論高功率微波對(duì)脈沖多普勒無線電引信干擾的無效性

馮延彬，李國(guó)林，李春榮，路翠華

（1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；2.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東 青州 262500；3.解放軍93502部隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

由于高功率微波的高功率、強(qiáng)耦合特性，無線電引信在近距離高功率微波作用下，其系統(tǒng)由于內(nèi)部電子器件暫時(shí)失效或永久燒毀而受到破壞。如某型號(hào)脈沖多普勒引信的高功率微波效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：S波段微波功率密度大約在10W／cm2量級(jí)時(shí)，引信均出現(xiàn)暫時(shí)失效或早炸現(xiàn)象［1］。而在高功率微波功率未達(dá)到引信器件性擾亂或燒毀閾值前，即在非高功率微波器件物理?yè)p傷前提下，高功率微波信號(hào)能否達(dá)成對(duì)系統(tǒng)正常工作信號(hào)的攻擊，形成干擾效應(yīng)未見相應(yīng)的研究。根據(jù)對(duì)GPS、計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等其他電子設(shè)備的研究，高功率微波可以對(duì)系統(tǒng)形成干擾［2－6］。但引信系統(tǒng)有其結(jié)構(gòu)、使用等方面的特殊性和較強(qiáng)抗干擾能力，高功率微波能否形成干擾條件并干擾系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)是高功率微波對(duì)無線電引信效應(yīng)的重要研究?jī)?nèi)容之一。因此，本文研究空基高功率微波武器對(duì)脈沖多普勒引信的干擾效果。

1 高功率微波干擾信號(hào)來源

假設(shè)高功率微波武器裝備在作戰(zhàn)飛機(jī)上，飛機(jī)與導(dǎo)彈相向飛行，輻射方向沿飛機(jī)軸線向前。由于飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性比導(dǎo)彈差，這種空間位置決定了高功率微波進(jìn)入引信接收機(jī)的功率會(huì)大幅度降低，達(dá)不到失效或燒毀要求，從而形成干擾信號(hào)源，其主要原因如下。

1.1 空間位置因素

受機(jī)載天線安裝空間的局限，其高功率微波照射方向與無線電引信接收天線方向會(huì)不一致。從引戰(zhàn)配合來說，高功率微波載機(jī)與加電的導(dǎo)彈引信相會(huì)時(shí)間最多為5s，甚至低于1s；從空間位置上，載機(jī)飛行員如果決定利用高功率微波武器對(duì)抗來襲導(dǎo)彈，須將天線正對(duì)導(dǎo)彈，因而需要相向而行。這種空間位置決定了高功率微波武器能量在交會(huì)前無法從引信天線主瓣波束進(jìn)入。從引信天線旁瓣進(jìn)入時(shí)，衰減很大。另外，部分導(dǎo)彈無線電引信信號(hào)處理電路還采取了副瓣對(duì)消等技術(shù)來降低干擾信號(hào)功率。

1.2 信號(hào)頻率、極化方向以及接收天線的選擇性

空基高功率微波武器依靠無線電引信“前門”作用實(shí)施攻擊時(shí)，必然會(huì)有針對(duì)性地選擇頻段，盡量與雷達(dá)信號(hào)工作頻段相同，并選擇圓極化方式。如果選擇頻段相差較大，引信天線的選頻特性以及系統(tǒng)中的高頻濾波器會(huì)給非工作頻段內(nèi)的能量以較大的衰減。如果無線電引信天線間的極化方向也為圓極化，但方向相反，那么進(jìn)入引信內(nèi)部的功率理論上為零。

1.3 限幅器

微波限幅器作為一種重要的抗大信號(hào)干擾器件開始被應(yīng)用在先進(jìn)的引信接收機(jī)系統(tǒng)中，用于保護(hù)接收機(jī)中后級(jí)低噪聲放大器、混頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等敏感器件，避免這些器件被帶內(nèi)和帶外的高功率信號(hào)燒毀。輸入限幅器的高功率信號(hào)大部分被旁路掉。限幅的結(jié)果是只有限幅后的信號(hào)符合引信系統(tǒng)的輸入要求。如MA4L022限幅二極管，可承受100 W以上的脈沖功率沖擊，可將45dBm的輸入信號(hào)限幅至25dBm以下。

具體考慮引信所處的高功率微波環(huán)境，從干擾的角度，無線電引信所處的高功率微波環(huán)境信號(hào)具備了干擾的基本要求，有如下特點(diǎn)：

1）信號(hào)足夠大。由于是近距離作用，高功率微波信號(hào)的功率完全勝任干擾的需要。

2）高功率微波屬窄帶，能量相對(duì)集中（90%的能量分布在帶寬內(nèi)）。

3）信號(hào)屬于規(guī)律性重復(fù)脈沖。機(jī)載高功率微波武器脈寬一般在100ns級(jí)，信號(hào)重復(fù)率為1Hz～1kHz。

2 干擾無效的邏輯分析

為方便分析，引信研究對(duì)象選定為脈沖多普勒無線電引信。這是目前主戰(zhàn)裝備常用選型。美國(guó)的AIM－120、挪威的Nasmas、意大利的Aspide以及英國(guó)的“天空閃光”導(dǎo)彈等空空導(dǎo)彈均采用了此類引信。

2.1 幾何位置分析

引信天線接收能力受機(jī)載高功率微波武器方向與無線電引信接收天線方向空間位置影響最大。通常，高功率微波武器的天線方向始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并跟蹤目標(biāo)位置。

圖1 空空導(dǎo)彈與目標(biāo)位置關(guān)系圖Fig.1 Location relationship of air－to－air missile and target

通常典型空空導(dǎo)彈無線電引信天線主瓣和彈軸傾角為αH＝60°±2°，主瓣波束寬度為θH－3dB＝9°±1°。先進(jìn)的引信天線在目標(biāo)方向無旁瓣。即使有旁瓣可以進(jìn)入，而主副瓣電平比通常不小于20dB。

引信與高功率微波武器空間位置決定了在載機(jī)未進(jìn)入導(dǎo)彈引信作用區(qū)前，高功率微波武器能量無法從引信主瓣波束進(jìn)入，進(jìn)入導(dǎo)彈引信的可以是旁瓣信號(hào)和近距離的散射干擾信號(hào)。因此，高功率微波高功率微波武器不能對(duì)導(dǎo)彈產(chǎn)生毀傷效應(yīng)。引信加電開機(jī)前，來襲導(dǎo)彈已被空基高功率微波武器目標(biāo)感知系統(tǒng)感知，高功率微波武器處于發(fā)射狀態(tài)，其天線所指方向即為導(dǎo)彈方向。此時(shí)，導(dǎo)彈與戰(zhàn)機(jī)尚未進(jìn)入交會(huì)段，機(jī)－彈連線與彈軸夾角很小，如圖1所示。假設(shè)載機(jī)速度為V1＝300m／s，導(dǎo)彈速度為V2＝1 000m／s，導(dǎo)彈按比例導(dǎo)引，考慮不同的導(dǎo)彈來襲方位，載機(jī)位置與導(dǎo)彈位置連線和導(dǎo)彈實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡之間夾角的最大值為：

2.2 信號(hào)流程分析

脈沖多普勒引信發(fā)射脈沖受目標(biāo)距離調(diào)制，飛機(jī)與導(dǎo)彈間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率。信號(hào)從天線進(jìn)入，并經(jīng)環(huán)流器進(jìn)入接收機(jī)。

圖2 脈沖多普勒引信原理圖Fig.2 Principle diagram of pulse Doppler radio fuze

脈沖多普勒引信信號(hào)流程見圖2。高功率微波信號(hào)要進(jìn)入信號(hào)處理部分，首先受到發(fā)射接收開關(guān)的衰減，該開關(guān)的作用是發(fā)射脈沖期間關(guān)閉接收機(jī)，發(fā)射脈沖結(jié)束后，開關(guān)打開，使回波進(jìn)入混頻器。

其次受距離門脈沖寬度影響。只有在距離門脈沖期間，來自目標(biāo)的信號(hào)才能進(jìn)入混頻器，而距離門以外的干擾信號(hào)則被抑制。混頻器內(nèi)，回波信號(hào)同本振信號(hào)混頻，產(chǎn)生受多普勒信號(hào)調(diào)制的雙向視頻信號(hào)，并進(jìn)入中頻濾波器。如果高功率微波信號(hào)與本振混頻后產(chǎn)生的中頻信號(hào)偏差較大，則受到較大的衰減。

外差式脈沖多普勒引信發(fā)射的脈沖是一種大占空比系數(shù)的脈沖。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有脈沖多普勒引信的統(tǒng)計(jì)，一般調(diào)制脈沖寬度在0.8～4μs之間，調(diào)制脈沖重復(fù)周期為30～50μs。根據(jù)假設(shè)，則高功率微波從前門進(jìn)入的窗口時(shí)間（距離門脈沖寬度）與工作時(shí)間（調(diào)制脈沖重復(fù)周期）之比為1／60～1／10之間，但窗口開啟并不代表有高功率微波脈沖的進(jìn)入。

根據(jù)高功率微波武器所處的環(huán)境，假設(shè)高功率微波脈沖寬度100ns，重復(fù)率為1kHz，則其占空比為1／104。假設(shè)距離門脈沖寬度為2μs，調(diào)制脈沖重復(fù)周期為40μs。

分析1ms內(nèi)情況，高功率微波武器發(fā)射高功率微波脈沖數(shù)為1，假設(shè)調(diào)制脈沖分布均勻，引信1ms內(nèi)收到的調(diào)制脈沖數(shù)為：

有信號(hào)的時(shí)間為2n個(gè)距離門脈沖時(shí)間，即50μs。在1ms內(nèi)，高功率微波從前門進(jìn)入的窗口概率為50／1 000＝1／20。

而高功率微波信號(hào)進(jìn)入后僅影響一個(gè)回波脈沖，由于脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高功率微波信號(hào)寬度，故產(chǎn)生影響可能性不大。

再次是受信號(hào)相干檢測(cè)影響。部分外差式脈沖多普勒引信是將發(fā)射信號(hào)的一部分，經(jīng)微波延時(shí)線延時(shí)，再與回波信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)。相干檢測(cè)要求發(fā)射載波信號(hào)在發(fā)射若干個(gè)連續(xù)的脈沖時(shí)，必須具有一個(gè)固定的相位參考。只有當(dāng)兩個(gè)脈沖可以看作是從同一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的正弦波上截取下來的時(shí)，才被認(rèn)為是相干的。距離門和多普勒濾波器起到自相關(guān)處理的作用，本振信號(hào)才會(huì)通過由相干檢測(cè)結(jié)果控制的距離門微波開關(guān)電路加至混頻器。由于高功率微波信號(hào)與引信發(fā)射信號(hào)不相干，作為干擾信號(hào)的高功率微波信號(hào)自然無法通過混頻器。

流程分析說明：1kHz重復(fù)度的高功率微波只能影響回波的一個(gè)脈沖，不能作為干擾信號(hào)通過混頻器。

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

邏輯分析的正確性與否需采用驗(yàn)證。仿真方法采用時(shí)域有限差分法（FDTD）求解引信天線與高功率微波的耦合效應(yīng)，然后將高頻電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為天線的端口電壓文件，再將其引入行為級(jí)仿真軟件（Agilent Systemvue）建立的電子設(shè)備仿真系統(tǒng)，進(jìn)行場(chǎng)路結(jié)合的方法進(jìn)行仿真。

3.1 損毀無效

首先建立天線模型，仿真天線感應(yīng)電壓。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)縫隙單元在波導(dǎo)寬邊中心線一側(cè)排列的16陣元波導(dǎo)縫隙天線［7－9］，模型如圖3所示。

圖3 16陣元波導(dǎo)寬邊縫隙天線模型Fig.3 16elements array waveguide slot antenna model

圖4為仿真引信天線的天線場(chǎng)分布三維方向圖，主波束寬度僅為4.5°，且不存在前向旁瓣。

利用FDTD方法計(jì)算出天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖5所示，可見天線最大增益為17.7dB，副瓣電平小于15dB，主瓣傾角65°。從圖5可知，與彈軸傾角20°內(nèi)增益為－25dB左右。

圖4 天線遠(yuǎn)場(chǎng)分布三維方向圖Fig.4 Antenna’s far field distribution of a three－dimensional pattern

圖5 天線遠(yuǎn)場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.5 Far field distribution simulation results of antenna

為使天線獲得最大的感應(yīng)信號(hào)，高功率微波選用圓極化高斯脈沖平面波，沿主瓣以傾角65°輻照無線電該引信天線。入射波電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)為10kV／m。由FDTD方法仿真提取天線端口感應(yīng)電壓的時(shí)域波形如圖6所示。

圖6 高功率微波輻照下引信天線耦合電壓Fig.6 Coupling voltage of the fuze antenna by HPM irradiation

如果高功率微波武器與導(dǎo)彈處于同一軸線，以0°～20°角度照射來襲導(dǎo)彈，根據(jù)圖5所示，引信天線端口感應(yīng)電壓將下降25dB，主瓣照射時(shí)感應(yīng)電壓按170V計(jì)，則零角度輻照時(shí)僅為0.54V。根本不具備對(duì)器件毀傷的電壓要求。

3.2 干擾無效

在Systemvue軟件中，建立脈沖多普勒無線電引信系統(tǒng)仿真模型。主要包括：脈沖信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)等部分，建立引信系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 引信系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Behavioral model of the PD fuze

按照?qǐng)D8所示方式，將高功率微波在天線上耦合電壓數(shù)據(jù)添加到引信系統(tǒng)仿真回路中。

圖8 天線端口模塊Fig.8 Antenna port module

首先在無干擾下，對(duì)混頻輸出的信號(hào)進(jìn)行仿真，獲得正常的時(shí)、頻域視頻信號(hào)，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 正常視頻信號(hào)時(shí)、頻域波形Fig.9 Normal video signal waveform in time domain and frequency domain

其次考察高功率微波單次照射情況。高功率微波信號(hào)經(jīng)天線耦合以脈沖形式耦合進(jìn)入引信系統(tǒng)，與本振信號(hào)混頻，產(chǎn)生的視頻信號(hào)如圖10所示。高功率微波重復(fù)頻率為1kHz，則每1ms發(fā)射一個(gè)脈沖，脈沖時(shí)長(zhǎng)為100ns，進(jìn)入導(dǎo)彈引信內(nèi)，只影響正常信號(hào)的1個(gè)脈沖，從而使輸出的視頻信號(hào)頻域變化不明顯。此時(shí)通過包絡(luò)檢波可正常檢出多普勒信號(hào)，不影響引信的正常工作。

假設(shè)高功率微波信號(hào)經(jīng)天線以連續(xù)波形式耦合進(jìn)入引信系統(tǒng)，產(chǎn)生的視頻信號(hào)如圖11所示。由于干擾太強(qiáng)，輸出信號(hào)的包絡(luò)頻率非常不明顯，此時(shí)通過包絡(luò)檢波檢出多普勒信號(hào)已不可能，從而影響引信的正常工作。

圖10 單次照射的視頻信號(hào)時(shí)頻域波形Fig.10 Video signal in time domain and frequency domain at HPM single irradiation

圖11 連續(xù)照射的視頻信號(hào)時(shí)頻域波形Fig.11 Video signal at HPM continual irradiation

在連續(xù)干擾情況下，對(duì)信號(hào)加限幅器，雖然干擾情況有所好轉(zhuǎn)，但仍不能解出正常信號(hào)。如圖12所示。

圖12 連續(xù)波加限幅器的視頻信號(hào)時(shí)頻域波形Fig.12 Video signal under HPM irradiation with limiter in time domain and frequency domain

可見，無論加限幅器與否，連續(xù)波狀高功率微波信號(hào)可造成干擾，有信號(hào)時(shí)，有干擾，無信號(hào)時(shí)，無干擾。受干擾時(shí)，信號(hào)頻譜與時(shí)域信號(hào)均發(fā)生較大變化，無法正常工作。但連續(xù)波的高功率微波是不存在的，因?yàn)楦吖β饰⒉茏龅降闹貜?fù)率目前為1 kHz左右，由于脈沖多普勒無線電引信工作在微波頻段，這樣的重復(fù)率對(duì)引信信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

在微波實(shí)驗(yàn)室對(duì)某一現(xiàn)役導(dǎo)彈無線電引信進(jìn)行了照射試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中沒有異常反應(yīng)。

4 結(jié)論

本文研究了空基高功率微波武器對(duì)脈沖多普勒引信的干擾效果。空間分析說明，高功率微波武器與引信的空間位置決定了在載機(jī)未進(jìn)入導(dǎo)彈引信作用區(qū)前，其能量無法從引信主瓣波束進(jìn)入；流程分析揭示，具有1kHz重復(fù)度的高功率微波也只能影響一個(gè)回波脈沖，不能作為干擾信號(hào)通過混頻器。高功率微波仿真與試驗(yàn)證明了以上觀點(diǎn)是正確的，即在目前的重復(fù)率和非器件毀傷的前提下，高功率微波武器不能干擾脈沖多普勒無線電引信。

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