李吉浩，侯其坤，陳傳寶，許立講

(1.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039； 2.天線與微波技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210039)

0 引言

在現(xiàn)代化的高科技戰(zhàn)爭中，能否有效獲取信息成為戰(zhàn)爭的核心和關(guān)鍵，雷達(dá)特別是有源相控陣?yán)走_(dá)作為獲得戰(zhàn)爭信息的關(guān)鍵傳感器，作用和地位舉足輕重。目前，有源相控陣?yán)走_(dá)除了受低空/超低空飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、低空雜波、電子干擾和反輻射武器隱身飛行器等威脅外，還面臨電磁脈沖武器等新概念武器的威脅［1］，面臨得環(huán)境更加復(fù)雜，電磁環(huán)境不斷惡化［2-3］。

作為有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射末端和接收前端的核心部件，T/R組件直接暴露在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，相控陣?yán)走_(dá)內(nèi)核的抗燒毀問題主要體現(xiàn)在數(shù)目巨大的T/R組件的燒毀問題［4］。因此，有必要通過高功率電磁脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行T/R組件的高功率電磁脈沖毀傷效應(yīng)試驗(yàn)，積累T/R組件的毀傷閾值和加固設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)該方向的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 高功率電磁脈沖進(jìn)入T/R組件的途徑

電磁脈沖進(jìn)入T/R組件的途徑主要有三種:(1)通過殼體上的孔隙;(2)通過對殼體的穿透;(3)通過暴露在陣面表面上的天線。其中，電磁波對殼體的穿透是通過趨膚效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，2 GHz的微波信號在銅和鋁中的趨膚厚度分別為1.52 μm和2.82 μm，頻率更高的微波信號趨膚厚度更小?？梢姡吖β孰姶琶}沖對殼體的穿透作用很小。

高功率電磁脈沖對T/R組件的毀傷途徑主要包括兩個(gè)方面:一是經(jīng)過天線耦合后產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過線路或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)入T/R組件;二是通過孔隙耦合進(jìn)入T/R組件［5］。對于通過孔隙耦合進(jìn)入艙體內(nèi)部的電磁脈沖，可以通過改進(jìn)屏蔽結(jié)構(gòu)或開孔方式等有效控制其影響。而從天線耦合進(jìn)入T/R組件的電磁脈沖是致命的，這是由于:為了使雷達(dá)有更遠(yuǎn)的作用距離或更容易發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，通常要求雷達(dá)能夠處理微弱信號。例如，超外差式雷達(dá)接收機(jī)靈敏度為10-12W～10-14W，而保證這個(gè)靈敏度所需的增益為120 dB～160 dB。當(dāng)雷達(dá)天線接收到很強(qiáng)的電磁脈沖時(shí)，接收機(jī)再將此信號放大，則雷達(dá)射頻前端的低噪放大器等電子元器件很容易受到不可逆損傷。雷達(dá)的靈敏度越高，作用距離越遠(yuǎn)，其受到電磁損傷的可能性就越大。

本文主要針對高功率脈沖經(jīng)天線耦合后對T/R組件產(chǎn)生的毀傷效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)方法研究和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，積累T/R組件的毀傷閾值和加固設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 進(jìn)入T/R組件的電磁脈沖輻照場強(qiáng)與注入功率的等效關(guān)系

2.1 電磁脈沖經(jīng)天線耦合進(jìn)入T/R組件的輻照模型

高功率電磁脈沖經(jīng)天線耦合進(jìn)入T/R組件的空間輻射模型如圖1所示，高功率電磁脈沖源Pt經(jīng)增益為Gt、孔徑面積為At的發(fā)射天線，經(jīng)過距離為R的空間損耗后，由增益為Gr、孔徑面積為Ar的接收天線耦合進(jìn)入T/R組件接收通道的功率為Pr，接收天線處的場強(qiáng)為E。

圖1 電磁脈沖經(jīng)天線耦合進(jìn)入T/R組件的模型

Pr與E、Pt的關(guān)系如下

2.2 電磁脈沖經(jīng)天線耦合進(jìn)入T/R組件的典型實(shí)例

針對電磁脈沖經(jīng)天線耦合進(jìn)入T/R組件的典型情況，取T/R組件限幅器的最大耐功率Pr=1 500 W，發(fā)射天線增益Gt=5 dB，發(fā)射天線孔徑D=0.1 m，接收天線增益Gr=5 dB，接收天線孔徑D=0.1 m，空間距離R=10 m，波長λ=0.1 m，則此時(shí)對應(yīng)的發(fā)射功率為

此時(shí)，組件處的功率密度為

因此，T/R組件處的場強(qiáng)E=26 300(V/m)。

由上述分析可知，經(jīng)天線進(jìn)入T/R組件場強(qiáng)為26 300 V/m的電磁脈沖等效為1 500 W的注入功率。

3 T/R組件高功率電磁脈沖試驗(yàn)方法

根據(jù)進(jìn)入T/R組件的電磁脈沖輻照場強(qiáng)與注入功率的等效關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行高功率電磁脈沖試驗(yàn)，主要有兩種試驗(yàn)方法:電磁脈沖注入試驗(yàn)和電磁脈沖輻照試驗(yàn)。電磁脈沖注入試驗(yàn)的測試裝置包括:(1)高功率微波信號注入及HPM參數(shù)測量系統(tǒng);(2)參考信號注入、選參;(3)透射信號測試:放大、檢波。電磁脈沖輻照試驗(yàn)測試裝置包括高功率微波信號源及天線。

3.1 電磁脈沖注入試驗(yàn)

電磁脈沖注入試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。通過觸發(fā)控制器來設(shè)置微波的脈沖個(gè)數(shù)和重復(fù)頻率，由微波固態(tài)源設(shè)置微波脈沖的功率和脈沖寬度。通過定向耦合器、檢波器、衰減器和數(shù)字示波器監(jiān)測T/R組件試驗(yàn)件的注入波形、反射波形及T/R組件輸出參考信號。信號源為T/R組件提供參考信號，該信號和高功率微波脈沖同時(shí)經(jīng)過定向耦合器注入T/R組件。由于參考信號電平經(jīng)T/R組件輸出后較小，不便于監(jiān)測T/R組件的性能降級情況，所以在T/R組件輸出端加兩級放大器，對輸出參考信號進(jìn)行線性放大，以便監(jiān)測T/R組件微波損傷后的工作情況。直流電源為T/R組件和低噪聲放大器提供工作電壓，保證電路正常工作。示波器用來測量注入高功率微波脈沖的信號情況，同時(shí)監(jiān)測經(jīng)過T/R組件后的參考信號電平。

圖2 電磁脈沖注入試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

3.2 電磁脈沖輻照試驗(yàn)

電磁脈沖輻照試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3a)所示。高功率微波源的信號(垂直極化)被場強(qiáng)探測器探測到，然后經(jīng)過電纜到達(dá)衰減器。此后信號被3 dB的功分器分成兩路，一路直接送到示波器的CH2通道，另一路經(jīng)過不同的電路模塊后輸入到示波器的CH3通道。

T/R組件UWS-HPM測試采用輻照法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3b)所示。觸發(fā)控制器用來設(shè)置高功率微波輻照的重復(fù)頻率和作用時(shí)間。UWS脈沖信號通過天線輻射到T/R組件所在的位置，對T/R組件進(jìn)行作用。T/R組件處UWS信號強(qiáng)度采用測量天線、微波纜、衰減器和示波器配合測量。直流電源為T/R組件提供工作電壓，保證電路正常工作。

圖3 磁脈沖輻照試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和實(shí)驗(yàn)裝置圖

4 T/R組件電磁脈沖毀傷效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證T/R組件高功率電磁脈沖毀傷效應(yīng)，分別采用電磁脈沖注入試驗(yàn)和電磁脈沖輻照試驗(yàn)對某T/R組件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，積累T/R組件的毀傷閾值和加固設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

4.1 T/R組件電磁脈沖注入試驗(yàn)

在T/R組件電磁脈沖注入試驗(yàn)(見圖4)中，選用兩種脈沖方式:其一為單脈沖形式，如圖5a)所示;其二為脈沖串形式，如圖5b)所示。單脈沖由固態(tài)微波源直接輸出，脈沖串形式利用HP8131A觸發(fā)固態(tài)微波源產(chǎn)生。

圖4 T/R組件電磁脈沖注入試驗(yàn)

圖5 單脈沖波形和脈沖串波形示意圖

對某T/R組件進(jìn)行電磁脈沖注入毀傷效應(yīng)試驗(yàn)。圖6為單脈沖干擾效應(yīng)波形圖。此時(shí)，注入高功率微波(HPM)信號并未對T/R組件產(chǎn)生損傷，參考信號在HPM作用結(jié)束后，立即恢復(fù)正常工作狀態(tài)。圖7為單脈沖損傷效應(yīng)波形圖。此時(shí)，注入微波對T/R組件產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致T/R組件接收支路增益降低，而且T/R組件性能在HPM作用結(jié)束后有一個(gè)恢復(fù)過程，但最終未完全恢復(fù)，形成永久損傷，導(dǎo)致性能降級。

圖6 單脈沖作用時(shí)干擾波形

圖7 單脈沖作用時(shí)損傷波形

圖8為注入脈沖串的干擾波形圖。此時(shí)，注入高功率微波(HPM)信號并未對T/R組件產(chǎn)生損傷，參考信號在HPM作用結(jié)束后，立即恢復(fù)正常工作狀態(tài)。圖9為注入脈沖串的損傷波形。此時(shí)，注入微波對T/R組件產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致T/R組件接收支路增益降低，而且T/R組件性能在HPM作用結(jié)束后有一個(gè)恢復(fù)過程，但最終未完全恢復(fù)，形成永久損傷，導(dǎo)致性能降級。

圖8 脈沖串作用時(shí)干擾波形

圖9 脈沖串作用時(shí)損傷波形

對某T/R組件進(jìn)行電磁脈沖毀傷效應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。試驗(yàn)條件為單脈沖注入，重復(fù)頻率100 Hz。功率約5 kW時(shí)開始降級;功率5 kW～10 kW時(shí)，器件增益下降約1 dB ～2 dB;功率10 kW ～30 kW時(shí)，器件增益下降10 dB ～18 dB。

圖10 單脈沖注入，重復(fù)頻率100 Hz

試驗(yàn)條件為脈沖串注入，脈沖數(shù)10個(gè)，脈沖重復(fù)頻率100 Hz。功率約5 kW時(shí)開始降級;功率5 kW ～7 kW時(shí)，器件增益下降約1 dB ～3 dB;功率11 kW ～13 kW 時(shí)，器件增益下降8 dB ～10 dB;功率16 kW時(shí)，器件增益下降20 dB。相應(yīng)的T/R組件增益降級結(jié)果如圖11所示。

圖11 脈沖串注入，脈沖數(shù)10個(gè)，脈沖重復(fù)頻率100 Hz

由圖10和圖11可知，峰值功率為15 kW的電磁脈沖和峰值功率為25 kW的電磁脈沖，導(dǎo)致T/R組件出現(xiàn)同等程度的毀傷效應(yīng)(增益下降15 dB)。

圖12和圖13分別為對某T/R組件進(jìn)行電磁脈沖串注入試驗(yàn)時(shí)，性能正常和性能降級5.8 dB的信號波形。

圖12 性能正常的T/R組件波形(正常)

圖13 性能降級(5.8 dB)的T/R組件波形

對某T/R組件進(jìn)行電磁脈沖串的毀傷效應(yīng)試驗(yàn)，圖14給出了T/R組件隨電磁脈沖數(shù)增加的增益性能降級過程?？梢?，隨著電磁脈沖數(shù)的增加，T/R組件峰值溫度逐漸上升［7］，毀傷效應(yīng)逐漸嚴(yán)重。

圖14 T/R組件隨電磁脈沖數(shù)的性能降級過程

4.2 T/R組件加固設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

對性能降級的T/R組件進(jìn)行故障定位和分析(見圖15)，毀傷部件為接收通道前端的限幅器。對限幅器進(jìn)行加固設(shè)計(jì)后，進(jìn)行T/R組件加固設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。

圖15 T/R組件故障分析和加固設(shè)計(jì)

表1 T/R組件加固設(shè)計(jì)試驗(yàn)

由表1可以看出，加固設(shè)計(jì)后的T/R組件高功率電磁脈沖毀傷閾值，由原先的5 kW提高到13 kW。

4.3 T/R組件電磁脈沖輻照試驗(yàn)

T/R組件電磁脈沖輻照測試裝置如圖16所示，包括三個(gè)部分:(1)超寬譜源系統(tǒng);(2)TR組件;(3)輻射場測量系統(tǒng)。

圖16 T/R組件UWS-HPM輻照測試裝置

圖17為1 ns超寬譜脈沖輻照波形，超寬譜輻照時(shí)的重復(fù)頻率為50 Hz，作用時(shí)間10 s，場強(qiáng)670 V/cm。在此電磁脈沖輻照試驗(yàn)中，各T/R組件道均未受到損傷。

圖17 超寬譜脈沖輻照波形

5 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜電磁環(huán)境下有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件高功率電磁脈沖毀傷效應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證問題，介紹了高功率電磁脈沖進(jìn)入T/R組件的三種不同途徑，對高功率電磁脈沖輻照場強(qiáng)與注入功率等效關(guān)系進(jìn)行了建模分析。對目前實(shí)驗(yàn)室環(huán)境高功率電磁脈沖試驗(yàn)的兩種主要方法，即電磁脈沖注入試驗(yàn)和電磁脈沖輻照試驗(yàn)，分別進(jìn)行試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置的介紹和分析。對某T/R組件進(jìn)行電磁脈沖注入效應(yīng)試驗(yàn)、加固設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證以及電磁脈沖輻照試驗(yàn)后，得到T/R組件在單脈沖和脈沖串注入試驗(yàn)條件下的毀傷效應(yīng)波形。隨著注入電磁脈沖數(shù)的增加，T/R組件峰值溫度逐漸上升，毀傷效應(yīng)逐漸嚴(yán)重。加固設(shè)計(jì)后的T/R組件高功率電磁脈沖毀傷閾值由原先的kW量級水平提高到10 kW量級水平。通過T/R組件毀傷效應(yīng)試驗(yàn)及加固防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證，積累了T/R組件毀傷效應(yīng)閾值和加固設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)的工程應(yīng)用提供借鑒。

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