雷達抗前門耦合攻擊防護能力對比分析 *

胡欣，楊江平，孟藏珍，左治方，許一，謝雨希

（1. 空軍預警學院，湖北 武漢 430019；2. 中國人民解放軍93498 部隊，河北 石家莊 050000）

0 引言

美軍曾經在2003 年的伊拉克戰爭中，使用電磁脈沖炸彈攻擊伊拉克國家電視臺，造成電視信號中斷數小時之久，這一行動標志著高功率微波武器正式登場［1］。高功率微波武器是利用產生的高功率微波干擾、擾亂、壓制甚至摧毀目標的新型武器［2］。它不僅能對電子信息設備起到干擾和誤觸作用，還能通過高功率微波的能量摧毀目標，兼有“軟殺傷”和“硬摧毀”的雙重效果［3］。具有很多常規武器無法企及的優點，如打擊速度快，攻擊距離遠，打擊范圍廣，攻擊成本低，作用效果多樣等，使它逐漸成為戰爭的新寵［4-5］。

雷達是現代防空作戰的主要信息源，是國土防空的重要組成部分［6］。雷達通過發射、接收電磁波進行工作，天線必須裸露于外，而且為了提高雷達探測性能，要求接收機具有高的增益和靈敏度，因此雷達更容易遭受高功率微波的干擾，甚至摧毀，使雷達在與高功率微波武器的對抗中處于天然劣勢。

鑒于雷達面臨的高功率微波武器威脅，各國也開展了多方面的研究。文獻［7］計算和分析了高功率微波對航海雷達接收機的毀傷能力范圍；文獻［8］對相控陣雷達抗高功率微波武器損毀能力進行了分析，認為相控陣雷達較相同指標傳統雷達防護能力高10 倍；文獻［9］分析后得出，采用分布式饋電體制相控陣雷達的生存能力要弱于采用集中饋電體制的一維相掃相控陣雷達。文獻［10-11］研究了低噪聲放大器在強電磁脈沖下的響應特性，為雷達裝備有目的的防護做好準備；文獻［12］在分析強電磁脈沖武器發展現狀及趨勢基礎上，提出了相應的防護技術方法。

之前的研究基本都假定高功率微波武器始終處在雷達的主波束，未對旁瓣進行分析，沒有從空域濾波的角度考慮雷達的防護性能。本文在分析雷達裝備耦合高功率微波的基礎上，針對有源相控陣雷達和反射面雷達的特點，分析兩種雷達抗高功率微波武器毀傷的能力區別，發現反射面雷達在主波瓣位置的確比有源相控陣雷達防護能力弱，但主波束非常窄，在主波束外的其他方位，防護能力都優于有源相控陣雷達。

1 雷達前門耦合攻擊建模

高功率微波武器產生的高功率脈沖，通過“前門耦合”和“后門耦合”2 種途徑進入雷達內部，利用高能電磁波毀傷雷達的電子系統?！扒伴T”就是指雷達對電磁波的開放通道——天線，而天線對外是時刻開放的，因此雷達接收通路更容易被高功率微波武器影響和破壞。

高功率微波武器在地面或空中將能量轉化為高功率微波，并通過發射天線向指定方向進行輻照，經雷達天線耦合接收進入雷達接收通路，破壞其電子器件，從而使雷達性能下降或故障。其大體傳播路徑如圖1 所示。

圖1 雷達天線耦合高功率微波路徑Fig. 1 Coupling path of high power microwave to radar antenna

天線耦合信號后經接收機保護器限幅后，經接收前端放大送入接收機。接收機保護器一般由PIN限幅器、氣體放電管等組成，接收前端一般由低噪聲放大管及其附屬電路組成。

1.1 高功率微波輻射場模型

假定某時刻高功率微波武器發射的瞬時功率為Pt，則高功率微波武器天線遠場某點的能流密度為

式中：S為空間中能流密度；Pt為微波武器發射功率；Gt(θt，φt)為微波武器天線在偏離波束中心線(θt，φt)方向處的增益；R為微波武器到雷達天線的距離。

1.2 雷達前門耦合模型

雷達天線前門耦合功率可用Friis 公式［13］進行計算：

式中：Pr為雷達天線接收輸出功率；Ae為天線有效面積；Gr(θr，φr)為雷達天線在高功率微波武器方向的增益；λ為天線工作中心頻率波長。

在天線將能量傳輸到接收機過程中，需要經過耦合器、旋轉鉸鏈、波導/同軸線、限幅器等，不可避免地產生一定的衰減和損耗，可以加入損耗因子Le來進行描述，包括極化損耗、饋線損耗、限幅衰減等，則式（2）可改寫為

1.3 天線增益的計算方法

對于收發共用一副天線的雷達來說，按照發射機和接收機分布形式進行分類，可以分為分布式和集中放大式2 種。分布式發射接收雷達，其陣列天線通常采用大量相同結構、相同尺寸的天線單元按照一定規律排列在一起，陣面上每個天線單元連接一套發射和接收裝置，形成一部兼具收發供能的小雷達系統，通過控制各天線單元中信號的幅度或相位來改變整個天線的方向圖。常見分布式發射接收雷達天線單個天線單元的方向性不是很大，約2～8 dB，但經過整個陣列的疊加，合成增益可達30 dB 以上。分布式發射接收雷達單個接收前端輸入的能量由對應天線單元耦合所得，通過控制每個天線單元的幅度和相位可改變合成波束的方向，但其單個天線單元的方向圖并不會改變。常見的分布發射接收雷達為有源相控陣雷達，如圖2所示。

圖2 有源相控陣雷達天線結構圖Fig. 2 Structure diagram of active phased array radar antenna

集中發射接收式雷達主要采用反射面天線或無源相控陣天線。反射面天線一般只有一副天線，由反射面和饋源組成，饋源位于焦點或焦點附近。接收時通過天線將特定方向的電磁波匯聚后通過饋源進入接收機保護器和接收前端，如圖3 所示。

圖3 反射面雷達天線結構圖Fig. 3 Structure diagram of reflector radar antenna

采用無源相控陣天線的雷達其天線同為陣列天線，天線單元與有源相控陣相似，但采用集中式發射機通過饋線和移相器/功分器將產生的射頻能量分配給各天線單元，在空間合成發射波束。接收時各天線單元各自耦合接收能量，經過饋線和移相器/功分器將射頻能量疊加輸出到接收機保護器，如圖4 所示。集中發射接收式雷達接收前端輸入的能量由整個天線耦合所得，通常天線增益可達30 dB以上。

圖4 無源相控陣雷達天線結構圖Fig. 4 Structure diagram of passive phased array radar antenna

因此，分布式發射接收雷達和集中放大式發射接收雷達2 種接收機耦合能量公式可以進行統一。分布式發射接收雷達按照單天線單元進行計算，計算限幅器限幅能力時也是按照單個通道限幅器能力進行計算，而在計算雷達前門耦合的天線增益時，集中放大式發射接收雷達天線增益以整個天線進行計算。

2 抗前門耦合毀傷能力分析

2.1 高功率微波對雷達的危害機理

高功率微波對雷達的前門毀傷主要是在進入接收通路后，由于電壓或電流效應，引起半導體器件誤動作、擊穿或發熱融毀，毀傷機理主要有瞬時干擾、浪涌沖擊、金屬化燒毀、二次擊穿和介質擊穿等。接收機限幅器和低噪聲放大器作為接收通路的主要防護和放大器件，高功率微波進入雷達接收通路后，最先進入的就是這2 個器件，是接收通路的門戶，它們是高功率微波對雷達前門毀傷的主要作用器件，也是整個接收通路中最容易損傷的器件。當進入的能量較低時，可以形成假目標，對雷達造成干擾；當進入的能量高到一定級別的時候，可以使限幅器短路或斷路，燒毀低噪聲放大器，使雷達損壞。實驗證明，當功率能量密度為0.01～1 μW/cm2時，可干擾雷達的正常工作，使其產生假目標或因過載而無法檢測目標；當微波功率密度達到10～100 W/cm2時，可使雷達內電子器件性能降低或故障，甚至直接導致器件燒毀［14］。

2.2 PIN 限幅器的影響

PIN 限幅器主要作用是防止來自天線的高功率信號對接收機造成損壞。高功率信號主要來自發射期間的功率泄漏和反射，近程目標的強反射，以及來自外界的干擾機或其他雷達系統的干擾信號。當輸入信號達到和超過超限功率后，PIN 限幅器作用，輸出功率被限制在某一范圍內，保護低噪聲放大器不被燒毀。集中發射接收式雷達由于發射和接收通路傳輸的功率比較大，在雷達設計之初就進行了嚴密的防護。如某型反射面天線地面預警雷達PIN 限幅器能抗1 kW@2 μs 的高功率脈沖而不被燒毀。分布式發射接收雷達單T/R 組件的發射功率不是很高，留給PIN 限幅器的安裝空間也很小，且單天線的增益也不是很大，所以在設計之初防護能力相對較低，如某型相控陣雷達PIN 限幅器僅能抗100 W@10 μs。當輸入功率超過PIN 限幅器的耐受功率時，造成PIN 限幅器毀壞，雷達停機。

2.3 天線增益的影響

典型反射面天線的特點是增益高、旁瓣低，在其他方向增益都較小。圖5 為通過CST（computer simulation technology）仿真的某反射面天線雷達水平方向波瓣圖，灰色弧形為天線俯視圖，紅色曲線為雷達天線在水平方向的增益分布曲線，2 條藍色線為主波瓣3 dB 半功率點的夾角?？梢娖渲靼暝鲆婵蛇_40.9 dBi，波瓣寬度很窄，僅有1.9°，增益在0 dB 以上區域僅分布在±6°范圍內。而有源相控陣雷達因為天線單元空間結構的問題不能采用大的高增益天線，只能采用低增益的貼片、裂縫、半波振子等形式的天線。圖6 為采用CST 仿真的某有源相控陣雷達貼片天線水平方向增益分布，藍色和黑色矩形為貼片天線，紅色為雷達天線在水平方向的增益分布曲線，2 條藍色線為主波瓣3 dB 半功率點的夾角?？梢钥闯觯靼暝鲆嬷挥?.79 dBi，主波束很寬，達到79.3°，增益在0 dB 以上的區域達到137°范圍。

圖5 常見反射面天線水平方向的增益Fig. 5 Horizontal gain of common reflector antenna

圖6 常見貼片天線水平方向增益Fig. 6 Horizontal gain of common patch antenna

在垂直方向上亦是如此，圖7，8 分別為反射面天線和貼片天線在垂直方向的增益?？梢姺瓷涿嫣炀€主瓣寬度僅有2.7°，增益在0 dB 以上區域范圍僅42°；而貼片天線的主瓣寬度達到78°，增益在0 dB 以上區域范圍達到131°。

圖7 常見反射面天線垂直方向增益Fig. 7 Vertical gain of common reflector antenna

圖8 常見貼片天線垂直方向增益Fig. 8 Vertical gain of common patch antenna

從圖5～8 可以看出，反射面雷達除了在主波瓣方向增益較大，在其他方向增益均較??；貼片天線在大范圍內增益較均勻，但在大范圍的方向上增益較大。

2.4 前門耦合最遠可毀傷距離影響因素分析

對式（3）進行變形，可以提取出雷達耐受功率和增益、限幅器耐受功率的關系為

式中：Prlim為PIN 限幅器耐受功率；Rd為雷達的最遠防護邊界，即高功率微波武器在Rd范圍外不能對雷達造成毀傷，在Rd范圍內可以對雷達造成毀傷。從式（4）可以看出，在高功率微波武器攻擊狀態不變的情況下，雷達最遠防護邊界與增益成正比，與限幅器耐受功率成反比。

3 雷達防護能力對比分析

設高功率微波武器發射信號脈沖峰值功率5 GW，頻率1.58 GHz，信號脈寬2 μs，天線主瓣增益12 dB，水平極化。采用圖5～8 所示天線的雷達作為被攻擊目標，設雷達工作頻率同為1.58 GHz，均為水平極化。反射面天線采用PIN 限幅器，耐受脈沖功率1 kW@2 μs，通道損耗3 dB；有源相控陣雷達采用貼片天線組成相控陣陣面，采用PIN 限幅器進行防護，耐受脈沖功率100 W@10 μs，通道損耗1.5 dB。由文獻［15-16］可知，當脈沖寬度超過1 μs 時，PIN限幅器內部進入熱平衡狀態，毀傷功率基本為一定值。因此，在本文中不計算脈寬的影響，僅按照上文中器件標示的耐受功率進行計算。

假定高功率微波武器搭載在巡航導彈上進行攻擊，飛行高度正好與天線中心持平，且能夠實時調整攻擊姿態，確保攻擊時高功率微波波束中心始終面向雷達。則可通過式（3）和上文耐受功率計算反射面雷達和有源相控陣（貼片天線）雷達在不同水平方向的最大生存距離，結果如圖9 所示?？梢钥闯觯敻吖β饰⒉ㄎ淦髡锰幵诶走_主瓣中心時進行攻擊，反射面雷達在距高功率微波武器10 562 m 距離外可生存，貼片天線雷達在877 m 外可生存，反射面天線防護能力約為貼片天線的1/12。當高功率微波武器偏離雷達天線主波瓣時，反射面天線防護能力急劇增加，甚至在方位角±6°范圍外全部壓縮到100 m 以內。而貼片天線雷達由于波束較寬且比較均勻，導致在很大角度范圍內防護能力不如反射面天線。

圖9 2 種雷達在水平面上最遠防護邊界Fig. 9 Farthest protective boundary of the two radars on the horizontal plane

假定高功率微波武器搭載在航空炸彈上進行攻擊，在一定距離進行自由落體，且高功率微波彈引爆時正好處在主波瓣方向或相反方向，則對于不同距離上的高功率微波彈，2 種不同體制雷達的防護邊界如圖10 所示，水平距離正為主瓣方向，負為相反方向。

圖10 2 種雷達在垂直面上的最遠防護邊界Fig. 10 Farthest protective boundary of the two radars in the vertical plane

當高功率微波彈位于主波瓣垂直方位和偏離45°時，防護邊界高度圖如圖11，12 所示?？梢钥闯觯挥性跇O低的范圍內，高功率微波彈處于反射面主波瓣范圍附近時，反射面天線雷達防護能力弱于貼片天線雷達。

圖11 偏離主瓣90°方位的垂直方向最遠防護邊界Fig. 11 Farthest protective boundary in the vertical direction deviating from the main lobe orientation of 90°

圖12 偏離主瓣45°方位切面的最遠防護邊界Fig. 12 Farthest protective boundary deviating from the main lobe of 45°

假設高功率微波引爆位置為以天線為中心的球面，在空中的任何一個方向均可以進行攻擊。通過統計，反射面天線雷達防護能力比相控陣雷達弱的方位占比僅為全方向的0.585 4%。

通過以上分析可以看出，在采用高功率微波武器對雷達進行攻擊時，在大角度范圍內就可以在遠距離上耦合很大功率進入有源相控陣雷達天線。而攻擊反射面天線雷達時，只有主波瓣方向上才能耦合較大功率，其他方向增益很小，相當于進行了空域濾波。但主波束很窄，留給高功率微波武器瞄準雷達天線主瓣進行攻擊的時間窗口很短，否則就需要到達很近的距離進行攻擊。因此，反射面天線雷達增加了高功率微波武器攻擊的困難程度，能更有效地進行自我防護。

4 結束語

本文通過對高功率微波武器攻擊雷達時天線不同方向增益對防護能力的影響，從空域濾波的角度考慮雷達的防護性能，理論分析了反射面天線和有源相控陣天線2 種不同體制雷達波束特性和抗高功率微波前門耦合攻擊毀傷中的優缺點。并以某兩型雷達裝備為例，通過仿真實驗，證明了在相同攻擊條件下，相較于有源相控陣陣天線，只有高功率微波武器處于反射面雷達天線的主瓣附近時，反射面雷達的防護能力弱于有源相控陣雷達；偏離主波瓣較遠時，反射面天線耦合能量較小，且限幅能力更好。反射面天線雷達增加了高功率微波武器攻擊的困難程度，在面對高功率微波武器攻擊時，有更大概率能更有效抗擊高功率微波武器的攻擊。下一步需更深入研究的問題是如何基于戰場對抗的實際環境和攻擊過程對雷達裝備抗高功率微波能力進行精確評估。