高功率微波对引信射频前端的干扰与防护研究

摘 要： 针对调频引信的高功率微波干扰效应问题，对引信天线进行了辐照实验以及场-路联合仿真实验， 分析了HPM武器的干扰与毁伤距离，研究了不同角度、峰值、脉宽的HPM矩形脉冲对射频前端的干扰效应，并进行了防护设计。 研究表明：HPM偏离主波束越大，攻击效果越差，但在副瓣处有所加强；随着注入功率的增加，HPM的干扰能力会逐渐达到饱和；干扰强度总体上随脉宽增加而增加，理想情况下矩形脉冲产生的最大干扰信号几乎完全覆盖差频信号，严重影响目标识别的准确率；仅增加限幅电路可在一定程度上减小HPM照射造成的损伤，但不能防护HPM与回波信号同时到达时产生的干扰。

关键词：高功率微波；调频引信；辐照仿真；场-路联合仿真；干扰效应；限幅器

中图分类号：TJ43

文献标识码：A

文章编号：1673-5048（2022）05-0100-07

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0062

0 引  言

高功率微波（HPM）是指中心频率为100 MHz～300 GHz、峰值功率大于100 MW或平均功率大于1 MW的强电磁辐射［1］。 高功率微波武器（HPMW）通过高增益天线定向发射高功率微波照射目标，对目标的电子设备造成干扰或损伤，是未来信息对抗、空间攻防对抗的主要武器装备。 美国和俄罗斯已将HPMW投入实战［2］，主要目的是打击敌方的精确制导弹药。 毫米波调频引信通过发射调频电磁波确定目标位置，从而控制炸点，提高弹药的杀伤效能，是精确制导弹药的核心。 电磁环境的剧烈变化会使引信受到干扰，甚至损坏，研究HPMW对引信的干扰效应，对提升引信的战场生存能力具有重要意义。

目前，国内外对于HPM效应的研究包括实验设计［3］、前门耦合［4］、后门耦合［5］和非线性效应［6-7］等方面，多数研究仍局限于低频段（X波段以下），对于毫米波频段较少涉及。 本文使用场-路联合仿真的方法，将天线的前门耦合效应和引信系统的功率注入实验相结合，估算了HPMW的干扰作用距离，研究了窄带矩形脉冲对Ka波段调频引信的干扰效应，所得结论完善HPM干扰效应机理。 本文研究并设计了一款双正接的PIN限幅电路，对限幅器进行辐照信号场强为25 kV/m的仿真分析，设计方法与所得结论为后续的引信射频前端防护提供了依据。

2 前门耦合仿真与干扰距离

本文研究的引信接收天线为双角串馈微带阵列天线［8］。 天线工作在Ka波段，带宽1 GHz，回波损耗S11如图2所示。

天线印刷在厚度为0.254 mm的Rogers RT5880介质基板上，尺寸为17.06 mm×1.22 mm，最大增益14.73 dB，极化方向为匹配枝节长边方向，其模型和方向图如图3所示。

假设HPMW发射峰值功率为10 GW，发射增益为30.0 dB，由式（3）可得，距离HPMW60 m处的场强约为400 kV/m。

在CST中，采用单脉冲正弦信号调制的平面波模拟HPM信号。 设置平面波频率35 GHz，脉宽30 ns，电场强度为400 kV/m，选取0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°作为辐射角度样点照射天线模型，模拟HPMW攻击引信的场景，其中45°辐照示意图如图4所示。

经模拟不同角度进行辐照实验后，可以看到各角度产生的耦合波形有所差异，将天线耦合电压幅度与照射角度的关系绘制成拟合曲线，如图5所示。 随着HPMW的照射角度偏离主波束，耦合电压逐渐降低，但在40°左右的副瓣处，耦合电压略微增强，基本符合天线增益变化趋势，副瓣增益过大会增强HPMW斜射时的干扰能力。

由文献［9］可知，当输入信号功率在15～40 dBm时，接收机会受到干扰，干扰信号过大会影响接收电路的灵敏度；大于40 dBm时，会使接收电路电子线路烧毁；低于15 dBm时，接收机不受影响。 根据注入功率的变化，可以将HPMW的攻击区域分为毁伤区和干扰区，如图6所示。

取0°正面照射、45°斜射和90°垂直照射三个典型场景，根据不同角度照射时的耦合电压计算可得，HPMW对引信的干扰和毁伤区域范围如表1所示。

3 高功率微波效应研究

为方便研究HPM对引信的干扰与损伤效应，将HPM攻击引信分为以下几个情形。 不同注入方式下的干扰与损伤效果如表2所示。 当仅有HPM注入引信射频前端电路时，可能产生干扰效应或者损伤效应。 当HPM与引信回波信号同时注入时，由于设置的引信起爆距离为3 m，为避免HPM误伤，一般认为HPM起干扰作用。

无回波状态时，HPMW对引信造成的的损伤效应主要表现为：当HPM功率过大时，系统内的晶体管温度快速上升发生击穿，产生的大电流会使器件内部温度升高，达到材料的熔化温度时，HPMW的损伤效应会使引信误爆或者瞎火。

本文研究的引信结构为零中频结构，引信工作于Ka波段，带宽1 GHz，调制频率210 kHz，弹-目距离3 m处的差频信号频率为8.4 MHz［10］，以PL_1512为晶体管，设计低噪声放大器并进行性能仿真，结果如图7所示。 为了研究HPMW对引信造成的干扰效应，搭建的系统级仿真模型如图8所示。

将功率为10 dBm，峰值为1 V，上升沿和下降沿均为5 ns，脉宽为50 ns，频率为35 GHz的HPM矩形脉冲信号注入接收机，经过放大、混频、滤波后的输出差频信号波形如图9所示。

由图9可知，干扰脉冲产生的差频信号峰值为21 mV，噪声抬升至-48.32 dBm。 为模拟不同峰值矩形脉冲信号的影响，调整脉冲峰值电压为0.125 V，0.25 V，0.5 V，1 V，2 V，4 V，8 V，16 V，32 V注入接收机，将产生的干扰电平进行拟合，如图10所示。

由于LNA的非线性增益压缩效应［11］，干扰电平并没有随着注入功率的增加而线性抬升，而是在-47 dBm处达到了饱和，这是HPM耦合信号在引信损坏之前能达到的最强的干扰效果。 为研究不同脉宽矩形脉冲信号的影响，将功率为10 dBm的HPM矩形脉冲信号注入接收机，控制脉宽为50 ns， 75 ns， 100 ns， 125 ns， 150 ns。 可以得出HPM信号脉宽与干扰电平的关系，将数据进行拟合， 如图11所示。

可以看到，矩形脉冲的脉宽会影响引信的差频信号识别，干扰电平随着脉宽的增加呈现先减小后增加的趋势。 当干扰信号脉宽大于75 ns时，干扰电平增加趋势变缓，但都不会在8.4 MHz处产生明显峰差。 由以上数据可知，无回波状态时，不同峰值和脉宽的干扰信号会使噪声抬升，不会使引信误爆。

当回波信号与HPM干扰信号同时到达时，将矩形脉冲信号分别设置为16 V和32 V，脉宽100 ns，与回波一同注入到引信接收机中，搭建的系统级仿真模型如图12所示，受到干扰前后的差频频谱如图13所示。

通过对比理想差频和受干扰差频频谱可知，随着干扰信号脉宽逐渐增大，差频的信噪比也逐渐减小。 当注入的HPM干扰信号为16 V时，差频信号从理想状态下的30 dB以上降为10 dB以下。 当入射干扰信号为32 V时，差频信号信噪比降为3 dB以下，干扰信号几乎完全将回波信号覆盖。战场上电磁环境复杂，这会提高目标识别的难度。 通常引信需要多种保护手段灵活搭配使用，才能提高战场生存能力［12］。

4 引信射频前端防护措施

为提高引信的抗干扰能力，在信号处理模块可以控制起爆门限和信号积累，对干扰噪声进行抑制，提高差频识别准确率。 为提高引信的抗损伤能力，常见的HPM防护措施主要有屏蔽、限幅、滤波、接地等［13］。 当发射的HPM达到引信损伤阈值时，为了加强引信射频前端的防护能力，对引信射频前端提出具体的防护措施。

PIN限幅器被广泛应用于敏感电子系统的前端，可防止大功率微波脉冲造成的电子器件的损坏［14］。 本文采用MACOM公司的某型号PIN二极管，该二极管具有3 ns的转换时间，设计的Ka波段限幅器电路如图14所示。 电路由两只同向并联的二极管构成，对限幅电路进行参数扫描，得到其限幅性能指标以及回波损耗等参数如图15所示。

由图15（a）可知，限幅器带宽大于10 GHz，在天线中心频率处，限幅电路输入驻波参数S11为-48.484 dB，回波损耗S21为-0.028 dBm，匹配性能良好。 从图15（b）可知，该限幅电路起限阈值为0.411 dBm，稳定输出电平为2.919 dBm，当输入功率达到27 dBm时，限幅电路的限幅能力下降至5.268 dBm。

仅HPM信号注入引信接收电路时，当注入信号功率过大时，限幅器会达饱和状态，注入信号继续增大时，会达到由于PIN二极管的击穿或烧毁导致限幅器损坏状态，但具体的损伤阈值条件需要进行器件级的半导体模型建模，并通过TCAD等软件仿真出器件电压和温度分布［15］。 因此在保证限幅器正常工作的条件下，考虑距离HPMW1 km时天线的耦合情况。 设置辐照信号场强为25 kV/m、频率35 GHz、脉宽为100 ns的正弦调制矩形脉冲信号，经辐照实验后得到天线耦合电压为104.17 V。 对限幅电路进行瞬态仿真，得到限幅电路输出响应信号如图16所示。

可以看出，当辐照信号场强25 kV/m，耦合信号经过限幅器限幅后正向峰值为1.904 V，而反向峰值为2.688 V，限幅器限幅31.413 dB。 除出现轻微的尖峰泄露［16］情况外，正压和负压的限幅效果会随着功率的增大逐渐显现差异，这归因于PIN二极管负极接地的排布方式造成反向电压恶化， 但限幅后的信号仍能保证接收电路不被HPM信号干扰和损毁。

回波与干扰同时注入到增加限幅器的接收电路时，将干扰信号峰值设置为具有最大干扰效果的32 V。 仿真结构框图如图17所示，干扰后的差频频谱如图18所示。

可以看出，当HPM与回波同时注入产生干扰效应时，仅通过增加限幅模块，干扰信号仍旧完全将目标回波覆盖，导致引信无法正确发出起爆信号，使引信瞎火。

5 结  论

本文通过对引信天线的前门辐照实验和干扰阈值判据，得出了HPMW的干扰范围，然后通过场-路联合仿真，研究了HPMW对调频引信的干扰效应，最后提出了一种引信射频前端电路防护措施，得出以下结论：

（1） 以发射功率为10 GW，发射增益为30 dB的HPMW为例：随着HPM的照射角度偏离主波束，耦合电压逐渐降低，但在40°左右的副瓣处，耦合电压略微增强，基本符合天线增益变化趋势。 当武器以0°，45°和90°照射引信时，干扰区域的距离范围分别为：2.47～44.07 km，0.91～16.26 km，0.13 ～2.24 km，距离小于该范围会使引信损坏，大于则无影响。

（2） 矩形脉冲攻击会干扰引信差频信号的识别，当脉宽不变时，干扰会随着波形峰值的增加而达到饱和；总体上脉宽越大，干扰作用缓慢增强；当使用LNA能接受的最大干扰电平进行干扰实验时，引信的信噪比会剧烈恶化，严重影响目标识别的准确率。

（3） 采用限幅的方法能在一定程度上减小由于高功率微波带来的损伤，但仅采用限幅电路的防护措施不能保证引信在回波与干扰同时注入时候不受影响，因此需要多种保护手段灵活搭配使用，才能提高战场生存能力。

参考文献：

［1］ 王明. PIN限幅器高功率微波重复脉冲效应机理研究［D］. 北京： 中国工程物理研究院， 2018.

Wang Ming. Study on the Mechanism of High Power Microwave Repetitive Pulse Effect in PIN Limiter ［D］.Beijing： China Academy of Engineering Physics， 2018.（in Chinese）