T/R組件高功率電磁脈沖試驗研究

李吉浩，侯其坤，陳傳寶，許立講

(1.南京電子技術研究所， 南京210039； 2.天線與微波技術國防科技重點實驗室， 南京210039)

0 引言

在現代化的高科技戰爭中，能否有效獲取信息成為戰爭的核心和關鍵，雷達特別是有源相控陣雷達作為獲得戰爭信息的關鍵傳感器，作用和地位舉足輕重。目前，有源相控陣雷達除了受低空/超低空飛機、巡航導彈、低空雜波、電子干擾和反輻射武器隱身飛行器等威脅外，還面臨電磁脈沖武器等新概念武器的威脅［1］，面臨得環境更加復雜，電磁環境不斷惡化［2-3］。

作為有源相控陣雷達發射末端和接收前端的核心部件，T/R組件直接暴露在復雜的電磁環境中，相控陣雷達內核的抗燒毀問題主要體現在數目巨大的T/R組件的燒毀問題［4］。因此，有必要通過高功率電磁脈沖試驗系統，進行T/R組件的高功率電磁脈沖毀傷效應試驗，積累T/R組件的毀傷閾值和加固設計經驗，增強該方向的技術基礎。

1 高功率電磁脈沖進入T/R組件的途徑

電磁脈沖進入T/R組件的途徑主要有三種:(1)通過殼體上的孔隙;(2)通過對殼體的穿透;(3)通過暴露在陣面表面上的天線。其中，電磁波對殼體的穿透是通過趨膚效應實現的，2 GHz的微波信號在銅和鋁中的趨膚厚度分別為1.52 μm和2.82 μm，頻率更高的微波信號趨膚厚度更小。可見，高功率電磁脈沖對殼體的穿透作用很小。

高功率電磁脈沖對T/R組件的毀傷途徑主要包括兩個方面:一是經過天線耦合后產生感應電流，通過線路或波導結構進入T/R組件;二是通過孔隙耦合進入T/R組件［5］。對于通過孔隙耦合進入艙體內部的電磁脈沖，可以通過改進屏蔽結構或開孔方式等有效控制其影響。而從天線耦合進入T/R組件的電磁脈沖是致命的，這是由于:為了使雷達有更遠的作用距離或更容易發現目標，通常要求雷達能夠處理微弱信號。例如，超外差式雷達接收機靈敏度為10-12W～10-14W，而保證這個靈敏度所需的增益為120 dB～160 dB。當雷達天線接收到很強的電磁脈沖時，接收機再將此信號放大，則雷達射頻前端的低噪放大器等電子元器件很容易受到不可逆損傷。雷達的靈敏度越高，作用距離越遠，其受到電磁損傷的可能性就越大。

本文主要針對高功率脈沖經天線耦合后對T/R組件產生的毀傷效應進行試驗方法研究和相關試驗驗證，積累T/R組件的毀傷閾值和加固設計經驗。

2 進入T/R組件的電磁脈沖輻照場強與注入功率的等效關系

2.1 電磁脈沖經天線耦合進入T/R組件的輻照模型

高功率電磁脈沖經天線耦合進入T/R組件的空間輻射模型如圖1所示，高功率電磁脈沖源Pt經增益為Gt、孔徑面積為At的發射天線，經過距離為R的空間損耗后，由增益為Gr、孔徑面積為Ar的接收天線耦合進入T/R組件接收通道的功率為Pr，接收天線處的場強為E。

圖1 電磁脈沖經天線耦合進入T/R組件的模型

Pr與E、Pt的關系如下

2.2 電磁脈沖經天線耦合進入T/R組件的典型實例

針對電磁脈沖經天線耦合進入T/R組件的典型情況，取T/R組件限幅器的最大耐功率Pr=1 500 W，發射天線增益Gt=5 dB，發射天線孔徑D=0.1 m，接收天線增益Gr=5 dB，接收天線孔徑D=0.1 m，空間距離R=10 m，波長λ=0.1 m，則此時對應的發射功率為

此時，組件處的功率密度為

因此，T/R組件處的場強E=26 300(V/m)。

由上述分析可知，經天線進入T/R組件場強為26 300 V/m的電磁脈沖等效為1 500 W的注入功率。

3 T/R組件高功率電磁脈沖試驗方法

根據進入T/R組件的電磁脈沖輻照場強與注入功率的等效關系，在實驗室環境進行高功率電磁脈沖試驗，主要有兩種試驗方法:電磁脈沖注入試驗和電磁脈沖輻照試驗。電磁脈沖注入試驗的測試裝置包括:(1)高功率微波信號注入及HPM參數測量系統;(2)參考信號注入、選參;(3)透射信號測試:放大、檢波。電磁脈沖輻照試驗測試裝置包括高功率微波信號源及天線。

3.1 電磁脈沖注入試驗

電磁脈沖注入試驗系統示意圖如圖2所示。通過觸發控制器來設置微波的脈沖個數和重復頻率，由微波固態源設置微波脈沖的功率和脈沖寬度。通過定向耦合器、檢波器、衰減器和數字示波器監測T/R組件試驗件的注入波形、反射波形及T/R組件輸出參考信號。信號源為T/R組件提供參考信號，該信號和高功率微波脈沖同時經過定向耦合器注入T/R組件。由于參考信號電平經T/R組件輸出后較小，不便于監測T/R組件的性能降級情況，所以在T/R組件輸出端加兩級放大器，對輸出參考信號進行線性放大，以便監測T/R組件微波損傷后的工作情況。直流電源為T/R組件和低噪聲放大器提供工作電壓，保證電路正常工作。示波器用來測量注入高功率微波脈沖的信號情況，同時監測經過T/R組件后的參考信號電平。

圖2 電磁脈沖注入試驗系統原理圖

3.2 電磁脈沖輻照試驗

電磁脈沖輻照試驗系統示意圖如圖3a)所示。高功率微波源的信號(垂直極化)被場強探測器探測到，然后經過電纜到達衰減器。此后信號被3 dB的功分器分成兩路，一路直接送到示波器的CH2通道，另一路經過不同的電路模塊后輸入到示波器的CH3通道。

T/R組件UWS-HPM測試采用輻照法，實驗裝置如圖3b)所示。觸發控制器用來設置高功率微波輻照的重復頻率和作用時間。UWS脈沖信號通過天線輻射到T/R組件所在的位置，對T/R組件進行作用。T/R組件處UWS信號強度采用測量天線、微波纜、衰減器和示波器配合測量。直流電源為T/R組件提供工作電壓，保證電路正常工作。

圖3 磁脈沖輻照試驗系統示意圖和實驗裝置圖

4 T/R組件電磁脈沖毀傷效應試驗驗證

為了驗證T/R組件高功率電磁脈沖毀傷效應，分別采用電磁脈沖注入試驗和電磁脈沖輻照試驗對某T/R組件進行試驗驗證，積累T/R組件的毀傷閾值和加固設計經驗。

4.1 T/R組件電磁脈沖注入試驗

在T/R組件電磁脈沖注入試驗(見圖4)中，選用兩種脈沖方式:其一為單脈沖形式，如圖5a)所示;其二為脈沖串形式，如圖5b)所示。單脈沖由固態微波源直接輸出，脈沖串形式利用HP8131A觸發固態微波源產生。

圖4 T/R組件電磁脈沖注入試驗

圖5 單脈沖波形和脈沖串波形示意圖

對某T/R組件進行電磁脈沖注入毀傷效應試驗。圖6為單脈沖干擾效應波形圖。此時，注入高功率微波(HPM)信號并未對T/R組件產生損傷，參考信號在HPM作用結束后，立即恢復正常工作狀態。圖7為單脈沖損傷效應波形圖。此時，注入微波對T/R組件產生損傷，導致T/R組件接收支路增益降低，而且T/R組件性能在HPM作用結束后有一個恢復過程，但最終未完全恢復，形成永久損傷，導致性能降級。

圖6 單脈沖作用時干擾波形

圖7 單脈沖作用時損傷波形

圖8為注入脈沖串的干擾波形圖。此時，注入高功率微波(HPM)信號并未對T/R組件產生損傷，參考信號在HPM作用結束后，立即恢復正常工作狀態。圖9為注入脈沖串的損傷波形。此時，注入微波對T/R組件產生損傷，導致T/R組件接收支路增益降低，而且T/R組件性能在HPM作用結束后有一個恢復過程，但最終未完全恢復，形成永久損傷，導致性能降級。

圖8 脈沖串作用時干擾波形

圖9 脈沖串作用時損傷波形

對某T/R組件進行電磁脈沖毀傷效應試驗，結果如圖10所示。試驗條件為單脈沖注入，重復頻率100 Hz。功率約5 kW時開始降級;功率5 kW～10 kW時，器件增益下降約1 dB ～2 dB;功率10 kW ～30 kW時，器件增益下降10 dB ～18 dB。

圖10 單脈沖注入，重復頻率100 Hz

試驗條件為脈沖串注入，脈沖數10個，脈沖重復頻率100 Hz。功率約5 kW時開始降級;功率5 kW ～7 kW時，器件增益下降約1 dB ～3 dB;功率11 kW ～13 kW 時，器件增益下降8 dB ～10 dB;功率16 kW時，器件增益下降20 dB。相應的T/R組件增益降級結果如圖11所示。

圖11 脈沖串注入，脈沖數10個，脈沖重復頻率100 Hz

由圖10和圖11可知，峰值功率為15 kW的電磁脈沖和峰值功率為25 kW的電磁脈沖，導致T/R組件出現同等程度的毀傷效應(增益下降15 dB)。

圖12和圖13分別為對某T/R組件進行電磁脈沖串注入試驗時，性能正常和性能降級5.8 dB的信號波形。

圖12 性能正常的T/R組件波形(正常)

圖13 性能降級(5.8 dB)的T/R組件波形

對某T/R組件進行電磁脈沖串的毀傷效應試驗，圖14給出了T/R組件隨電磁脈沖數增加的增益性能降級過程。可見，隨著電磁脈沖數的增加，T/R組件峰值溫度逐漸上升［7］，毀傷效應逐漸嚴重。

圖14 T/R組件隨電磁脈沖數的性能降級過程

4.2 T/R組件加固設計試驗驗證

對性能降級的T/R組件進行故障定位和分析(見圖15)，毀傷部件為接收通道前端的限幅器。對限幅器進行加固設計后，進行T/R組件加固設計試驗驗證，結果如表1所示。

圖15 T/R組件故障分析和加固設計

表1 T/R組件加固設計試驗

由表1可以看出，加固設計后的T/R組件高功率電磁脈沖毀傷閾值，由原先的5 kW提高到13 kW。

4.3 T/R組件電磁脈沖輻照試驗

T/R組件電磁脈沖輻照測試裝置如圖16所示，包括三個部分:(1)超寬譜源系統;(2)TR組件;(3)輻射場測量系統。

圖16 T/R組件UWS-HPM輻照測試裝置

圖17為1 ns超寬譜脈沖輻照波形，超寬譜輻照時的重復頻率為50 Hz，作用時間10 s，場強670 V/cm。在此電磁脈沖輻照試驗中，各T/R組件道均未受到損傷。

圖17 超寬譜脈沖輻照波形

5 結束語

本文針對復雜電磁環境下有源相控陣雷達T/R組件高功率電磁脈沖毀傷效應的試驗驗證問題，介紹了高功率電磁脈沖進入T/R組件的三種不同途徑，對高功率電磁脈沖輻照場強與注入功率等效關系進行了建模分析。對目前實驗室環境高功率電磁脈沖試驗的兩種主要方法，即電磁脈沖注入試驗和電磁脈沖輻照試驗，分別進行試驗原理和試驗裝置的介紹和分析。對某T/R組件進行電磁脈沖注入效應試驗、加固設計試驗驗證以及電磁脈沖輻照試驗后，得到T/R組件在單脈沖和脈沖串注入試驗條件下的毀傷效應波形。隨著注入電磁脈沖數的增加，T/R組件峰值溫度逐漸上升，毀傷效應逐漸嚴重。加固設計后的T/R組件高功率電磁脈沖毀傷閾值由原先的kW量級水平提高到10 kW量級水平。通過T/R組件毀傷效應試驗及加固防護試驗驗證，積累了T/R組件毀傷效應閾值和加固設計經驗，可為后續的工程應用提供借鑒。

［1］ 韓陽陽，蘇五星，李建東，等.高功率微波炸彈的威脅分析［J］.空軍預警學院學報，2013，27(5):331-333，338.Han Yangyang，Su Wuxing，Li Jiandong，et al.Analysis of threat for high power microwave bomb［J］.Journal of Air Force Radar Academy，2013，27(5):331-333，338.

［2］ 楊學惠，宋學軍，王 成.電磁脈沖對戰場的影響［J］.現代雷達，2012，34(5):1-4.Yang Xuehui，Song Xuejun，Wang Cheng.Electromagnetic pulse effect on the battlefield［J］.Modern Radar，2012，34(5):1-4.

［3］ 蔣 征.通信系統中有源和無源器件的高功率電磁脈沖效應研究［D］.杭州:浙江大學，2011.Jiang Zheng.Response of passive and active devices in communication system illuminated by high power electromagnetic pulse［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2011.

［4］ 李吉浩.高功率脈沖對PIN限幅器的毀傷效應研究［J］.微波學報，2012，28(增刊):315-318.Li Jihao.Research on HPM pulse damage effect of PIN limiter［J］.Journal of Microwaves，2012，28(增刊):315-318.

［5］ 曹延偉，陳硯橋，賀元吉，等.電磁脈沖彈對相控陣雷達毀傷能力的仿真研究［J］.強激光與粒子束，2014，26(3):258-262.Cao Yanwei，Chen Yanqiao，He Yuanji，et al.Simulation on the damage ability of electromagnetic pulse bomb to phased-array radar［J］.High Power Laser and Particle Beams，2014，26(3):258-262.

［6］ 周希朗.微波技術與天線［M］.南京:東南大學出版社，2009.Zhou Xilang.Microwave technology and anttena［M］.Nanjing:Southeast University Press，2009.

［7］ 史炎冰.多層高密度互連在靜電脈沖作用下的時域非線性有限元電熱耦合模擬［D］.上海:上海交通大學，2009.Shi Yanbing.Electrothermal analysis of multilevel high-density interconnects in the presence of ESD pulses using the time-domain nonlinear finite element method［D］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2009.