雷達接收機高功率微波效應試驗研究*

王 哲，賀 宇，武丹丹，張 琪，宋 滔

（中國電子科技網絡信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

高功率微波是強電磁脈沖的一種，頻率范圍0.3～300 GHz，峰值功率超過100 MW。高功率微波主要作用于各類電子信息系統，相關作用機理與效應具有普適性，并不隨目標種類的不同而變化。因此，高功率微波對電子信息系統的電磁安全構成了極其嚴重的威脅，需要開展深入的研究[1]。

高功率微波主要通過“前門”和“后門”兩種耦合途徑進入目標系統，進而產生干擾、擾亂、降級和損毀等效應?！扒伴T”通常是指如天線等電磁波接收系統，“后門”則包括各種線纜、孔縫等。不難看出，“前門”設備的電磁敏感度更高，在高功率微波環境下更脆弱[2]。因此，研究“前門”設備的高功率微波效應和毀傷機理，對于提高復雜電子信息系統的電磁防護能力具有極其重要的意義。本文采用輻照法和注入法[3-4]研究某型雷達射頻前端模塊的高功率微波效應和毀傷機理，取得了寶貴數據，可為后續的電磁防護加固工作提供數據支撐。

1 試驗對象

試驗對象為某型寬帶雷達接收機中的測角功能關鍵部件，接收靈敏度約為-60 dBm。模塊由2個X波段接收天線、2個接收變頻通道、1個頻綜組件及1個鑒相器組成，如圖1所示。接收天線工作頻段為9～9.6 GHz，頻綜提供的本振頻率為7.931 GHz。工作時，兩天線共同接收前方一定角度范圍內的目標信號，然后與頻綜提供的本振信號進行混頻，下變頻到中頻信號，最后經鑒相器對信號的相位和幅度進行比較得出目標的角度信息。

圖1 試驗對象組成

根據該雷達測角功能部件的設計與工作原理，高功率微波環境可能對其產生的效應判據如下：

（1）若中頻信號及I、Q信號的各項參數均未發生變化，則表示高功率微波環境對被測系統無影響。

（2）若中頻信號頻率未發生變化，但中頻帶寬附近出現了高于底噪但幅度小于主信號的雜散，此時需結合I、Q信號的特征進行分析。雜散信號可能導致系統衰減檔位的誤觸發或者鑒相精度的惡化，從而導致被測系統的測角精度變差。

（3）若中頻信號頻率發生跳變或中頻信號幅度比干擾信號小，則說明高功率微波環境已導致被測系統功能異常，無法對目標信號進行跟蹤。

（4）若中頻信號變弱或者消失，則表明被測系統已經出現硬損傷。

2 輻照法試驗

在輻照法試驗中，各參試設備連接關系如圖2所示。其中，頻譜儀監測試驗對象中頻信號輸出的頻譜，示波器監測試驗對象中鑒相器輸出I、Q信號的波形。為了避免對外界產生干擾，試驗在全電波暗室中進行。同時，為了避免高功率微波輻照環境對頻譜儀和示波器造成干擾甚至損壞，所有儀器儀表都被置于屏蔽室中。

圖2 輻照法試驗布置

試驗步驟如下：

（1）標校窄帶高功率微波源產生的輻射場的信號強度，記錄高功率微波源不同強度輻射輸出時被測系統擺放處的信號強度。

（2）在不加高功率微波的情況下，設置模擬目標信號源參數如表1所示。然后，對被測系統加電，監測頻譜儀中中頻信號的頻率、幅度、底噪和雜散等參數，監測示波器中鑒相I、Q信號的幅度及底噪等參數，如圖3所示。

表1 模擬目標源參數狀態

圖3 正常I、Q信號及相位解算結果

（3）設置窄帶高功率微波源輻射頻率為9.3 GHz，固定輻射方向，改變輻射強度、重頻率和脈寬等參數，監測被測系統各項參數的變化情況并記錄。

經過多次試驗，當窄帶高功率微波源參數狀態如表2所示時，試驗對象出現了干擾效應，相對應的I、Q信號波形及相位解算結果分別如圖4、圖5所示。當高功率微波微波輻射消失后，測試對象功能恢復正常。

表2 窄帶高功率微波源參數狀態

圖4 試驗A中被干擾的I、Q信號及對應的相位解算結果

圖5 試驗B中被干擾的I、Q信號及對應的相位解算結果

從圖4和圖5可以看出，雖然高功率微波輻照對試驗對象造成了干擾，但干擾信號持續時間非常短。這是因為高功率微波干擾信號的脈寬（1 000 ns）遠小于模擬目標源發射信號的脈寬（200 μs）。由于兩種信號特征差別明顯，在后續信號處理模塊中，可采用相應的算法將幅度未達門限或持續時間未達閾值的信號視為毛刺濾除，從而達到抗干擾的效果。

為了考察目標信號脈寬與高功率微波干擾信號脈寬，可比較干擾效應。設置目標源與高功率微波源參數如表3和表4所示。

表3 模擬目標源參數

在此狀態下，試驗對象的干擾效應如圖6所示。

可見，當模擬目標源的發射脈沖與高功率微波源的發射脈沖的脈寬相同時（均為1 μs），高功率微波干擾信號會對試驗對象中鑒相器的輸出I、Q信號產生覆蓋，導致嚴重的干擾。但是，由于高功率微波干擾信號與模擬目標源發射信號的重頻率差別較大，仍然可以通過后續的信號處理模塊對此類干擾進行濾除。

表4 高功率微波源參數

圖6 被干擾的I、Q信號及對應的相位解算結果

受試驗條件的限制，試驗用窄帶高功率微波源不能產生更高強度的輻照環境，而試驗用接收天線口徑?。ā?.5 cm2）、增益低（0 dBi），因而饋入射頻通道的高功率微波能量和功率都很低，不足以產生更嚴重的毀傷效應。為進一步考察試驗對象在更高強度高功率微波作用下的相關效應，對試驗對象開展了注入法試驗。

3 注入法試驗

3.1 試驗過程

注入法試驗的具體布置如圖7所示?？紤]到注入功率很高，可能直接造成試驗對象及儀器儀表損壞，故不對中頻信號和鑒相器輸出I、Q信號進行在線監測，而是在每次試驗后對試驗對象進行測試，并將測試結果與常態測試結果（見圖8）進行對比分析。

圖7 注入法試驗布置

圖8 I、Q信號常態測試結果及對應的相位解算結果

試驗時，設置模擬目標源和窄帶高功率微波源的相關參數分別如表5和表6所示。

表5 模擬目標源參數

表6 高功率微波源參數

試驗完成后，對鑒相器的I、Q輸出進行測量，測量結果如圖9所示。

圖9 注入試驗后I、Q信號輸出及對應的相位解算結果

對比圖8和圖9可以看出，I、Q信號的波形在注入試驗后發生了明顯的異常變化，噪聲波動大。由于上述測試是在高功率微波注入信號消失后離線進行的，表明試驗對象內部出現了硬毀傷。

注入法試驗中，僅有一個通道（通道1）被注入了高功率微波信號，而另一個通道（通道2）接收正常的模擬目標源信號。對此兩個通道進行開蓋對比測試，具體測試結果見圖10。通過對比測試發現，通道1中的限幅器損耗比通道2中的限幅器損耗增加約14.2 dBm，而兩個通道鏈路上其他器件的損耗及增益均保持一致，表明高功率微波對接收通道中的限幅器造成了永久性、不可逆的硬損毀效應。

圖10 接收通道開蓋對比測試結果

3.2 限幅器毀傷機理分析

接收通道選用的限幅器芯片型號為TGL2208-SM。該芯片由4個限幅二極管并聯實現，其外部封裝與內部原理見圖11。

圖11 限幅器封裝外形及內部原理

從該限幅器的內部原理可以看出，其由4個限幅二極管并聯實現。當輸入信號功率電平很高時，限幅器處于串聯諧振狀態，輸入和輸出阻抗近似為零，輸入功率幾乎不能傳輸到輸出端口，使輸出電平很小，限幅器對后置電路起到保護作用；當輸入信號功率電平較低時，限幅器處于并聯諧振狀態，輸入和輸出阻抗幾乎完全匹配，輸入功率幾乎全部傳輸到輸出端口，從而使限幅器插入損耗很小，幾乎對接收通道的工作不產生影響。

該限幅器的易損元件是后級PIN二極管[5]。根據該限幅器的內部原理，可判斷其損壞機理為：由于前級PIN二極管I層厚度較大、啟動速度慢，因而當高功率微波注入時會導致較大的尖峰電壓泄露。當該電壓傳遞到后級PIN二極管時，若超出其反向電壓承受能力，將發生電擊穿，導致硬件損傷。

4 結 語

本文針對電磁敏感度高的雷達射頻前端，采用輻照法和注入法研究了其高功率微波效應，分析了其損毀機理，得出以下結論：

（1）若高功率微波的信號特征與目標的信號特性區別較大，如脈寬、重頻率等特征區別較大，所造成的干擾效應將非常微弱；

（2）若高功率微波與目標信號特性接近，則高功率微波干擾信號越覆蓋接收通道采集到的目標脈沖，從而達到明顯的干擾效應；

（3）當高功率微波的強度達到一定閾值時，將對接收通道的硬件造成損傷，并且首先受到損壞的是接收通道的前置器件。

針對本次試驗中高功率微波對雷達接收機前端造成的一系列效應，給出如下的防護建議：

（1）雷達接收機前端在不增加額外保護電路的基礎上，應選用能夠承受更大功率的限幅器，盡可能增加接收機抗高功率微波的能力；

（2）雷達接收機設計時在現有限幅器保護電路之前增加高功率微波保護電路，將高功率微波能量盡可能抑制，再由限幅器限幅后輸入射頻前端；

（3）在條件允許的情況下，可將雷達接收機的硬件電路進行適當備份，保證設計冗余度，在主通道損壞的情況下，能夠迅速切換到備份通道，從而保障系統正常工作；

（4）在高功率微波不足以損壞雷達接收機硬件通道的情況下，雷達接收機的信號處理部分可根據高功率微波的信號特征進行針對性的抗干擾算法處理，確保雷達接收機的性能不受影響。