高功率微波對抗技術分析

摘 要 以電磁能量為基礎的“硬殺傷”式高功率微波對抗技術是一種全新的電子對抗形式，日益受到西方發達國家的重視。論文對高功率微波武器的系統組成、工作特點，以及其強電磁耦合效能進行了分析研究；提煉出了防空和空間高功率微波武器系統需要解決的一些關鍵技術，為將來高功率微波武器的研究和應用提供技術支持。

【關鍵詞】高功率微波 電子對抗 電磁耦合效能 關鍵技術

高功率微波（High-Power Microwave， HPM）是學術界研究產生相干強電磁輻射采用的學術用語，是指峰值功率大于100MW，頻率在0.1-300GHz的相干微波輻射[1-6]。通常產生這種電磁波的源是一種運行在強流相對論電子束（Intense relativistic electron beam， IREB）條件下的裝置。

高功率微波作為一個相對來說比較新的研究領域，在國防、科學研究中具有巨大的應用前景。其中，高功率微波武器（HPMW）作為三大定向能武器之一，利用定向發射的高功率微波束，可以達到毀壞和干擾敵方武器系統、信息系統和通信鏈路中的敏感電子部件，以及殺傷敵方作戰人員的作戰效果。

HPMW概念最早由《美國空軍2025年戰略規劃》提出，根據美國電子工業協會報道，美國在2006年已完成了天基HPM系統建模與仿真試驗。美國近年來在HPM脈沖源的研究投資就達到數億美元/年。此外，俄、英、法、德、日等國都競相開展了高功率微波源和微波武器的研發工作。可以說，HPMW的提出和發展，使電子戰概念從傳統的以阻止或削弱敵人對電磁頻譜的有效利用為目的的“軟殺傷”，擴展到以電磁能量為基礎的“硬殺傷”，是一種全新電子對抗形式。

1 HPM武器組成

高功率微波武器（HPMW）向外空間輻射的典型微波峰值功率可達GW量級，使用的微波頻率為0.1-300GHz。 整個武器系統由初級電源、驅動源、HPM發生器、指揮控制系統、跟瞄系統、傳輸與發射系統組成，如圖1所示。

其中，初級電源為驅動源提供能量，驅動源將電能量轉變為高功率強脈沖電子束；在HPM發生器內，電子束與電磁場相互作用（束-波不穩定相互作用），產生一定頻率和模式的高功率微波；跟瞄系統獲得目標方位及俯仰信息，反饋給指揮控制系統；指控系統引導整個系統，將高功率微波通過傳輸與發射系統輻射至外部空間，完成對目標的打擊。

與原有的武器系統相比，HPMW具有以下特點：全系統簡單、可靠性高；系統使用費效比高，可以精簡操作人員；電子對抗過程只需消耗電能，以電磁波方式打擊，所以系統反應速度、打擊速度（光速）快，且系統全壽命周期費用遠低于常規導彈對抗系統。

2 HPM武器效能

高功率微波武器輻射強微波能量，通過高容量、高增益傳輸發射系統，以時域極窄的脈沖（幾十ns）通過天線聚集在一個空域窄波束中。敵方電子設備受電磁輻照后，工作性能會降低甚至完全失效。當前軍事武器系統中（如通信衛星、導航衛星、巡航導彈等），廣泛應用的各種大規模集成電路和超高速集成電路，對于高功率微波輻射脈沖來說是十分脆弱的目標。

高功率微波能夠通過敵方系統的 “前門”耦合進入電子系統，也可以通過 “后門”耦合方式進入，造成系統內部電子器件的損傷、失效甚至燒毀。對于飛行器來說，“前門”耦合通道主要是其對地通信鏈路中的測控及數傳天線、告警雷達天線等，以及各單機的頻率綜合器、上、下變頻器等；“后門”耦合主要是通過系統外表面的擴散、經孔洞、縫隙的穿透、在導線和其他金屬導體上激勵的電流和電壓的傳導等。

在HPM功率和發射天線增益確定的情況下，高功率微波武器到達目標的功率密度S與HPM武器距目標距離R有關。可根據式（1）計算得出到達目標的功率密度：

（1）

式中：S為功率密度，單位為W/cm2；Pt為HPM發射功率；Gt為HPM發射天線增益；R為HPM武器與目標之間的距離（上述分析忽略了微波傳輸空間損耗、模式轉換損耗等）。

在輻射功率Pt一定的情況下，天線增益Gt與其有效面積成正比，與工作波長平方成反比，如下式所示。

（2）

式中：λ為微波波長；Ae和A分別為天線在當前參數下輻射微波有效面積和物理面積；D為天線口面直徑；η為天線輻射效率。以當前典型單支HPM產生器的輻射功率Pt=5GW，微波波長λ=3cm，HPM發射天線實際面積A=10m2（D=3.6m，η= 80%）為例，代入式（2）可得Gt= 50.5dB。

根據天線半功率波束寬度θ3dB公式

（3）

以及HPM武器系統與飛行器之間的距離R，可得目標處半功率波束尺寸

（4）

表1為在不同的距離處HPM波束尺寸和功率密度以及對應的攻擊對象、效果和攻擊目的。

根據上述HPM武器攻擊效能表可以看出，瞬時峰值功率5 GW，發射增益50.5 dB，工作波段3cm的HPMW，在距離目標飛行器500 km處，在直徑為3666.63m的覆蓋面積上功率密度達到0.02W/cm2，此時HPM可使星上敏感單機受到干擾作用；在距離60 km處，在直徑為439.99m覆蓋面積上功率密度達到1.24W/cm2，可使飛行器GPS定位儀、導航儀受到干擾，使其出現亂碼或者失效；在距離10km處，HPM功率密度達到幾十至上百W/cm2，目標本體受到較強“前門”“后門”耦合，可以造成飛行器某些單機損毀，從而導致衛星系統失效和失控，偏離軌道；在距離目標大約1km處，HPM功率密度達到幾十kW/cm2，強烈電磁非線性效應可能瞬間燒傷飛行器某些單機，或引爆飛行器彈藥戰斗部，達到燒毀或引爆目標的目的。

3 HPM武器關鍵技術

HPM微波武器可分為進攻性和防御性兩類，下面以防御性防空HPM武器系統和進攻性空間HPM武器系統為例，分析HPM武器系統需要解決的關鍵技術：

3.1 防空HPM武器關鍵技術

3.1.1 高功率微波產生器技術

作為HPM武器系統的核心，高功率微波產生器的作用是產生高功率微波。依據HPM產生的物理原理不同，HPM源可以分為：

（1）切倫柯夫輻射HPM源，如相對論返波振蕩器，相對論行波管；

（2）渡越輻射HPM源，如相對論速調管振蕩器及放大器；

（3）基于空間電荷效應的HPM源，如虛陰極振蕩器等。

近些年來，各種高功率微波源取得了較好的實驗成果，產生微波頻率從P波段到W波段，微波峰值功率達到GW量級，脈寬從十幾ns到上百ns，微波脈沖能量從幾十焦耳到上千焦耳。在高重頻方面，RBWO和相對論磁控管在GW量級功率水平上實現了100Hz重復頻率運行。此外，雙頻以及多頻高功率微波源的出現，打破了單頻HPM源追求高功率、高效率和長脈沖的常規，其在電子對抗領域有重要應用前景，是HPM領域又一個新興的研究發展方向，如圖2所示。

目前這些高功率微波產生器的體積和重量較大，微波產生效率較低；同時需要進一步優化設計在高重頻工作狀態下的高質量冷卻散熱設備和能源供應系統。

3.1.2 超寬帶、超短脈沖技術

超寬帶和超短脈沖技術是高功率微波武器發展的一個趨勢，它的特點是短脈沖寬度（ns-ps級）、寬頻譜（一般從30MHz到3GHz）、快上升時間（ps級）以及高功率（大于100MW）。它需要解決超寬帶脈沖充電電源技術、超寬帶電磁脈沖形成技術、亞納秒開關技術、超寬帶天線技術等難題。

3.1.3 高增益、高功率容量天線技術

HPM微波武器的發射天線必須具有高增益、窄波束，提高電子對抗能力；并需要低天線旁瓣，避免對己方和友方設備和人員的影響。同時，HPM武器系統天線要具有高功率容量，避免場致擊穿和微波能量燒毀天線。在工藝上，要求天線做到高精度加工，天線面板盡量不拼接，接縫處導電處理以保證阻抗匹配、連續，不發生打火、擊穿效應。

3.2 空間HPM武器關鍵技術

3.2.1 高功率微波驅動源技術

脈沖功率驅動源是HPMW的基礎部件，其作用就是在時間上將常規的能源壓縮到更高的功率，以便能為高功率微波源提供極高峰值功率和低占空系數的強流相對論電子束。脈沖功率技術是研制空間HPMW系統的難點之一。空間HPMW系統對高功率驅動源的需求主要依據高功率發生器的類型和工作參數而定，同時要結合空間平臺的特殊性。原則上，要求結構節湊，可輸出GW級高功率電能量，輸出電壓、電流穩定，能量利用率高，可重頻工作。

由于地基使用的脈沖驅動源技術發展成熟，種類較多，可以對地基驅動源進行充分比較研究，分析各種類型驅動源的優勢、劣勢，在此基礎上設計滿足空間HPMW系統需求的功率源。地基中比較常見的GW級驅動源有Marx發生器、感應電壓加法器、高壓脈沖調制器和Tesla型脈沖功率源等， 這幾類裝置在原理、輸出脈沖特征等方面有所區別。

以Marx發生器為例進行分析：Marx 發生器線路的工作原理可概括為“電容并聯充電、串聯放電”，從而使電壓倍加而獲得更高的脈沖電壓輸出。Marx發生器在高功率微波以及Z-箍縮研究領域均有應用研究。近幾年，一系列改進技術（如分散電容技術等）用于設計結構緊湊、可靠性高的Marx發生器。德克薩斯大學研制的Marx發生器長度約為1.5m，主直徑30cm，可在10Hz重頻頻率下輸出脈沖電壓500kV，電流5kA， 脈寬200ns。中國工程物理研究院研制了可在26Ω的負載上實現145kV，前沿39ns、脈寬80ns高壓脈沖輸出的Marx發生器。

緊湊型Marx發生器在向著更高的輸出功率和重復頻率，高可靠性、緊湊化、小型化和模塊化結構運行方式等幾個方向發展。下一步，其將進一步陡化輸出的脈沖前沿（ns量級）和輸出更高重頻脈沖（100Hz）。是未來空間HPMW設計、研究需要緊密關注的有力候選驅動源類型。

3.2.2 空間環境對HPM驅動源的影響

空間環境的特殊性是空間HPM驅動源研制面臨的難題之一，包括太空環境的高真空、高能粒子輻射、微重力、真空熱環境等問題。

高真空對HPM驅動源在對流散熱和熱控設計方面產生不利影響；空間高能粒子輻射主要來源于地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽宇宙線，這些高能輻射可能引起空間電子器件的單粒子效應。

所謂單粒子效應是指空間高能粒子（質子或正離子）轟擊微電子器件的敏感節點，導致微電子器件邏輯功能翻轉或器件損壞的事件。上世紀70-80年代之間，美國40顆衛星所發生的1589次異常記錄中，70%是由空間環境所引起，而單粒子翻轉有621起，占總數的39%。我國發射的“實踐4號衛星”也完全記錄到了單粒子事件所造成的影響，兩顆風云衛星的壽命提前終止都說明此種環境效應的嚴重性，必須加強防護。空間微重力環境意味著HPM驅動源散熱只能通過傳導或輻射，這意味著散熱需要采用強制循環方式。

總體來說，空間環境對HPM驅動源的影響因具體技術方案不同而有所區別，需要在空間HPM驅動源的具體設計中具體分析各種因素的影響，并采取相應的防護措施。

3.2.3 空間HPMW電磁兼容設計

空間HPMW系統包含高功率能量驅動源、HPM產生器，其復雜的電磁輻射特性會對系統以及鄰近系統的測控、通信和電子探測等系統產生嚴重影響。其中，高功率驅動源產生的強流電子束必然在HPM發生器與HPM驅動源間形成短脈沖電流回路。因此需要分析整個系統的電磁兼容特性，建立系統級電流電路回路，利用電磁仿真軟件建立模型進行仿真分析，分析對其它敏感部件影響，采取相應防護措施。

圖3為相對論磁控管和Tesla型脈沖驅動源及其相應電源模塊的電路模型。需要注意，依據驅動源具體設計不同，其電路模型會產生很大變化。所以，在分析中需要細化分析HPMW系統不同模塊電路模型，才能得到比較真實的仿真結果；必要時，可建立等效實驗平臺進行實驗驗證。

4 結語

高功率微波武器利用定向發射的高功率微波束，達到毀壞和干擾敵方信息和通信鏈路敏感器件，殺傷敵方作戰人員的作戰效果。它使電子戰概念從傳統的“軟殺傷”，擴展到以電磁能量為基礎的“硬殺傷”，是一種全新的電子對抗形式。

高功率微波武器系統由初級電源、驅動源、HPM發生器、指揮控制系統、跟瞄系統、傳輸與發射系統等組成。系統具有組成簡單、可靠性高，使用費效比高的特點。在HPMW武器系統實用化過程中，需要解決結構緊湊、高功率高效率HPM產生器和驅動源技術，以及高增益、高功率容量天線技術等關鍵技術；需要結合平臺特點，分析其全系統的電磁兼容特性，研究其復雜電磁輻射對系統的通信和電子探測等系統的影響。

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作者簡介

唐永福（1983-），男，河北省邯鄲市人。工學博士學位。現為中國電子科技集團公司第三十八研究所工程師。主要研究方向為高功率微波、電磁場與電磁波及電子對抗。

作者單位

中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088