高功率微波對北斗系統(tǒng)接收機(jī)影響分析?

王建爭 彭少磊

（91404部隊(duì)42分隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自行研制的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)［1～2］，是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［3～4］。美國GPS最初設(shè)計(jì)時(shí)主要用于軍事領(lǐng)域，但因其能夠提供較高精度的全球定位、授時(shí)和導(dǎo)航服務(wù)，如今在民用領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用，同樣我國的北斗系統(tǒng)也具有這樣的發(fā)展歷程。由于定位衛(wèi)星距離地球很遠(yuǎn)，地面北斗接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號功率相當(dāng)?shù)停谑褂眠^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(yán)重時(shí)可直接燒毀接收機(jī)。因此，研究北斗系統(tǒng)接收機(jī)抗燒毀防護(hù)已經(jīng)成為我國軍事和民用應(yīng)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(qiáng)電磁脈沖。高功率微波技術(shù)是一門跨學(xué)科門類的綜合性技術(shù)，內(nèi)容涵蓋微波技術(shù)、脈沖功率技術(shù)等學(xué)科技術(shù)［6～10］。

使用高功率微波武器進(jìn)行電子攻擊具有以下特點(diǎn):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(shù)防御系統(tǒng)是非屏蔽的，因此，為了對付電子攻擊，整個(gè)系統(tǒng)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(jìn)行改造；3）攻擊電磁波可以從“前門”和“后門”進(jìn)入目標(biāo)系統(tǒng)；4）可以同時(shí)攻擊覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)；5）基本不受氣候條件（如雨或霧）的影響；6）在開發(fā)和使用方面基本不存在法律障礙；7）攻擊費(fèi)用低于傳統(tǒng)武器；8）電子損傷的修理通常需要專業(yè)知識，所以難以在現(xiàn)場完成；9）為作戰(zhàn)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(jī)理

2.1 高功率微波的損傷效應(yīng)

高功率微波對北斗系統(tǒng)接收機(jī)的損傷主要包括熱效應(yīng)和電效應(yīng)。熱效應(yīng)是指高功率微波對介質(zhì)進(jìn)行加熱而引起的效應(yīng)，主要包括半導(dǎo)體結(jié)熱二次擊穿和燒毀器件等；電效應(yīng)是指高功率微波的感應(yīng)電流或感應(yīng)電壓對元器件作用而產(chǎn)生的效應(yīng)，主要包括半導(dǎo)體器件的翻轉(zhuǎn)、閉鎖、結(jié)電壓擊穿等。

北斗接收機(jī)作為一種高頻電子設(shè)備，對高功率微波極為敏感:當(dāng)高功率微波強(qiáng)度不高時(shí)便可直接壓制導(dǎo)航定位信號，使接收機(jī)無法正常定位工作；當(dāng)高功率微波信號強(qiáng)度較高時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電場可導(dǎo)致接收機(jī)內(nèi)部芯片工作異常、邏輯混亂等；當(dāng)高功率微波信號強(qiáng)度很高時(shí)，強(qiáng)場作用可短時(shí)間內(nèi)直接燒毀芯片，導(dǎo)致接收機(jī)報(bào)廢。不同功率密度高功率微波對電子系統(tǒng)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(tǒng)破壞效果

2.2 高功率微波的耦合效應(yīng)

高功率微波耦合是指高功率微波與北斗系統(tǒng)接收機(jī)相互作用時(shí)，高功率微波信號能量傳入系統(tǒng)中的過程，它是研究熱效應(yīng)和電效應(yīng)的基礎(chǔ)，對電子設(shè)備的耦合情況決定了進(jìn)入系統(tǒng)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(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，主要破壞系統(tǒng)的前端設(shè)備；“后門”耦合是指微波能量通過設(shè)備縫隙、孔洞等途徑進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，可破壞系統(tǒng)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(tǒng)接收機(jī)主要由天線、接收機(jī)主機(jī)、電源等部分構(gòu)成，采用無源定位原理機(jī)制，系統(tǒng)導(dǎo)航定位時(shí)必須通過天線實(shí)時(shí)接收衛(wèi)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(jī)材料、工藝、封裝、成本等原因，北斗系統(tǒng)接收機(jī)天線、接口、外殼等部分，同樣不可避免地存在縫隙和孔洞，當(dāng)孔縫的尺寸和高功率微波的波長相比擬時(shí)，電磁波將通過衍射原理大量進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，特定的頻率下內(nèi)部電路板、線纜會發(fā)生諧振，直接影響設(shè)備的工作狀態(tài)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(jī)內(nèi)部后，以空間輻射和線路傳導(dǎo)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(dǎo)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(jī)內(nèi)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(yīng)是系統(tǒng)損傷效應(yīng)的基礎(chǔ)，反之，系統(tǒng)損傷效應(yīng)則是器件損傷效應(yīng)的宏觀體現(xiàn)形式。

對于北斗系統(tǒng)接收機(jī)而言，主要包括三大部分:射頻前端、基帶數(shù)字信號處理模塊以及定位導(dǎo)航運(yùn)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(zhǔn)振蕩器等微波器件組成，主要受到“前門”耦合效應(yīng)影響。由于耦合方式簡單，通道耦合系數(shù)、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(yīng)來預(yù)估射頻前端的損傷效應(yīng)是具有可信度和可行性的。而基帶數(shù)字信號處理模塊以及定位導(dǎo)航運(yùn)算模塊屬于低頻電子系統(tǒng)，工作頻率也遠(yuǎn)低于高功率微波的頻率，因此高功率微波對其的損傷效應(yīng)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(jī)內(nèi)部的復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)和線路布局決定了高功率微波耦合效應(yīng)是多路徑的，既有線路傳導(dǎo)耦合，也有空間輻射場耦合，同樣耦合到半導(dǎo)體器件上的高功率微波強(qiáng)度也是多路徑耦合作用的復(fù)合函數(shù)，此外，接收機(jī)內(nèi)部電路中的敏感半導(dǎo)體器件又不止一個(gè)，其邏輯關(guān)系也不盡相同，因此依據(jù)數(shù)學(xué)方法采用低頻電子器件的損傷效應(yīng)來預(yù)估接收機(jī)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(jī)內(nèi)部電路線路的復(fù)雜性和半導(dǎo)體器件敏感度的復(fù)雜性，導(dǎo)致接收機(jī)低頻電路具有獨(dú)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(guān)，而且導(dǎo)致接收機(jī)低頻部分整機(jī)效應(yīng)與內(nèi)部電路和半導(dǎo)體器件的敏感度圖案不存在任何直接的數(shù)學(xué)關(guān)系。因此對于接收機(jī)低頻部分的損傷效應(yīng)研究需要整機(jī)研究，且研究成果不具有廣泛的通用性。

3 接收機(jī)的防護(hù)措施

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)級防護(hù)方面，從設(shè)計(jì)初期將抗高功率微波指標(biāo)納入規(guī)劃，將系統(tǒng)接收機(jī)天線增益、濾波器、前置功率放大器增益等進(jìn)行合理分配，優(yōu)化系統(tǒng)接口、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)合理布局等，提高系統(tǒng)的線性度和動態(tài)范圍等，以提高高功率微波損傷效應(yīng)的適應(yīng)能力。

3.2 器件防護(hù)

北斗系統(tǒng)中，射頻前端、接收機(jī)天線中的敏感半導(dǎo)體器件容易被高功率微波擊穿或燒毀。可在系統(tǒng)中使用限幅器來提高防護(hù)性能。傳統(tǒng)的防護(hù)器件有肖特基勢壘二極管限幅器、變?nèi)荻O管限幅器等，此類限幅器具有技術(shù)成熟、成本較低的特點(diǎn)，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(dǎo)等離子體限幅器，其具有較高功率容限的優(yōu)勢。

3.3 材料防護(hù)

近年來，一些新材料開始逐步應(yīng)用于高功率微波防護(hù)中，起到了良好的高功率微波防護(hù)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(zhì)材料和先進(jìn)工藝制成，主要目的就是不顯著降低性能的情況下增強(qiáng)高功率微波的防護(hù)能力以代替系統(tǒng)內(nèi)的當(dāng)前芯片。2）光纖。由于光纖僅對光信號進(jìn)行傳導(dǎo)，不會與電磁波產(chǎn)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(yīng)，同時(shí)光纖傳輸還具有頻帶寬、穩(wěn)定性好、成本較低的特點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文從高功率微波對北斗系統(tǒng)接收機(jī)的損傷機(jī)理開始，介紹了損傷效應(yīng)和耦合效應(yīng)，分析了高功率微波的作用對象，從系統(tǒng)、器件、以及材料三個(gè)層級分析了接收機(jī)的防護(hù)措施，期望為進(jìn)一步進(jìn)行北斗系統(tǒng)接收機(jī)的防護(hù)技術(shù)研究提供參考。