雷達(dá)接收機(jī)高功率微波效應(yīng)試驗研究*

王 哲，賀 宇，武丹丹，張 琪，宋 滔

（中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

高功率微波是強(qiáng)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(tǒng)，相關(guān)作用機(jī)理與效應(yīng)具有普適性，并不隨目標(biāo)種類的不同而變化。因此，高功率微波對電子信息系統(tǒng)的電磁安全構(gòu)成了極其嚴(yán)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(jìn)入目標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)而產(chǎn)生干擾、擾亂、降級和損毀等效應(yīng)。“前門”通常是指如天線等電磁波接收系統(tǒng)，“后門”則包括各種線纜、孔縫等。不難看出，“前門”設(shè)備的電磁敏感度更高，在高功率微波環(huán)境下更脆弱[2]。因此，研究“前門”設(shè)備的高功率微波效應(yīng)和毀傷機(jī)理，對于提高復(fù)雜電子信息系統(tǒng)的電磁防護(hù)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(dá)射頻前端模塊的高功率微波效應(yīng)和毀傷機(jī)理，取得了寶貴數(shù)據(jù)，可為后續(xù)的電磁防護(hù)加固工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗對象

試驗對象為某型寬帶雷達(dá)接收機(jī)中的測角功能關(guān)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(nèi)的目標(biāo)信號，然后與頻綜提供的本振信號進(jìn)行混頻，下變頻到中頻信號，最后經(jīng)鑒相器對信號的相位和幅度進(jìn)行比較得出目標(biāo)的角度信息。

圖1 試驗對象組成

根據(jù)該雷達(dá)測角功能部件的設(shè)計與工作原理，高功率微波環(huán)境可能對其產(chǎn)生的效應(yīng)判據(jù)如下：

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

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

（3）若中頻信號頻率發(fā)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(huán)境已導(dǎo)致被測系統(tǒng)功能異常，無法對目標(biāo)信號進(jìn)行跟蹤。

（4）若中頻信號變?nèi)趸蛘呦В瑒t表明被測系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)硬損傷。

2 輻照法試驗

在輻照法試驗中，各參試設(shè)備連接關(guān)系如圖2所示。其中，頻譜儀監(jiān)測試驗對象中頻信號輸出的頻譜，示波器監(jiān)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(chǎn)生干擾，試驗在全電波暗室中進(jìn)行。同時，為了避免高功率微波輻照環(huán)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(biāo)校窄帶高功率微波源產(chǎn)生的輻射場的信號強(qiáng)度，記錄高功率微波源不同強(qiáng)度輻射輸出時被測系統(tǒng)擺放處的信號強(qiáng)度。

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

表1 模擬目標(biāo)源參數(shù)狀態(tài)

圖3 正常I、Q信號及相位解算結(jié)果

（3）設(shè)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(qiáng)度、重頻率和脈寬等參數(shù)，監(jiān)測被測系統(tǒng)各項參數(shù)的變化情況并記錄。

經(jīng)過多次試驗，當(dāng)窄帶高功率微波源參數(shù)狀態(tài)如表2所示時，試驗對象出現(xiàn)了干擾效應(yīng)，相對應(yīng)的I、Q信號波形及相位解算結(jié)果分別如圖4、圖5所示。當(dāng)高功率微波微波輻射消失后，測試對象功能恢復(fù)正常。

表2 窄帶高功率微波源參數(shù)狀態(tài)

圖4 試驗A中被干擾的I、Q信號及對應(yīng)的相位解算結(jié)果

圖5 試驗B中被干擾的I、Q信號及對應(yīng)的相位解算結(jié)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(xù)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(yuǎn)小于模擬目標(biāo)源發(fā)射信號的脈寬（200 μs）。由于兩種信號特征差別明顯，在后續(xù)信號處理模塊中，可采用相應(yīng)的算法將幅度未達(dá)門限或持續(xù)時間未達(dá)閾值的信號視為毛刺濾除，從而達(dá)到抗干擾的效果。

為了考察目標(biāo)信號脈寬與高功率微波干擾信號脈寬，可比較干擾效應(yīng)。設(shè)置目標(biāo)源與高功率微波源參數(shù)如表3和表4所示。

表3 模擬目標(biāo)源參數(shù)

在此狀態(tài)下，試驗對象的干擾效應(yīng)如圖6所示。

可見，當(dāng)模擬目標(biāo)源的發(fā)射脈沖與高功率微波源的發(fā)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(chǎn)生覆蓋，導(dǎo)致嚴(yán)重的干擾。但是，由于高功率微波干擾信號與模擬目標(biāo)源發(fā)射信號的重頻率差別較大，仍然可以通過后續(xù)的信號處理模塊對此類干擾進(jìn)行濾除。

表4 高功率微波源參數(shù)

圖6 被干擾的I、Q信號及對應(yīng)的相位解算結(jié)果

受試驗條件的限制，試驗用窄帶高功率微波源不能產(chǎn)生更高強(qiáng)度的輻照環(huán)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(chǎn)生更嚴(yán)重的毀傷效應(yīng)。為進(jìn)一步考察試驗對象在更高強(qiáng)度高功率微波作用下的相關(guān)效應(yīng)，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(jìn)行在線監(jiān)測，而是在每次試驗后對試驗對象進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果與常態(tài)測試結(jié)果（見圖8）進(jìn)行對比分析。

圖7 注入法試驗布置

圖8 I、Q信號常態(tài)測試結(jié)果及對應(yīng)的相位解算結(jié)果

試驗時，設(shè)置模擬目標(biāo)源和窄帶高功率微波源的相關(guān)參數(shù)分別如表5和表6所示。

表5 模擬目標(biāo)源參數(shù)

表6 高功率微波源參數(shù)

試驗完成后，對鑒相器的I、Q輸出進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖9所示。

圖9 注入試驗后I、Q信號輸出及對應(yīng)的相位解算結(jié)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(fā)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(jìn)行的，表明試驗對象內(nèi)部出現(xiàn)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(biāo)源信號。對此兩個通道進(jìn)行開蓋對比測試，具體測試結(jié)果見圖10。通過對比測試發(fā)現(xiàn)，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(yīng)。

圖10 接收通道開蓋對比測試結(jié)果

3.2 限幅器毀傷機(jī)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(lián)實現(xiàn)，其外部封裝與內(nèi)部原理見圖11。

圖11 限幅器封裝外形及內(nèi)部原理

從該限幅器的內(nèi)部原理可以看出，其由4個限幅二極管并聯(lián)實現(xiàn)。當(dāng)輸入信號功率電平很高時，限幅器處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，輸入和輸出阻抗近似為零，輸入功率幾乎不能傳輸?shù)捷敵龆丝?，使輸出電平很小，限幅器對后置電路起到保護(hù)作用；當(dāng)輸入信號功率電平較低時，限幅器處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，輸入和輸出阻抗幾乎完全匹配，輸入功率幾乎全部傳輸?shù)捷敵龆丝冢瑥亩瓜薹鞑迦霌p耗很小，幾乎對接收通道的工作不產(chǎn)生影響。

該限幅器的易損元件是后級PIN二極管[5]。根據(jù)該限幅器的內(nèi)部原理，可判斷其損壞機(jī)理為：由于前級PIN二極管I層厚度較大、啟動速度慢，因而當(dāng)高功率微波注入時會導(dǎo)致較大的尖峰電壓泄露。當(dāng)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(fā)生電擊穿，導(dǎo)致硬件損傷。

4 結(jié) 語

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

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

（2）若高功率微波與目標(biāo)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(biāo)脈沖，從而達(dá)到明顯的干擾效應(yīng)；

（3）當(dāng)高功率微波的強(qiáng)度達(dá)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(dá)接收機(jī)前端造成的一系列效應(yīng)，給出如下的防護(hù)建議：

（1）雷達(dá)接收機(jī)前端在不增加額外保護(hù)電路的基礎(chǔ)上，應(yīng)選用能夠承受更大功率的限幅器，盡可能增加接收機(jī)抗高功率微波的能力；

（2）雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計時在現(xiàn)有限幅器保護(hù)電路之前增加高功率微波保護(hù)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(dá)接收機(jī)的硬件電路進(jìn)行適當(dāng)備份，保證設(shè)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(tǒng)正常工作；

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