高功率微波对引信射频前端的干扰与防护研究

高功率微波(HPM)是指中心频率为 100 MHz ～ 300GHz、峰值功率大于100 MW 或平均功率大于1 MW 的强电磁辐射 。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 ，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。

HPMW 的攻击波形分为窄带和超宽带两种。窄带波形针对特定频率的电子设备攻击效果更强，一般采用正弦信号调制的矩形脉冲波形，其表达式如下:

式中: E 0 为场强峰值; f 0 为载波频率; t r 为脉冲的上升和下降时间; τ 为平坦脉冲宽度。中心频率 35 GHz、脉宽30 ns 的矩形脉冲信号时的频域波形如图 1 所示。

现有 HPM 的重复频率大多在 kHz 以下，引信对HPM 的响应波形持续时间在纳秒级别，因此在不考虑由脉冲重复频率产生热效应影响的情况下，本文只研究单脉冲波形的干扰效果。

前门耦合指 HPM 通过接收天线等途径进入引信射频前端电路，是高功率微波武器攻击毫米波引信的主要途径 。HPMW 发射端到引信接收端的功率传输可以用Friis 公式计算，引信天线接收功率 P r 可表示为

式中: P t 为 HPMW 发射功率; G t 为 HPMW 发射增益; Gr为引信天线接收增益; λ 0 为引信的波长; B t 和 B r 分别为HPMW 发射和引信接收带宽; L t 为综合损耗因子; Ｒ 为传输距离。距离 HPMWＲ 处的场强 E 可表示为

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． 73dB，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。

图 4 45°照射天线示意图

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。

图 6 HPMW 作用区域示意图

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。

表 2 HPM 不同注入方式下的影响效果

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，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 21mV，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，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。

图 12 回波与干扰同时注入引信接收机电路模型

图 13 引信差频信号变化

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。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。

图 14 Ka 波段限幅电路原理图

图 15 限幅电路参数图

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 S 11 为 －48． 484 dB，回波损耗 S 21 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 。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 25kV/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。

图 16 入射场强为 25 kV/m 时限幅器输出信号

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。

图 17 防护后的射频前端电路模型

图 18 增加限幅模块后的差频频谱

作者：李 巍，李明典，刘 斌，刘景萍

来源：航空兵器