邰戰(zhàn)雄，阮毅，秦銀，滕新友

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

高功率微波技術(shù)是指微波信號的平均功率在千瓦以上的微波信號。平均功率在千瓦以上的微波，可以破壞和干擾保護(hù)嚴(yán)密的精密電子設(shè)備。因此，對高功率微波技術(shù)應(yīng)用的研究，有極大的戰(zhàn)略價值。微波武器對現(xiàn)代戰(zhàn)爭產(chǎn)生了巨大作用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭是陸、海、空、天、電磁“五維一體”的立體聯(lián)合作戰(zhàn)，對設(shè)備的制電磁權(quán)已經(jīng)成為決勝的關(guān)鍵之一。高頻微波作為武器主要攻擊導(dǎo)彈和雷達(dá)系統(tǒng)，對設(shè)備發(fā)射高頻微波從而干擾、損傷、燒毀信息化武器的電子設(shè)備。

1 高頻微波技術(shù)的研究階段

截至目前，高功率微波技術(shù)大致經(jīng)歷了三個階段。20世紀(jì)70年代到80年代，高功率微波開始能夠以幾百兆瓦的高功率輸出，并陸續(xù)提出了相對論返波管（1970年）、相對論磁控管RM（1976年）、虛陰極振蕩器（1977年）等典型微波源。20世紀(jì)80年到代90年代，美俄在以高功率設(shè)備為主的信息化武器領(lǐng)域展開了功率競賽，這一階段出現(xiàn)了各種大型高功率設(shè)備，微波武器輸出功率最高超過10GW，不過輸出設(shè)備體型大，能量轉(zhuǎn)化效率低。與此同時，吉瓦級重頻高功率微波以及長脈沖產(chǎn)生技術(shù)取得重大進(jìn)展，超寬譜高功率微波技術(shù)逐漸從實驗室走入軍事應(yīng)用領(lǐng)域。21世紀(jì)后，高功率微波技術(shù)往設(shè)備小型化和能效提高的方向發(fā)展，研究重點為緊湊小型化HPM產(chǎn)生研究，數(shù)吉瓦超高功率及重復(fù)頻率HPM產(chǎn)生研究，長脈沖HPM產(chǎn)生研究以及HPM鎖頻鎖相及功率合成技術(shù)研究。

2 微波前門注入受損研究

研究高功率微波對前門注入損傷效應(yīng)時，需要先進(jìn)行理論建模分析，并結(jié)合相關(guān)模擬微波注入的實驗，對高功率微波損傷效應(yīng)最小系統(tǒng)進(jìn)行評估和研究。

高功率微波前門注入實驗平臺由微波源、功率放大器、隔離器、定向耦合器、環(huán)形器、待測設(shè)備、測試設(shè)備以及連接電纜組成，如圖1所示。微波前門注入受損實驗采用編寫軟件控制程序的方式進(jìn)行控制，操作者能夠?qū)Σ竭M(jìn)功率電平、實驗啟動和關(guān)閉進(jìn)行便捷的操控，同時還能夠?qū)y量門限進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置，既可以把當(dāng)前點的值當(dāng)做實驗觸發(fā)條件，還可以將第一次測量當(dāng)做觸發(fā)參考，這樣不僅能夠保證功率閾值的真實性與準(zhǔn)確性，還能夠顯著降低操作者的工作量。在進(jìn)行實驗時，需要做好各種實驗樣品小信號信息的收集工作，主要包括電流特征、噪聲變化情況以及增益情況等。因為該實驗所選用的噪聲放大器處于正常運行狀態(tài)時，漏極電流、柵極電流都非常小，采用電流鉗無法比較準(zhǔn)確地檢測到真實的電流大小，同時采用偏置電路的方式，存在一定的限流電阻，在實驗的過程中出現(xiàn)噪聲放大器損壞的情況，電流值浮動的范圍也相對較小，無法準(zhǔn)確地檢測電流值。因為限流電阻的阻值不會發(fā)生變化，所以采用檢測漏極管腳電壓、柵極電壓的方式取代電流值檢測的方式，即如果噪聲放大器發(fā)生故障或者被損壞，采用檢測漏極電壓升降的方式取代原來檢測漏極電流的方式[1]。

具體實驗如下：

（1）按照相關(guān)要求和規(guī)定，對實驗中需要用到的各種儀器設(shè)備進(jìn)行連接，并在此基礎(chǔ)上將相應(yīng)的微波前門注入平臺系統(tǒng)構(gòu)建起來。

（2）對實驗樣品小信號進(jìn)行測試，在這個過程中相關(guān)實驗人員要注意噪聲以及兩級漏極實際工作時的電壓值、小信號參數(shù)特性等指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行收集，之后基于此將小信號樣品參考數(shù)據(jù)庫構(gòu)建起來，并不斷加以完善。

（3）利用15cp/s脈沖功率將相應(yīng)信號持續(xù)注入低噪聲放大器中，同時實驗人員要注意通過相應(yīng)的軟件對兩級漏極電性進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測，并詳細(xì)記錄低噪聲放大器的實際輸出功率值。

（4）在實驗過程中，對于達(dá)到預(yù)設(shè)門限的軟件，其功率輸出會自動關(guān)閉，此時需要拆下低噪聲放大器，直到設(shè)備恢復(fù)至正常狀態(tài)。

（5）拆卸所有實驗設(shè)備，并對實驗過程中收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

在實驗的過程中需要注意以下幾個方面：其一，在進(jìn)行低噪放上電時需要按照先進(jìn)行柵極后進(jìn)行源極的方式，在進(jìn)行掉電時，則需要按照先進(jìn)行源極后進(jìn)行柵極的方式。其二，因為樣品之間存在一定的差異，所以退化實驗初始階段，需要把觸發(fā)門限設(shè)置的低一點，這樣能夠比較準(zhǔn)確、及時的捕捉噪聲退化的預(yù)知。其三，輸出設(shè)備種類眾多，不僅包括信號源，還包括示波器、功率計等，尤其是功率較大的輸出設(shè)備，在進(jìn)行實驗之前，為了防止功率過大影響實驗結(jié)果，需要在開始階段安裝衰減器，同時還能夠防止設(shè)備探頭或儀器出現(xiàn)損壞。

3 前門通道（接收機(jī)）抗損實驗

在向通信設(shè)施中注入高功率微波的能量耦合時，進(jìn)入載荷系統(tǒng)主要有兩種方法：一種是通過前門通道進(jìn)入；另一種是通過后門通道進(jìn)入。如果雷達(dá)接收機(jī)接收到的高功率微波是從前門接收天線傳入的，那么雷達(dá)接收機(jī)中的相關(guān)電子元器件就很容易受到較強(qiáng)電磁脈沖的影響[2]。

針對這種情況，在通過前門通道向通信設(shè)施注入高功率微波信號時，為了使通信系統(tǒng)在受到HPM壓制的情況下，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的通信鏈路有效的構(gòu)建起來，可以通過前門PIN二極管限幅器防護(hù)設(shè)計將抗HPM雙通道限幅接收模塊設(shè)計構(gòu)建起來，并結(jié)合微帶雙工器進(jìn)行綜合運用。需要注意的是，所設(shè)計的雙工器應(yīng)具備以下特點：即具有較強(qiáng)的限幅功能、較高的隔離度、較小的尺寸以及較低的插值損耗。前門通道抗損實驗基于系統(tǒng)角度，對抗毀傷策略對接收機(jī)在有效荷載前提下的影響程度進(jìn)行測試，將限幅器安裝在接收機(jī)中，同時測試在多種信號不同注入的情況下，接收機(jī)抗毀傷策略是否能夠發(fā)揮相應(yīng)的作用。本實驗通過限幅器把小信號傳遞至噪聲放大器，對噪聲的群時延抖動、增益等情況進(jìn)行觀測，并和實施抗摧毀策略之前的情況進(jìn)行對比分析。如果群時延抖動小于0.1ns、噪音增益下降小于1dB，噪聲系數(shù)上升沒有超過0.4dB，則表明采取的抗摧毀策略能夠?qū)υO(shè)備性能產(chǎn)生保護(hù)作用。利用連續(xù)波和脈沖信號對抗高功率微波造成的損壞程度進(jìn)行實驗，持續(xù)注入15min，測試完成后，進(jìn)行增益和噪聲系統(tǒng)等的實驗，以此檢驗采取的抗摧毀策略能夠具有保護(hù)作用。在實驗的過程中采用專用的實驗平臺，該實驗平臺連接電纜、測試裝置、限幅器、耦合器、衰減器以及微波源等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。注入高功率微波之后，將預(yù)備檢測的裝置安置在主路的通道，在脈沖發(fā)射器中形成重復(fù)頻率、脈沖寬度等各異的高功率微波信號，在功率放大器的作用下，將其傳遞至等待檢測裝置的輸入端口，等待檢測的裝置在檢波器與衰減器的共同作用下，和數(shù)字示波器進(jìn)行可靠的連接，并能夠在該數(shù)字示波器中對待測裝置的瞬時響應(yīng)情況進(jìn)行全面、真實、準(zhǔn)確的展示。

之后進(jìn)行相應(yīng)的仿真和測試，結(jié)果證明雙通道限幅接收模塊能夠?qū)PM的壓制進(jìn)行有效的抵抗，能夠充分保障通信鏈路的構(gòu)建。在進(jìn)行實際操作時，為了更加全面、深入的研究和分析前門抗高功率波損傷措施，并對相關(guān)設(shè)備指標(biāo)是否受到影響以及受影響程度進(jìn)行充分的了解，還需要實驗接收機(jī)前門通道抗損傷能力，從而使所采取的保護(hù)措施的可靠性得到充分的保證[3]。

考慮以上各種因素，所設(shè)計的功率放大器應(yīng)具備以下特點：一是理論功分比需達(dá)到正無窮；二是能夠?qū)Σ坏确止β蔬M(jìn)行便捷操作，之后將接地電阻接入到元件中，從而能夠與高功率應(yīng)用相適應(yīng)。通過電磁仿真對功率分配器進(jìn)行相應(yīng)的操作之后，還需要加工測試相應(yīng)的實物，最終的測試結(jié)果符合之前的仿真結(jié)果[4]。

4 無源電路

從以上實驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)的功率放大器雖然具有較大的功率，并且能夠應(yīng)用到高功率的實驗環(huán)境中，但是這無法充分滿足不等分設(shè)計，主要原因是難以對更高的功率進(jìn)模擬，這導(dǎo)致高功率傳輸技術(shù)的應(yīng)用以及高功率設(shè)備的加工受到了一定程度的限制。

因此，可以基于傳統(tǒng)功率放大器，利用新型片狀傳輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計高功率微帶功率放大器的寬帶化。在進(jìn)行設(shè)計時，要重視區(qū)別普通微帶線與片狀結(jié)構(gòu)電場分布情況之間存在的差異，針對這種情況為了使功率放大器的小型化設(shè)計得以充分的實現(xiàn)，可以采取彎曲傳輸路徑的方法。就這種設(shè)計方法來說，功率放大器的優(yōu)勢在于不需要借助高阻抗線就能夠?qū)Σ坏确止β史糯笃鬟M(jìn)行準(zhǔn)確的功率分比。與此同時，對于高阻抗線的功率容量也不需要進(jìn)行考慮，并且對于改進(jìn)之后的系統(tǒng)還能夠在很大程度上保證其在更高的功率中進(jìn)行有效的應(yīng)用[5]。

之后，利用電磁仿真以及測試實物后的結(jié)果顯示，與之前相比功率放大器寬帶提高了30%左右，并且尺寸同比減小50%左右，有利于實現(xiàn)不等分功率放大器功率分解以及設(shè)備小型化的目標(biāo)。

5 結(jié)論

總而言之，電磁干擾與高功率微波傳輸、測量等技術(shù)以及相關(guān)方面研究之間的聯(lián)系非常密切，其中與軍事項目應(yīng)用之間的聯(lián)系尤為緊密，再加上電磁、電熱等學(xué)科與高功率微波傳輸之間存在相互重疊的情況，因此對其實際情況往往難以使用傳統(tǒng)的Matlab數(shù)值模擬進(jìn)行全面、充分的描述。在本文的研究中，主要通過實驗驗證的方法研究分析了射頻電路抗高功率微波技術(shù)問題，之后有機(jī)地融合了實驗和數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)，確保了最終結(jié)論的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，希望能夠為以后相關(guān)方面的研究工作提供一些參考。