高功率微波對北斗系統接收機影響分析?

王建爭 彭少磊

（91404部隊42分隊 秦皇島 066000）

1 引言

中國北斗衛星導航系統（BDS）是中國自行研制的全球定位導航系統［1～2］，是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的全球衛星導航系統［3～4］。美國GPS最初設計時主要用于軍事領域，但因其能夠提供較高精度的全球定位、授時和導航服務，如今在民用領域中也得到了廣泛的應用，同樣我國的北斗系統也具有這樣的發展歷程。由于定位衛星距離地球很遠，地面北斗接收機接收到的衛星信號功率相當低，在使用過程中也會受到各種有意或無意的微波信號干擾［5］，其中高功率微波的危害最大，嚴重時可直接燒毀接收機。因此，研究北斗系統接收機抗燒毀防護已經成為我國軍事和民用應用中不可忽視的問題。

高功率微波是峰值功率大于100MW 或平均功率大于1MW、頻率介于300MHz～300GHz 之間的強電磁脈沖。高功率微波技術是一門跨學科門類的綜合性技術，內容涵蓋微波技術、脈沖功率技術等學科技術［6～10］。

使用高功率微波武器進行電子攻擊具有以下特點:1）電子攻擊是非致命的，它幾乎不對人體造成傷害；2）大多數防御系統是非屏蔽的，因此，為了對付電子攻擊，整個系統必須屏蔽。所以高功率微波武器的威懾力迫使對方將所有裝備進行改造；3）攻擊電磁波可以從“前門”和“后門”進入目標系統；4）可以同時攻擊覆蓋范圍內的多個目標；5）基本不受氣候條件（如雨或霧）的影響；6）在開發和使用方面基本不存在法律障礙；7）攻擊費用低于傳統武器；8）電子損傷的修理通常需要專業知識，所以難以在現場完成；9）為作戰增添新的層次，讓指揮官有更多的選擇［11］。

2 高功率微波的損傷機理

2.1 高功率微波的損傷效應

高功率微波對北斗系統接收機的損傷主要包括熱效應和電效應。熱效應是指高功率微波對介質進行加熱而引起的效應，主要包括半導體結熱二次擊穿和燒毀器件等；電效應是指高功率微波的感應電流或感應電壓對元器件作用而產生的效應，主要包括半導體器件的翻轉、閉鎖、結電壓擊穿等。

北斗接收機作為一種高頻電子設備，對高功率微波極為敏感:當高功率微波強度不高時便可直接壓制導航定位信號，使接收機無法正常定位工作；當高功率微波信號強度較高時，產生的感應電場可導致接收機內部芯片工作異常、邏輯混亂等；當高功率微波信號強度很高時，強場作用可短時間內直接燒毀芯片，導致接收機報廢。不同功率密度高功率微波對電子系統破壞效果，詳見表1。

表1 不同功率密度高功率微波對電子系統破壞效果

2.2 高功率微波的耦合效應

高功率微波耦合是指高功率微波與北斗系統接收機相互作用時，高功率微波信號能量傳入系統中的過程，它是研究熱效應和電效應的基礎，對電子設備的耦合情況決定了進入系統的微波能量的大小。這種耦合一般有“前門”耦合與“后門”耦合兩種途徑［12-14］。其中，“前門”耦合是指微波能量通過接收通道進入系統內部，主要破壞系統的前端設備；“后門”耦合是指微波能量通過設備縫隙、孔洞等途徑進入系統內部，可破壞系統的所有組成部分。兩種耦合途徑的特征、分布情況，詳見表2。

北斗系統接收機主要由天線、接收機主機、電源等部分構成，采用無源定位原理機制，系統導航定位時必須通過天線實時接收衛星定位信號，因此不可避免地會受到“前門”耦合影響。

由于目前接收機材料、工藝、封裝、成本等原因，北斗系統接收機天線、接口、外殼等部分，同樣不可避免地存在縫隙和孔洞，當孔縫的尺寸和高功率微波的波長相比擬時，電磁波將通過衍射原理大量進入系統內部，特定的頻率下內部電路板、線纜會發生諧振，直接影響設備的工作狀態甚至燒毀芯片、燒毀電路板。

表2 “前門”耦合和“后門”耦合

2.3 高功率微波的作用對象

高功率微波耦合到接收機內部后，以空間輻射和線路傳導的方式，耦合到器件中而作用于器件，最終破壞的是易損半導體器件。

一般而言，“前門”耦合方式的作用對象主要是天線的限幅器（有的老型號天線不存在限幅器）、接收機內部的濾波器、功率放大器以及混頻器等微波器件。“后門”耦合方式的作用對象主要是處理芯片、存儲器等低頻電子器件。作用在器件上的損傷效應是系統損傷效應的基礎，反之，系統損傷效應則是器件損傷效應的宏觀體現形式。

對于北斗系統接收機而言，主要包括三大部分:射頻前端、基帶數字信號處理模塊以及定位導航運算模塊。射頻前端主要由射頻天線、限幅器、前置功率放大器、濾波器、混頻器以及基準振蕩器等微波器件組成，主要受到“前門”耦合效應影響。由于耦合方式簡單，通道耦合系數、敏感微波器件和破壞效果都屬于已有公開研究成果，因此采用器件級損傷效應來預估射頻前端的損傷效應是具有可信度和可行性的。而基帶數字信號處理模塊以及定位導航運算模塊屬于低頻電子系統，工作頻率也遠低于高功率微波的頻率，因此高功率微波對其的損傷效應主要是“后門”耦合方式下的帶外作用:1）帶外耦合作用。接收機內部的復雜電路結構和線路布局決定了高功率微波耦合效應是多路徑的，既有線路傳導耦合，也有空間輻射場耦合，同樣耦合到半導體器件上的高功率微波強度也是多路徑耦合作用的復合函數，此外，接收機內部電路中的敏感半導體器件又不止一個，其邏輯關系也不盡相同，因此依據數學方法采用低頻電子器件的損傷效應來預估接收機低頻部分的帶外耦合作用將十分困難。2）帶外損毀作用。由于接收機內部電路線路的復雜性和半導體器件敏感度的復雜性，導致接收機低頻電路具有獨特的敏感度圖案，不僅敏感度圖案與微波頻率和極化方式相關，而且導致接收機低頻部分整機效應與內部電路和半導體器件的敏感度圖案不存在任何直接的數學關系。因此對于接收機低頻部分的損傷效應研究需要整機研究，且研究成果不具有廣泛的通用性。

3 接收機的防護措施

3.1 系統設計

在系統級防護方面，從設計初期將抗高功率微波指標納入規劃，將系統接收機天線增益、濾波器、前置功率放大器增益等進行合理分配，優化系統接口、內部電路結構合理布局等，提高系統的線性度和動態范圍等，以提高高功率微波損傷效應的適應能力。

3.2 器件防護

北斗系統中，射頻前端、接收機天線中的敏感半導體器件容易被高功率微波擊穿或燒毀。可在系統中使用限幅器來提高防護性能。傳統的防護器件有肖特基勢壘二極管限幅器、變容二極管限幅器等，此類限幅器具有技術成熟、成本較低的特點，但易被高峰值功率的高功率微波燒毀；新興的限幅器可采用波導等離子體限幅器，其具有較高功率容限的優勢。

3.3 材料防護

近年來，一些新材料開始逐步應用于高功率微波防護中，起到了良好的高功率微波防護效果，這些材料主要包括:1）特種集成芯片。特種芯片采用高品質材料和先進工藝制成，主要目的就是不顯著降低性能的情況下增強高功率微波的防護能力以代替系統內的當前芯片。2）光纖。由于光纖僅對光信號進行傳導，不會與電磁波產生耦合作用，因此采用光纖傳輸信號可以有效地避免高功率微波的耦合效應，同時光纖傳輸還具有頻帶寬、穩定性好、成本較低的特點。

4 結語

本文從高功率微波對北斗系統接收機的損傷機理開始，介紹了損傷效應和耦合效應，分析了高功率微波的作用對象，從系統、器件、以及材料三個層級分析了接收機的防護措施，期望為進一步進行北斗系統接收機的防護技術研究提供參考。