論高功率微波對脈沖多普勒無線電引信干擾的無效性

馮延彬，李國林，李春榮，路翠華

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

0 引言

由于高功率微波的高功率、強耦合特性，無線電引信在近距離高功率微波作用下，其系統由于內部電子器件暫時失效或永久燒毀而受到破壞。如某型號脈沖多普勒引信的高功率微波效應實驗表明：S波段微波功率密度大約在10W／cm2量級時，引信均出現暫時失效或早炸現象［1］。而在高功率微波功率未達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損傷前提下，高功率微波信號能否達成對系統正常工作信號的攻擊，形成干擾效應未見相應的研究。根據對GPS、計算機、控制系統等其他電子設備的研究，高功率微波可以對系統形成干擾［2－6］。但引信系統有其結構、使用等方面的特殊性和較強抗干擾能力，高功率微波能否形成干擾條件并干擾系統的運行應是高功率微波對無線電引信效應的重要研究內容之一。因此，本文研究空基高功率微波武器對脈沖多普勒引信的干擾效果。

1 高功率微波干擾信號來源

假設高功率微波武器裝備在作戰飛機上，飛機與導彈相向飛行，輻射方向沿飛機軸線向前。由于飛機的機動性比導彈差，這種空間位置決定了高功率微波進入引信接收機的功率會大幅度降低，達不到失效或燒毀要求，從而形成干擾信號源，其主要原因如下。

1.1 空間位置因素

受機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不一致。從引戰配合來說，高功率微波載機與加電的導彈引信相會時間最多為5s，甚至低于1s；從空間位置上，載機飛行員如果決定利用高功率微波武器對抗來襲導彈，須將天線正對導彈，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前無法從引信天線主瓣波束進入。從引信天線旁瓣進入時，衰減很大。另外，部分導彈無線電引信信號處理電路還采取了副瓣對消等技術來降低干擾信號功率。

1.2 信號頻率、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”作用實施攻擊時，必然會有針對性地選擇頻段，盡量與雷達信號工作頻段相同，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中的高頻濾波器會給非工作頻段內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，那么進入引信內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干擾器件開始被應用在先進的引信接收機系統中，用于保護接收機中后級低噪聲放大器、混頻器、模數轉換器等敏感器件，避免這些器件被帶內和帶外的高功率信號燒毀。輸入限幅器的高功率信號大部分被旁路掉。限幅的結果是只有限幅后的信號符合引信系統的輸入要求。如MA4L022限幅二極管，可承受100 W以上的脈沖功率沖擊，可將45dBm的輸入信號限幅至25dBm以下。

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

1）信號足夠大。由于是近距離作用，高功率微波信號的功率完全勝任干擾的需要。

2）高功率微波屬窄帶，能量相對集中（90%的能量分布在帶寬內）。

3）信號屬于規律性重復脈沖。機載高功率微波武器脈寬一般在100ns級，信號重復率為1Hz～1kHz。

2 干擾無效的邏輯分析

為方便分析，引信研究對象選定為脈沖多普勒無線電引信。這是目前主戰裝備常用選型。美國的AIM－120、挪威的Nasmas、意大利的Aspide以及英國的“天空閃光”導彈等空空導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準目標，并跟蹤目標位置。

圖1 空空導彈與目標位置關系圖Fig.1 Location relationship of air－to－air missile and target

通常典型空空導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°。先進的引信天線在目標方向無旁瓣。即使有旁瓣可以進入，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未進入導彈引信作用區前，高功率微波武器能量無法從引信主瓣波束進入，進入導彈引信的可以是旁瓣信號和近距離的散射干擾信號。因此，高功率微波高功率微波武器不能對導彈產生毀傷效應。引信加電開機前，來襲導彈已被空基高功率微波武器目標感知系統感知，高功率微波武器處于發射狀態，其天線所指方向即為導彈方向。此時，導彈與戰機尚未進入交會段，機－彈連線與彈軸夾角很小，如圖1所示。假設載機速度為V1＝300m／s，導彈速度為V2＝1 000m／s，導彈按比例導引，考慮不同的導彈來襲方位，載機位置與導彈位置連線和導彈實際運動軌跡之間夾角的最大值為：

2.2 信號流程分析

脈沖多普勒引信發射脈沖受目標距離調制，飛機與導彈間相對運動產生的多普勒頻率。信號從天線進入，并經環流器進入接收機。

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流程見圖2。高功率微波信號要進入信號處理部分，首先受到發射接收開關的衰減，該開關的作用是發射脈沖期間關閉接收機，發射脈沖結束后，開關打開，使回波進入混頻器。

其次受距離門脈沖寬度影響。只有在距離門脈沖期間，來自目標的信號才能進入混頻器，而距離門以外的干擾信號則被抑制。混頻器內，回波信號同本振信號混頻，產生受多普勒信號調制的雙向視頻信號，并進入中頻濾波器。如果高功率微波信號與本振混頻后產生的中頻信號偏差較大，則受到較大的衰減。

外差式脈沖多普勒引信發射的脈沖是一種大占空比系數的脈沖。根據對現有脈沖多普勒引信的統計，一般調制脈沖寬度在0.8～4μs之間，調制脈沖重復周期為30～50μs。根據假設，則高功率微波從前門進入的窗口時間（距離門脈沖寬度）與工作時間（調制脈沖重復周期）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入。

根據高功率微波武器所處的環境，假設高功率微波脈沖寬度100ns，重復率為1kHz，則其占空比為1／104。假設距離門脈沖寬度為2μs，調制脈沖重復周期為40μs。

分析1ms內情況，高功率微波武器發射高功率微波脈沖數為1，假設調制脈沖分布均勻，引信1ms內收到的調制脈沖數為：

有信號的時間為2n個距離門脈沖時間，即50μs。在1ms內，高功率微波從前門進入的窗口概率為50／1 000＝1／20。

而高功率微波信號進入后僅影響一個回波脈沖，由于脈沖寬度遠遠大于高功率微波信號寬度，故產生影響可能性不大。

再次是受信號相干檢測影響。部分外差式脈沖多普勒引信是將發射信號的一部分，經微波延時線延時，再與回波信號進行相干檢測。相干檢測要求發射載波信號在發射若干個連續的脈沖時，必須具有一個固定的相位參考。只有當兩個脈沖可以看作是從同一個連續穩定的正弦波上截取下來的時，才被認為是相干的。距離門和多普勒濾波器起到自相關處理的作用，本振信號才會通過由相干檢測結果控制的距離門微波開關電路加至混頻器。由于高功率微波信號與引信發射信號不相干，作為干擾信號的高功率微波信號自然無法通過混頻器。

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

3 仿真與試驗驗證

邏輯分析的正確性與否需采用驗證。仿真方法采用時域有限差分法（FDTD）求解引信天線與高功率微波的耦合效應，然后將高頻電磁場轉化為天線的端口電壓文件，再將其引入行為級仿真軟件（Agilent Systemvue）建立的電子設備仿真系統，進行場路結合的方法進行仿真。

3.1 損毀無效

首先建立天線模型，仿真天線感應電壓。為此，設計一個縫隙單元在波導寬邊中心線一側排列的16陣元波導縫隙天線［7－9］，模型如圖3所示。

圖3 16陣元波導寬邊縫隙天線模型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方法計算出天線遠場方向圖如圖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°內增益為－25dB左右。

圖4 天線遠場分布三維方向圖Fig.4 Antenna’s far field distribution of a three－dimensional pattern

圖5 天線遠場分布仿真結果Fig.5 Far field distribution simulation results of antenna

為使天線獲得最大的感應信號，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。入射波電場強度設為10kV／m。由FDTD方法仿真提取天線端口感應電壓的時域波形如圖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彈處于同一軸線，以0°～20°角度照射來襲導彈，根據圖5所示，引信天線端口感應電壓將下降25dB，主瓣照射時感應電壓按170V計，則零角度輻照時僅為0.54V。根本不具備對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仿真模型。主要包括：脈沖信號發生器、發射機、天線、接收機等部分，建立引信系統仿真模型如圖7所示。

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

按照圖8所示方式，將高功率微波在天線上耦合電壓數據添加到引信系統仿真回路中。

圖8 天線端口模塊Fig.8 Antenna port module

首先在無干擾下，對混頻輸出的信號進行仿真，獲得正常的時、頻域視頻信號，仿真結果如圖9所示。

圖9 正常視頻信號時、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。高功率微波信號經天線耦合以脈沖形式耦合進入引信系統，與本振信號混頻，產生的視頻信號如圖10所示。高功率微波重復頻率為1kHz，則每1ms發射一個脈沖，脈沖時長為100ns，進入導彈引信內，只影響正常信號的1個脈沖，從而使輸出的視頻信號頻域變化不明顯。此時通過包絡檢波可正常檢出多普勒信號，不影響引信的正常工作。

假設高功率微波信號經天線以連續波形式耦合進入引信系統，產生的視頻信號如圖11所示。由于干擾太強，輸出信號的包絡頻率非常不明顯，此時通過包絡檢波檢出多普勒信號已不可能，從而影響引信的正常工作。

圖10 單次照射的視頻信號時頻域波形Fig.10 Video signal in time domain and frequency domain at HPM single irradiation

圖11 連續照射的視頻信號時頻域波形Fig.11 Video signal at HPM continual irradiation

在連續干擾情況下，對信號加限幅器，雖然干擾情況有所好轉，但仍不能解出正常信號。如圖12所示。

圖12 連續波加限幅器的視頻信號時頻域波形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，連續波狀高功率微波信號可造成干擾，有信號時，有干擾，無信號時，無干擾。受干擾時，信號頻譜與時域信號均發生較大變化，無法正常工作。但連續波的高功率微波是不存在的，因為高功率微波能做到的重復率目前為1 kHz左右，由于脈沖多普勒無線電引信工作在微波頻段，這樣的重復率對引信信號不會產生大的影響。

在微波實驗室對某一現役導彈無線電引信進行了照射試驗。實驗中沒有異常反應。

4 結論

本文研究了空基高功率微波武器對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未進入導彈引信作用區前，其能量無法從引信主瓣波束進入；流程分析揭示，具有1kHz重復度的高功率微波也只能影響一個回波脈沖，不能作為干擾信號通過混頻器。高功率微波仿真與試驗證明了以上觀點是正確的，即在目前的重復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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