HPM武器干扰范围表

由表3可知，在设定条件下HPM武器的干扰距离可以达到15 km，已经远远超过实际应用中的引信开机距离。

对图6中的FMCW引信射频前端模型进行干扰效应仿真。仿真实验采用控制变量法，改变输入功率、上升时间、平顶宽度和输入信号频率4个变量的参数值，观察中频滤波器输出信号波形。图21描述了在中心频率为f0、上升时间为10 ns、平顶宽度为10 ns的条件下，中频输出信号在不同输入功率Pi注入信号干扰下的变化规律。从图21中可以看出：当输入功率小于等于0 dBm时，中频滤波器输出信号峰值为15 MHz；当输入功率继续增大时，中频输出干扰峰能量逐渐升高，输出峰值从15 MHz移至45 MHz，并且不再改变，说明此时射频前端测距效能已被HMP武器影响。

图21 输入功率变化下中频输出Fig.21 IF outputs under variable input power

图22描述了在中心频率为f0、平顶宽度为10 ns、输入功率为0 dBm条件下，中频输出信号在不同上升时间注入信号干扰下的变化规律。从图22容易看出：当脉冲信号上升时间较小时，输入信号尖峰泄漏效应明显，能量峰值较高；当上升时间小于5 ns时，输出信号峰值频率发生偏离；而当脉冲信号上升时间大于10 ns时，干扰峰能量逐渐降低，小于正常输出中频峰值，说明注入信号上升时间对回波信号干扰效果较为明显。

图22 上升时间变化下中频输出Fig.22 IF outputs at variable rising time

图23描述了在中心频率为f0、上升时间为10 ns、输入功率为-4 dBm条件下，中频输出信号在不同平顶宽度注入信号干扰下的变化规律。从图23各曲线间的接近程度可以看出：不同平顶宽度信号的注入对输出信号峰值影响较弱，对信号的干扰效应也相对较低；当平顶宽度达到40 ns时，输出信号峰值频率才由15 MHz变为45 MHz，继续增加平顶宽度为50 ns进行仿真，发现输出峰值频率变回15 MHz，这说明平顶宽度的变化对回波信号可能会有干扰，但是干扰效果并不稳定。结合其他仿真实验结果进行对比，可知当其余参数都处在临界干扰水平时，延长或者缩短平顶宽度并不能显著加强干扰效果。

图23 平顶宽度变化下中频输出Fig.23 IF outputs under variable flat top widths

图24描述了在上升时间为10 ns、平顶宽度为10 ns、输入功率为0 dBm条件下，中频输出信号在不同频率注入信号干扰下的变化规律。由图24不难看出：只有当注入信号频率在系统通频带内时，目标回波信号才会出现干扰峰；当注入信号频率逐渐移至通频带外，输出信号峰值将不再受到影响。

图24 频率变化下中频输出Fig.24 IF outputs at variable frequencies

5 结论

本文使用场路结合的联合仿真方法对FMCW引信HPM前门耦合效应进行研究。通过以上仿真实验，可得到如下结论：

1) HPM可通过前门耦合对FMCW引信射频前端造成毁伤。不同参数的HPM在天线末端产生的耦合电压波形也不同；由于PIN限幅器的尖峰泄漏效应，短上升时间注入信号能够更快进入限幅器并使其达到饱和状态；高幅值注入信号可导致更高的平坦泄漏输出；注入信号的平顶宽度对PIN限幅器输出峰值没有明显影响。在通过滤波器后，耦合信号会有一定程度的延迟和衰减，尖峰泄漏效应也会被抑制，但是输出信号峰值仍然很高，足以损伤后级电路，当上升时间为1 ns时，HPM武器的毁伤距离可达413.7 m.

2) 当目标距离较远时，HPM对FMCW雷达射频前端有干扰作用。仿真实验表明，注入信号的功率、上升时间和中心频率对FMCW引信的探测能力均有一定影响，改变注入信号平顶宽度造成的干扰效果并不明显。