高功率微波对抗技术分析

摘 要 以电磁能量为基础的“硬杀伤”式高功率微波对抗技术是一种全新的电子对抗形式，日益受到西方发达国家的重视。论文对高功率微波武器的系统组成、工作特点，以及其强电磁耦合效能进行了分析研究；提炼出了防空和空间高功率微波武器系统需要解决的一些关键技术，为将来高功率微波武器的研究和应用提供技术支持。

【关键词】高功率微波 电子对抗 电磁耦合效能 关键技术

高功率微波（High-Power Microwave， HPM）是学术界研究产生相干强电磁辐射采用的学术用语，是指峰值功率大于100MW，频率在0.1-300GHz的相干微波辐射[1-6]。通常产生这种电磁波的源是一种运行在强流相对论电子束（Intense relativistic electron beam， IREB）条件下的装置。

高功率微波作为一个相对来说比较新的研究领域，在国防、科学研究中具有巨大的应用前景。其中，高功率微波武器（HPMW）作为三大定向能武器之一，利用定向发射的高功率微波束，可以达到毁坏和干扰敌方武器系统、信息系统和通信链路中的敏感电子部件，以及杀伤敌方作战人员的作战效果。

HPMW概念最早由《美國空军2025年战略规划》提出，根据美国电子工业协会报道，美国在2006年已完成了天基HPM系统建模与仿真试验。美国近年来在HPM脉冲源的研究投资就达到数亿美元/年。此外，俄、英、法、德、日等国都竞相开展了高功率微波源和微波武器的研发工作。可以说，HPMW的提出和发展，使电子战概念从传统的以阻止或削弱敌人对电磁频谱的有效利用为目的的“软杀伤”，扩展到以电磁能量为基础的“硬杀伤”，是一种全新电子对抗形式。

1 HPM武器组成

高功率微波武器（HPMW）向外空间辐射的典型微波峰值功率可达GW量级，使用的微波频率为0.1-300GHz。 整个武器系统由初级电源、驱动源、HPM发生器、指挥控制系统、跟瞄系统、传输与发射系统组成，如图1所示。

其中，初级电源为驱动源提供能量，驱动源将电能量转变为高功率强脉冲电子束；在HPM发生器内，电子束与电磁场相互作用（束-波不稳定相互作用），产生一定频率和模式的高功率微波；跟瞄系统获得目标方位及俯仰信息，反馈给指挥控制系统；指控系统引导整个系统，将高功率微波通过传输与发射系统辐射至外部空间，完成对目标的打击。

与原有的武器系统相比，HPMW具有以下特点：全系统简单、可靠性高；系统使用费效比高，可以精简操作人员；电子对抗过程只需消耗电能，以电磁波方式打击，所以系统反应速度、打击速度（光速）快，且系统全寿命周期费用远低于常规导弹对抗系统。

2 HPM武器效能

高功率微波武器辐射强微波能量，通过高容量、高增益传输发射系统，以时域极窄的脉冲（几十ns）通过天线聚集在一个空域窄波束中。敌方电子设备受电磁辐照后，工作性能会降低甚至完全失效。当前军事武器系统中（如通信卫星、导航卫星、巡航导弹等），广泛应用的各种大规模集成电路和超高速集成电路，对于高功率微波辐射脉冲来说是十分脆弱的目标。

高功率微波能够通过敌方系统的 “前门”耦合进入电子系统，也可以通过 “后门”耦合方式进入，造成系统内部电子器件的损伤、失效甚至烧毁。对于飞行器来说，“前门”耦合通道主要是其对地通信链路中的测控及数传天线、告警雷达天线等，以及各单机的频率综合器、上、下变频器等；“后门”耦合主要是通过系统外表面的扩散、经孔洞、缝隙的穿透、在导线和其他金属导体上激励的电流和电压的传导等。

在HPM功率和发射天线增益确定的情况下，高功率微波武器到达目标的功率密度S与HPM武器距目标距离R有关。可根据式（1）计算得出到达目标的功率密度：

（1）

式中：S为功率密度，单位为W/cm2；Pt为HPM发射功率；Gt为HPM发射天线增益；R为HPM武器与目标之间的距离（上述分析忽略了微波传输空间损耗、模式转换损耗等）。

在辐射功率Pt一定的情况下，天线增益Gt与其有效面积成正比，与工作波长平方成反比，如下式所示。

（2）

式中：λ为微波波长；Ae和A分别为天线在当前参数下辐射微波有效面积和物理面积；D为天线口面直径；η为天线辐射效率。以当前典型单支HPM产生器的辐射功率Pt=5GW，微波波长λ=3cm，HPM发射天线实际面积A=10m2（D=3.6m，η= 80%）为例，代入式（2）可得Gt= 50.5dB。

根据天线半功率波束宽度θ3dB公式

（3）

以及HPM武器系统与飞行器之间的距离R，可得目标处半功率波束尺寸

（4）

表1为在不同的距离处HPM波束尺寸和功率密度以及对应的攻击对象、效果和攻击目的。

根据上述HPM武器攻击效能表可以看出，瞬时峰值功率5 GW，发射增益50.5 dB，工作波段3cm的HPMW，在距离目标飞行器500 km处，在直径为3666.63m的覆盖面积上功率密度达到0.02W/cm2，此时HPM可使星上敏感单机受到干扰作用；在距离60 km处，在直径为439.99m覆盖面积上功率密度达到1.24W/cm2，可使飞行器GPS定位仪、导航仪受到干扰，使其出现乱码或者失效；在距离10km处，HPM功率密度达到几十至上百W/cm2，目标本体受到较强“前门”“后门”耦合，可以造成飞行器某些单机损毁，从而导致卫星系统失效和失控，偏离轨道；在距离目标大约1km处，HPM功率密度达到几十kW/cm2，强烈电磁非线性效应可能瞬间烧伤飞行器某些单机，或引爆飞行器弹药战斗部，达到烧毁或引爆目标的目的。

3 HPM武器关键技术

HPM微波武器可分为进攻性和防御性两类，下面以防御性防空HPM武器系统和进攻性空间HPM武器系统为例，分析HPM武器系统需要解决的关键技术：

3.1 防空HPM武器关键技术

3.1.1 高功率微波产生器技术

作为HPM武器系统的核心，高功率微波产生器的作用是产生高功率微波。依据HPM产生的物理原理不同，HPM源可以分为：

（1）切伦柯夫辐射HPM源，如相对论返波振荡器，相对论行波管；

（2）渡越辐射HPM源，如相对论速调管振荡器及放大器；

（3）基于空间电荷效应的HPM源，如虚阴极振荡器等。

近些年来，各种高功率微波源取得了较好的实验成果，产生微波频率从P波段到W波段，微波峰值功率达到GW量级，脉宽从十几ns到上百ns，微波脉冲能量从几十焦耳到上千焦耳。在高重频方面，RBWO和相对论磁控管在GW量级功率水平上实现了100Hz重复频率运行。此外，双频以及多频高功率微波源的出现，打破了单频HPM源追求高功率、高效率和长脉冲的常规，其在电子对抗领域有重要应用前景，是HPM领域又一个新兴的研究发展方向，如图2所示。

目前这些高功率微波产生器的体积和重量较大，微波产生效率较低；同时需要进一步优化设计在高重频工作状态下的高质量冷却散热设备和能源供应系统。

3.1.2 超宽带、超短脉冲技术

超宽带和超短脉冲技术是高功率微波武器发展的一个趋势，它的特点是短脉冲宽度（ns-ps级）、宽频谱（一般从30MHz到3GHz）、快上升时间（ps级）以及高功率（大于100MW）。它需要解决超宽带脉冲充电电源技术、超宽带电磁脉冲形成技术、亚纳秒开关技术、超宽带天线技术等难题。

3.1.3 高增益、高功率容量天线技术

HPM微波武器的发射天线必须具有高增益、窄波束，提高电子对抗能力；并需要低天线旁瓣，避免对己方和友方设备和人员的影响。同时，HPM武器系统天线要具有高功率容量，避免场致击穿和微波能量烧毁天线。在工艺上，要求天线做到高精度加工，天线面板尽量不拼接，接缝处导电处理以保证阻抗匹配、连续，不发生打火、击穿效应。

3.2 空间HPM武器关键技术

3.2.1 高功率微波驱动源技术

脉冲功率驱动源是HPMW的基础部件，其作用就是在時间上将常规的能源压缩到更高的功率，以便能为高功率微波源提供极高峰值功率和低占空系数的强流相对论电子束。脉冲功率技术是研制空间HPMW系统的难点之一。空间HPMW系统对高功率驱动源的需求主要依据高功率发生器的类型和工作参数而定，同时要结合空间平台的特殊性。原则上，要求结构节凑，可输出GW级高功率电能量，输出电压、电流稳定，能量利用率高，可重频工作。

由于地基使用的脉冲驱动源技术发展成熟，种类较多，可以对地基驱动源进行充分比较研究，分析各种类型驱动源的优势、劣势，在此基础上设计满足空间HPMW系统需求的功率源。地基中比较常见的GW级驱动源有Marx发生器、感应电压加法器、高压脉冲调制器和Tesla型脉冲功率源等， 这几类装置在原理、输出脉冲特征等方面有所区别。

以Marx发生器为例进行分析：Marx 发生器线路的工作原理可概括为“电容并联充电、串联放电”，从而使电压倍加而获得更高的脉冲电压输出。Marx发生器在高功率微波以及Z-箍缩研究领域均有应用研究。近几年，一系列改进技术（如分散电容技术等）用于设计结构紧凑、可靠性高的Marx发生器。德克萨斯大学研制的Marx发生器长度约为1.5m，主直径30cm，可在10Hz重频频率下输出脉冲电压500kV，电流5kA， 脉宽200ns。中国工程物理研究院研制了可在26Ω的负载上实现145kV，前沿39ns、脉宽80ns高压脉冲输出的Marx发生器。

紧凑型Marx发生器在向着更高的输出功率和重复频率，高可靠性、紧凑化、小型化和模块化结构运行方式等几个方向发展。下一步，其将进一步陡化输出的脉冲前沿（ns量级）和输出更高重频脉冲（100Hz）。是未来空间HPMW设计、研究需要紧密关注的有力候选驱动源类型。

3.2.2 空间环境对HPM驱动源的影响

空间环境的特殊性是空间HPM驱动源研制面临的难题之一，包括太空环境的高真空、高能粒子辐射、微重力、真空热环境等问题。

高真空对HPM驱动源在对流散热和热控设计方面产生不利影响；空间高能粒子辐射主要来源于地球辐射带、银河宇宙线和太阳宇宙线，这些高能辐射可能引起空间电子器件的单粒子效应。

所谓单粒子效应是指空间高能粒子（质子或正离子）轰击微电子器件的敏感节点，导致微电子器件逻辑功能翻转或器件损坏的事件。上世纪70-80年代之间，美国40颗卫星所发生的1589次异常记录中，70%是由空间环境所引起，而单粒子翻转有621起，占总数的39%。我国发射的“实践4号卫星”也完全记录到了单粒子事件所造成的影响，两颗风云卫星的寿命提前终止都说明此种环境效应的严重性，必须加强防护。空间微重力环境意味着HPM驱动源散热只能通过传导或辐射，这意味着散热需要采用强制循环方式。

总体来说，空间环境对HPM驱动源的影响因具体技术方案不同而有所区别，需要在空间HPM驱动源的具体设计中具体分析各种因素的影响，并采取相应的防护措施。

3.2.3 空间HPMW电磁兼容设计

空间HPMW系统包含高功率能量驱动源、HPM产生器，其复杂的电磁辐射特性会对系统以及邻近系统的测控、通信和电子探测等系统产生严重影响。其中，高功率驱动源产生的强流电子束必然在HPM发生器与HPM驱动源间形成短脉冲电流回路。因此需要分析整个系统的电磁兼容特性，建立系统级电流电路回路，利用电磁仿真软件建立模型进行仿真分析，分析对其它敏感部件影响，采取相应防护措施。

图3为相对论磁控管和Tesla型脉冲驱动源及其相应电源模块的电路模型。需要注意，依据驱动源具体设计不同，其电路模型会产生很大变化。所以，在分析中需要细化分析HPMW系统不同模块电路模型，才能得到比较真实的仿真结果；必要时，可建立等效实验平台进行实验验证。

4 结语

高功率微波武器利用定向发射的高功率微波束，达到毁坏和干扰敌方信息和通信链路敏感器件，杀伤敌方作战人员的作战效果。它使电子战概念从传统的“软杀伤”，扩展到以电磁能量为基础的“硬杀伤”，是一种全新的电子对抗形式。

高功率微波武器系统由初级电源、驱动源、HPM发生器、指挥控制系统、跟瞄系统、传输与发射系统等组成。系统具有组成简单、可靠性高，使用费效比高的特点。在HPMW武器系统实用化过程中，需要解决结构紧凑、高功率高效率HPM产生器和驱动源技术，以及高增益、高功率容量天线技术等关键技术；需要结合平台特点，分析其全系统的电磁兼容特性，研究其复杂电磁辐射对系统的通信和电子探测等系统的影响。

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作者简介

唐永福（1983-），男，河北省邯郸市人。工学博士学位。现为中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师。主要研究方向为高功率微波、电磁场与电磁波及电子对抗。

作者单位

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088