微波接收前端高功率微波效应实验研究

金祖升，施佳林，李建轩，李国林，王瑜卫

（1.海军研究院，北京10016；2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410073；3.国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南长沙 410073）

高功率微波（High Power Microwave，HPM）一般是指工作频率在1～300 GHz 且峰值功率超过100 MW 的微波信号［1］.2010 年颁布的美军标MIL-STD-464C 将HPM 的工作频段定义为100 MHz～35 GHz［2］.近年来出现一种新的认识，认为平均功率大于1 MW 或者单个脉冲电磁波的能量大于1 J也属于高功率微波的范畴［3］.随着高功率微波技术的不断进步和人们认识的不断深化，其概念还可能进一步扩展演变.

高功率微波武器能在极短时间内产生非常高的微波功率，并以定向波束干扰或损伤敌方电子设备，具有攻击速度快、打击范围广、可重复使用、效费比高等优点，对信息化武器装备构成了巨大威胁.近年来，美国陆续开发了用于防暴反恐的Goodbye主动拒止系统、用于机场防护的Vigilant Eagle 系统、用于打击敌电子系统的CHAMP 微波导弹、用于反无人机的Phaser 系统和MORFIUS 系统，并且在《空军2025 战略规划》中提出发展太空高功率微波武器的设想，利用安装在地球低轨道卫星上的高功率微波武器攻击地面、空中和空间目标［4-6］.俄罗斯早在2001 年的利马宇航展览会上就展示了Ranets-E 和Rosa-E 两种高功率微波武器，并在2016 年披露了要为第六代无人作战飞机安装微波武器的计划［1，4］.2018 年，英国BAE 系统公司在美国海军水面舰艇协会年会上展示了一款可替代现役MK-38 型舰炮的舰载高功率微波武器，用于水面舰艇的近程防御.

随着高功率微波武器在军事应用方面的加速推进，雷达、电子战等用频装备面临新体制电磁辐射源攻击的威胁.开展高功率微波对电子设备的作用机理和损伤效应研究，针对高功率微波进行防护设计，成为迫切需要解决的问题.2016年，我国颁布了国家军用标准《系统电磁环境效应试验方法》（GJB 8848—2016），明确将高功率微波纳入武器装备的考核范围，并规定了武器系统及其相关军械的高功率微波防护能力考核方法［7］.本文以某X 波段微波接收前端为对象，提出效应实验方案，开展实验获取效应现象和数据，分析高功率微波对电子设备的作用机理，为武器装备高功率微波效应评估和防护设计提供参考.

1 HPM效应实验研究进展

美国、欧洲在HPM 效应实验技术研究方面起步较早.由美国国防部、三军研究实验室、能源部三大国家实验室共同支持开展了一系列研究工作，发布了试验规程TOP1-2-511［8］，提出并规范了试验目的、要求、应用范围、试验设置、试验流程及数据处理，为电子信息装备HPM效应试验研究奠定了基础.欧洲各国制定了系统电磁环境效应试验方法AECTP500［9］，并建立了多个系统级HPM 效应测试系统，如瑞典的MTF 测试系统、英国的Orion HPM 测试系统、法国的Hyperion HPM 测试系统、德国的Supra测试系统等，开展了大量的外场试验，包括军用／民用飞机、陆军电台、战术数据链、导弹、小汽车、运输车及计算机等不同系统的效应试验［10］.文献［11］对瑞典、英国、德国和美国在HPM 效应方面的研究进展进行了综述.

国内在HPM 效应实验方面的研究以元器件级为主，设备级和系统级的报道不多.西北核技术研究所是国内较早开展HPM 元器件级效应研究的单位，方进勇等人采用注入法研究了微波脉冲参数变化对集成电路器件微波易损性的影响［12］，采用辐照法对几种数字电子系统进行效应实验，探讨了微波脉冲宽度与效应物扰乱阈值的关系［13］.范菊平重点研究了半导体器件的HPM 非线性损伤效应，指出非线性效应是HPM 损伤半导体器件的根本机制［14］.针对雷达前端HPM 防护的需要，汪海洋开展了PIN 限幅器和CMOS 反相器单元数字电路效应理论模拟与实验研究［15］.张海伟利用注入法研究了HPM 对低噪声放大器的作用效应，并提出了相应的防护措施［16］.近年来，HPM 效应的研究开始向组件级、设备级拓展.文献［17］对多组微波接收单元进行了辐照实验，得到了效应物在不同作用概率下所需的辐照功率和辐照次数.文献［18］对雷达接收机测角功能关键部件分别进行辐照和注入试验，结果显示HPM 信号特征与雷达接收信号特征接近程度越高，干扰效应越明显，且越难以通过信号处理手段进行滤除.文献［19］利用S 波段高功率微波源辐照短波通信电台，研究了HPM 的带外损伤效应，表明HPM 对短波频段装备存在损伤的可能.随着《系统电磁环境效应试验方法》（GJB 8848—2016）的贯彻实施，相关武器装备针对HPM 开展防护设计成为必要，HPM 的作用效应研究也将受到更多关注.

目前，HPM效应研究以实验手段为主，包括辐照法和注入法两类.辐照法是利用HPM 模拟源产生高峰值场强并对效应物进行辐照，适用于电子设备分机、系统整体作用效应研究，实验环境通常为电波暗室、开阔外场、混响室和GTEM 小室等，实验条件要求高.注入法是将微波源产生的信号直接注入接收端口，所需功率较小，实验条件容易建立，适用于器件级和电路部件级效应研究，如雷达接收机天线“前门”耦合效应.大量实验数据和现象使人们对HPM的作用效应有了进一步的认识［20，21］.根据作用效果持续时间分类，可分为瞬时效应、暂时效应、永久效应.根据破坏程度分类，可分为干扰、扰乱、降级、损坏四类.可以将两种分类方法进行对应，即干扰对应瞬时效应，扰乱对应暂时效应，降级和损坏对应永久效应.

2 实验对象与方案

高功率微波工作频段基本覆盖了目前微波雷达的工作频段，因此通过雷达接收天线进入微波接收机的概率大大增加.由于微波接收机灵敏度高，一旦受到高功率微波攻击，其中的低噪声放大器、混频器、滤波器等敏感器件容易被干扰甚至损坏.本文以某X 波段微波接收前端为实验对象，如图1 所示.该接收前端是微波接收机的重要组成部分，由限幅器、低噪声放大器、功分器、变频滤波组件、本振、中频放大模块和电源模块等部分组成，主要功能是将来自微波天线端口的射频接收信号变频为中频信号输出给后端处理电路，组成框图如图2 所示.射频信号从限幅器前端输入，经过低噪声放大器放大后由射频功分器分成两路；一路直接输出到射频检测端口用于射频信号监测，另一路经两级混频后滤波放大得到60 MHz 中频信号，中频信号经过功分器一路直接输出到中频检测端口用于信号监测，另一路在可变增益中频放大模块控制下放大输出至后续处理电路.电源模块为各个模块提供所需要的电源.微波接收前端工作频段为9.8～10.2 GHz，灵敏度为-100 dBm，动态范围为75 dB.

图1 X波段微波接收前端实物图Fig.1 X-band microwave receiver front-end

为了对比验证限幅器的防护能力，图2 中的限幅器设计成可拆装形式，装上限幅器，则注入信号先经过限幅器再到低噪声放大器，此时限幅器发挥作用.反之则该线路为通路，注入信号将直接流入低噪声放大器.其中，低噪声放大器增益为24 dB，噪声系数不大于1.5 dB.限幅器驻波比小于1.5，最大可承受功率不小于2 W.

图2 微波接收前端组成框图Fig.2 Block diagram of microwave receiver front-end

实验的主要目的是获得微波接收前端的“前门”耦合效应，故采用注入法开展效应实验.实验设备包括脉冲信号发生器、功率放大器、定向耦合器、环行器、示波器、检波器、负载等，实验布置如图3 所示.脉冲信号发生器产生脉宽可调、功率可调的单脉冲/重频微波，经功放放大和滤波器滤波后注入目标.利用定向耦合器、检波器以及示波器监测注入功率，并通过微波接收前端中频检测电路端口实时监测中频输出信号.

图3 注入效应实验布置方案Fig.3 Layout of injection experiment

在本实验中，注入实验分为预备实验和正式实验.预备实验采用功率水平较低的单脉冲注入，一般比最低的正式实验注入功率低3 dB，目的是通过尝试性注入进行功率数据摸底，如有必要，调整正式实验的初始注入功率.正式实验是按照从小到大的顺序依次增大功率、重频或脉宽，获取效应物的效应现象和相应的阈值.当实验条件发生变化时，需在前一个实验条件的基础上重新进行预备实验.

每完成一次微波信号注入，对微波接收前端的接收灵敏度进行一次检查.具体做法是：利用脉冲信号发生器产生略大于-100 dBm 的X 波段微波信号，注入微波接收前端的射频输入端口，逐渐减小注入信号的功率至-100 dBm，并监测中频输出信号，检查接收灵敏度是否仍然满足设计指标要求.

本次实验主要考察降级和损坏两种效应现象.为了对这两种效应现象进行明确区分，规定微波接收前端灵敏度下降1 dB 以内为正常，下降1～10 dB且短时间内无法恢复为降级，下降10 dB以上且短时间内无法恢复为损坏.

3 实验过程与结果分析

3.1 实验过程与结果

根据图3 的实验布置方案，实验设备的实际连接如图4 所示.图5 为两台监测示波器，其中下面一台示波器用于监测注入微波信号的功率、波形等参数是否满足要求；上面一台示波器用于监测微波接收前端的中频输出信号是否正常、灵敏度是否下降.此次试验的注入信号为窄谱HPM 脉冲信号，波形如图5 所示，可通过微波源修改注入信号的峰值功率、脉宽和中频等参数.

图4 注入效应实验设备连接图Fig.4 Connection diagram of injection experiment

图5 注入微波信号监测和中频输出信号监测Fig.5 Monitoring of injected microwave signal and IF output signal

首先进行带限幅器的注入试验，效应数据见表1.在有限幅器防护条件下，当注入微波脉冲峰值功率达到60.7 dBm、脉冲数达到每秒100 个、脉宽达到100 ns 时，微波接收前端工作正常；保持注入功率、每秒脉冲个数不变，逐渐增加脉宽到2 000 ns时，微波接收前端的接收灵敏度，下降约9 dB，且短时间无法恢复，判断为降级.按此参数继续注入5 次，发现灵敏度持续下降13 dB、17 dB、18 dB，之后保持不变，且无法自行恢复，检查发现前端限幅器（图6 中实线框内）损坏失效，其余器件正常.同等注入条件下效应物的灵敏度持续下降，表明损坏作用有一定的累积效应.此外，表1 数据表明，保持峰值功率不变，增大脉宽、增加脉冲数，可以实现损伤作用效果.

表1 效应数据与效应现象（有限幅器保护）Tab.1 Effect data and effect phenomenon（with limiter）

然后卸下限幅器进行注入试验，效应数据见表2.通过预备实验摸底，将微波脉冲的脉宽设置为100 ns，脉冲数设置为1 个，逐渐增加注入的峰值功率.表2 数据显示，当峰值功率从38.0 dBm 增加到46.4 dBm 时，微波接收前端正常，进一步增加到48.8 dBm 时，接收机灵敏度下降约28 dB.重复两次实验，若效应现象稳定不变，则判断为损坏，检查发现低噪声放大器（见图6 虚框）失效.可以发现，缺少限幅器保护，微波接收前端的损伤阈值显著下降.

表2 效应数据与效应现象（无限幅器保护）Tab.2 Effect data and effect phenomenon（without limiter）

图6 微波接收前端内部的限幅器和低噪声放大器Fig.6 Limiter and low-noise amplifier inside microwave receiver front-end cabinet

3.2 实验结果分析

综合以上效应数据，并对比相关文献数据，可以发现：

1）增大峰值功率，或者保持峰值功率不变、增加脉宽和脉冲数，都可以造成电子设备损伤.事实上，这也是当前高功率微波损伤技术的两大方向，一是采用“高峰值功率+窄脉冲”方式进行损伤，二是采用“相对较低峰值功率+长脉冲串”进行损伤.有实验研究表明［1］，当脉冲持续时间小于100 ns 时，微波能量产生的热量来不及扩散，半导体的结损伤只取决于能量的沉积，如果峰值功率足够高，就能以窄脉冲的形式产生损伤效应.此外，如果采用一定重复频率的微波脉冲，使得脉冲串之间没有足够的时间扩散热量，就会出现能量沉积或者热量积累，实现HPM 的累积破坏效应.

2）峰值功率、脉宽和脉冲数这几个参数应当结合运用，以增强HPM 的作用效应.文献［17］的研究表明，单次HPM 作用下，由“前门”耦合进入具有限幅保护结构接收机前端电路中的损伤功率需大于80 dBm（100 kW）.文献［18］对X 波段雷达接收机中的测角功能关键部件进行了效应实验，使用了宽脉冲串（脉宽1 μs，脉冲数100 个），结果表明效应物损坏的峰值接收功率为1～2 kW.本文同样采用了宽脉冲串（脉宽2.2 μs，脉冲数100 个），在接收峰值功率为1 175 W（60.7 dBm）时，限幅器损坏了.可见，能量沉积是进行损伤的必要条件，应当在微波源设计中综合运用峰值功率、脉宽和脉冲数等参数，实现作用效应的优化.

3）针对高功率微波采用防护措施是必要的，也是有效的.本文实验显示，无限幅器保护时，注入功率为75.9 W（48.8 dBm）时，单个脉冲就能损伤低噪声放大器，使得微波接收前端失效；采用限幅器后，峰值功率需增加到1 175 W（60.7 dBm），同时脉宽增大到2.2 μs、脉冲数增加到100 个，防护能力的提升非常显著.

4）实验方法方面，本文也进行了一些探索，考虑效应实验对电子设备的破坏作用，将效应实验分为预备实验和正式实验两个步骤，目的是循序渐进地找到效应阈值，便于开展损伤机理分析.表1 和表2的结果表明这一做法是正确、有效的.

对比文献［17-18］和本文结果可以看出，HPM效应实验对象不同，其损伤阈值也不相同.损伤阈值不仅与效应对象采用的器件、防护手段有关，还与注入HPM 信号的参数有关.上述实验揭示的HPM 效应现象和结论对于HPM 效应研究和防护设计具有明确的指导意义.

3.3 HPM损伤距离分析

得出效应阈值后，接下来分析HPM 武器对电子设备产生电磁损伤的作用距离.

通过前门通道进入用频装备内部的HPM 信号，其大小由HPM武器辐射功率Pt、发射天线增益Gt、微波波长λ、HPM 武器与目标距离R、接收天线增益Gr、极化匹配因子γ、大气损耗因子L等参数共同决定，如式（1）所示.

图7 给出了在若干典型参数下用频装备天线接收端的接收功率Pr与作用距离R、微波武器辐射功率Pt之间的关系.典型参数选取分别为：HPM 中心频率10 GHz，发射天线增益45 dB，接收天线增益35 dB，发射天线和接收天线极化完全匹配（即γ=1），忽略大气损耗（即L=1）.结果显示，用频装备接收功率与作用距离成平方反比关系；随着微波武器辐射功率增加，接收功率线性增加.在此基础上，将上一节注入效应实验得到的功率阈值画到图7 中，通过与用频装备接收到的微波功率进行对比可以发现，当用频装备有限幅器保护时（对应损伤功率阈值60.7 dBm），三种不同辐射功率的HPM 武器，按辐射功率从小到大，其作用距离分别为0.75 km、1.5 km和2.5 km；当用频装备无限幅器保护时（对应损伤功率阈值48.8 dBm），作用距离分别为2.7 km、6.0 km 和8.5 km.可见，在近距离电磁对抗中，用频装备被HPM武器损伤的可能性是现实存在的.

图7 用频装备天线接收功率Pr与作用距离R、微波武器辐射功率Pt的关系Fig.7 Relationships of received power Pr with distance R and radiation power of the microwave weapon Pt

4 结论

本文以某X 波段微波接收前端为对象，采用注入方法，研究了HPM 对典型射频接收电路的损伤效应，得到如下结论：

1）通过高峰值功率或者长脉宽脉冲串，HPM 可以对电子设备中的敏感器件造成损伤，功率、脉宽和脉冲数这几个微波源关键参数应当结合运用以优化HPM武器攻击效果；

2）采用限幅器等防护手段，可以显著提升电子设备的抗烧毁能力，因此对“前门”通道进行防护是必要和有效的；

3）HPM 武器作用距离与武器参数、用频装备参数以及大气损耗等因素有关，典型参数结果表明，在近距离电磁对抗中，HPM 可通过“前门”通道对采取防护措施的用频装备产生损伤.