潘栓龙 季 帅
（西安导航技术研究所，陕西 西安 710068）
【摘 要】针对美国雷达武器化的发展现状，阐述了高功率微波武器(HPMW)的实现方法和作用机理；结合国内外现有技术成果，分析了雷达探测与毁伤一体化设计的可行性，并提出了雷达与高功率微波武器协同作战的基本思路，并重点讨论了一体化设计的难点及关键技术。
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关键词 高功率微波武器；超宽带雷达；一体化
作者简介：潘栓龙（1988—），男，陕西渭南人，硕士研究生，研究方向为射频技术。
季帅（1987—），男，江苏泰兴人，硕士研究生，研究方向为天线与射频技术。
0 引言
现代高科技战争中，信息已成为作战的核心和关键，战场军事通信系统一旦遭到破坏，将严重威胁整个作战体系的生存情况，故安全稳定的通信网络和电子系统已成为战场命脉，电磁战已成为现代战争的新型战场。欲在战争中取得主动权，必须取得制电磁权，一方面要避免己方受到电磁干扰；另一方面要积极干扰敌方电子设备。电磁攻击与抗干扰已成为现代战场重要手段[1]。
雷达是现代战场的信息探测中枢，高功率微波武器（HPMW）是一种用于目标电磁攻击的新概念武器，二者的共同点使一体化兼容性设计成为可能。完成雷达和HPMW一体化设计，可以为装备的更新换代提供参考，为国土防御体系提供新的思路。将雷达探测与毁伤实现一体化设计，雷达在实现目标探测的同时，利用高功率微波武器实现对敌方作战平台的电磁打击，从而使我部雷达系统在完成探测的同时取得电磁战场的控制权，进而在现代信息化战场取得主动权。实现雷达探测与毁伤实现一体化设计，可以充分利用雷达探测的工作效能和高功率微波武器的威力，在现代信息化战场立于不败之地[2-3]。
1 高功率微波武器的概念
HPMW与传统常规武器在工作原理、作战方式和杀伤破坏机理上显著不同，是一种可以大幅度提高作战效能的新概念定向能武器。HPMW利用定向发射大功率电磁波束以光速对攻击目标产生电效应、热效应等，从而完成干扰、杀伤或摧毁等任务；可用于攻击军事卫星，洲际导弹，巡航导弹，空中、地（海）面上的作战平台、雷达、通信系统、C4ISR系统等，尤其对指挥通信枢纽、作战联络网等重要的信息战节点威胁极大，对目标进行物理性破坏，使其丧失作战效能。HPM的特征在于[4]；
（1）发出的射频波束可照射整个目标，故对目标的瞄准和跟踪精度要求比常规武器低得多，击中概率高出一个数量级，可实现多目标同时攻击；
（2）微波射束以光速传送，攻击速度快，可实现全天候作战，适应不同大气条件；
（3）微波射束的杀伤机理是破坏其作战平台；针对各作战平台火力与指挥控制系统的电子设备，或导弹导引头的电子系统，使它们丧失控制和作战能力，或在空中引爆导引头以达到摧毁的目的；
（4）HPMW具有雷达武器化的潜能，在对目标实施探测、跟踪后增大发射功率，进而完成电磁干扰和定向摧毁，成为一种具备雷达探测功能并兼顾超级干扰机、定向能武器功能的多功能作战平台。
美国空军已开始对可实现电子攻击的有源相控雷达的研制，通过对现役有源相控阵雷达的T/R组件上加装微型传输接收器，可同时完成多任务，实现对敌方电子设备的电磁攻击。改装的AESA雷达可针对不同目标完成不同功能，目前F-22、F-35、EA-18G等战斗机都装备了该型远程主动AESA雷达，其缺点在于发射微波能量较强，难以隐身，易成为被攻击目标，预计美国正发展相应技术以改善这一缺陷。
在美国国防部HPM武器发展的总规划中，其工作年度计划里主要研究工作在于开发紧凑型宽带源、天线系统及相关应用，旨在于为机载电子攻击项目方案选择一种适用型G瓦级HPM源。在近两年公布的定向能技术计划中看，任务重点在于继续发展弹载目标识别应用系统，适用于机载电子攻击和反临时凑合爆炸装置的HPM/RF武器，内容包括[5-7]；
（1）开发紧凑型重复脉冲的G瓦级HPM源及相关脉冲功率部件、机载蒙皮共形相控阵天线技术，利用纳米技术控制HPM源的体积和重量；
（2）改进超宽带天线及高压开关；
（3）设计紧凑、高效磁通量压缩发生器，改进其相关绝缘特性及构件功能；
（4）演示重频G瓦级HPM源与天线的集成系统平台，控制该系统对机载平台的影响，改善波束控制组件以满足机载平台小型化的要求。
2 HPMW的实现方法和作用机理
目前HPMW主要分两类；一类是微波炸弹，另一类是电磁脉冲炮。
2.1 微波炸弹（E弹）
E弹的主要作用机理是在常规火药炸弹的前级加装电磁发射设备形成微波炸弹。作战时，将E弹由火炮或导弹投射至指定区域，利用爆炸产生的化学能转化成高能电磁波辐射出去，对指定地区实现干扰和电子摧毁。其工作机理如图1所示，利用电源将电磁能量注入同轴电容内，以产生高压；再将这一高压瞬间与流量产生器内的螺旋状导线导通，并在导通电流最大的瞬间，起爆在螺旋状导线内的炸药，以压缩磁通量的方式提升螺旋状导线上的电流；接着将此电流导入虚阴极管，以谐振方式产生高频电磁波；最后由微波天线对指定方向进行发射。
高能微波武器有两级磁通量压缩发射器。第一级产生爆炸的启动电流，当爆炸启动后，爆炸将使电枢管膨胀变形，使之与线圈形成短路，将会压缩电磁场并减少线圈的电感，使线圈中的电流直线上升，直到发射器崩溃为止，电流上升时间为数纳秒。峰值电流几百兆安，于是产生巨大的电流脉冲，激励虚阴极管产生电磁脉冲。
2.2 电磁脉冲炮
电磁脉冲炮的主要作用机理是通过高功率微波器件产生兆瓦乃至G瓦级的输出功率，通过高增益定向天线发射出去。电磁脉冲炮一般由能源系统、高功率重频强流电子加速器、高功率微波源和定向天线构成，其基本结构如图1所示。
2.2.1 能源系统
高功率微波炮的能源系统一般由初级能源、高功率恒流充电装置、重频脉冲高功率开关和重频控制系统组成，其关键技术是重频脉冲高功率开关。
现阶段重频脉冲高功率开关一般采用气体火花开关，但当其在有限空间内以某频率工作时，特别是在大电流、高电压、大电荷转换等情况下，前脉冲放电过程产生的等离子产生的高温、高电离状态将影响下次脉冲放电前电路的充电过程。克服该这问题最有效的措施就是使气体流动，清除带电粒子。
2.2.2 高功率重频强流电子加速器
高功率重频强流电子加速器的作用是将能量进行压缩，形成脉宽约100ns左右，数百千伏、数十千安的强流电子束流，该部分体积将直接决定微波脉冲炮的体积。一种典型的高功率重频强流电子加速器如图2所示。
2.2.3 高功率微波源
高功率微波源的功率值是电磁脉冲炮的关键性能指标。目前，适合于高阻抗高功率重频微波源主要基于O型器件；返波管和相对论速调管。目前，X波段返波管单次工作最高功率为1.7G瓦；相对论速调管功率达1.5G瓦，频率500MHz-5GHz。
2.2.4 天线
对于电磁脉冲炮而言，天线一般采用尖锐波束天线，天线形式主要采用阵列天线或喇叭天线等。
2.2.5 应用方式
电磁脉冲炮可安装在无人机、预警机等机载平台中，飞行过程中进行电磁杀伤或干扰；也可放置在低轨道卫星站（约500~916m高）中，对地可干扰敌方电子设备，空间中可干扰轨道卫星，进而彻底摧毁敌方的网络通讯。
3 UWBR和HPMW一体化设计
3.1 无源探测雷达与E弹协同作战
利用巡航导弹将E弹发射至敌部防区（空间、领空、领海），利用爆炸产生窄带微波脉冲，烧毁敌方雷达接收机或防空系统中的灵敏部件，完成电磁战攻击；上述窄带微波脉冲信号经敌方作战平台反射，经我方同频段无源被动探测雷达接收，通过对直达波和目标回波相干处理，得到敌方作战平台目标特性（包括方位、距离、俯仰等），由我方常规武器系统对敌方作战平台进行精确摧毁性打击。该种作战方式主要关键技术包括[8]；
3.1.1 频率特性可控的高功率微波弹头设计
E弹是将常规炸药的爆炸能由微波器件转换为高功率微波辐射能的新型炸弹，所产生的电磁脉冲现象与雷电类似，该脉冲的电场强度急剧上升至峰值后急剧下降，故具有宽频谱范围和高幅值，其频率范围包含了l0kHz至l00GHz的超宽带频率成分，幅值比普通无线电波强百万倍。
但该方式产生的电磁频谱范围太广，具有相当大的随机性，不利于雷达利用其目标散射回波进行探测，故需开展对E弹爆炸时所产生的微波频谱特性进行深入研究，找到利于雷达探测的频率分量，并对E弹的谐振腔体进行设计，进而控制其爆炸时所产生微波的频谱特性，针对不同作战场景，应对不同作战任务，可采用不同频谱特性的E弹，一方面可以高效完成作战任务，另一方面可以利用不同频段的无源雷达实现目标特性探测。
3.1.2 探测信号同步技术
为了发挥无源探测系统优的越探测性能，需完成系统与照射源信号特征的同步匹配，本系统的信号同步情况变得十分复杂，在系统设计时，只能得到发射波形的部分参数，并由此估计其他未知参数。实际应用中，由E弹起爆装置控制实现时间同步，利用空域滤波和频率搜索获得发射信号信息，根据其频率信息完成频率同步，最后通过天线波束形成完成空域同步。
3.1.3 直达波信号的提取技术
该探测系统中设置有参考通道，其接收天线指向E弹起爆位置（炸点由系统控制）。参考通道的直达波信号主要完成以下两个方面功能：（1）直达波信号作为自适应对消算法的参考信号，用于侦察通道中目标回波信号的对消去杂波过程；（2）直达波信号为空时二维相关检测提供参考信号。
参考通道所获取直达波中必然会混入传输过程中的多径杂波，故需有效抑制多径干扰。目前采用的方法主要有空间投影法和盲均衡法。其中，空间投影法主要通过将接收信号投影到与多径杂波相正交的子空间上，以达到抑制多径的目的，该方法计算量较大，不易实现；盲均衡算法主要依据照射源波形所具有的恒模特性实现直达波提取，该方法简单易实现，但性能有待进一步提高。
3.2 跟踪雷达与电磁脉冲炮共平台一体化设计
将电磁脉冲炮与雷达共平台设计构成一体化系统，在对目标实施探测、跟踪后增大发射功率，进而完成电磁干扰和定向摧毁，对目标实施硬杀伤或对目标的电子设备实施破坏，使作战人员丧失战斗能力。一体化平台示意图如图5所示。实现一体化设计的主要关键技术包括[9]；
3.2.1 脉冲功率微波源技术
脉冲功率源是电磁脉冲炮的主要功能部件，主要利用常规化学能或电能产生高功率脉冲为后端微波系统供能。目前最常用的加速器有Marx发生器、Tesla变压器、磁流体发电机、磁通压缩发生器等，需根据不同设计需要进行选择和参数调整。
脉冲功率源的作用机理是利用高功率电脉冲产生高能电子束流，在特殊设计的结构内与电磁场相互作用，产生高功率微波脉冲。目前主要发展的高功率微波源有：回旋管振荡器、自由电子激光器、相对论磁控管振荡器、虚阴极振荡器、返波振荡器、速调管振荡器、固体功率源等。
此外，新近出现的等离子体脉冲功率源有PASTRON高功率脉冲功率源、耦合腔链(CCC)-TWT和直流射频转换源(DARC)。随着对等离子体性能深入理解，此类新兴脉冲功率源必将在未来扮演更加重要的角色。
3.2.2 高功率脉冲开关技术
脉冲功率源产生的脉冲的各项参数一般不适合高功率微波源的正常运作，通常不能直接用于激励高功率微波源，需通过脉冲开关来调整脉冲峰值、上升前沿和脉宽，完成激励作用，并实现整链路的阻抗匹配，提高能量转换效率。
3.2.3 高增益超低副瓣天线技术
用于高功率电磁脉冲炮的天线既要实现高增益，提高作战杀伤性，又需要尽量抑制副瓣，避免对己方人员和设备造成不良影响；同时，由于脉冲功率的高峰值，天线还必须具有较强的耐压特性，避免发生电击穿。此外，天线结构不能过大，需控制其重量以保证其灵活性。
3.2.4 高精度跟踪瞄准技术
电磁脉冲炮属于高定向性电磁武器，其作战效能取决于系统的瞄准精度，瞄准精度主要由以下两方面决定；高精角跟踪雷达技术和精密控制伺服转台技术。雷达跟踪扫描与电磁脉冲炮共用发射天线，利用高增益超低副瓣天线可提升高精角跟踪雷达的探测精度。
3.2.5 跟踪雷达与电磁脉冲炮协同技术
由于电磁脉冲炮超大功率的特性，若不加以保护处理，会对本部电子设备造成不可估量的严重后果。为实现对敌方的电磁摧毁任务而不对本部电子设备造成危害，需采用智能中央处理器，对电磁攻击任务进行评估，对本部相关电子设备进行必要的断电保护。除此之外，智能中央处理器还担负着切换跟踪雷达与电磁脉冲炮一体化平台工作状态的任务。跟踪雷达与电磁脉冲炮一体化设计平台实施低功率探测，在对目标实施探测、高精度跟踪后增大发射功率，进而完成电磁干扰和定向摧毁，成为一种具备雷达探测功能并兼顾超级干扰机、定向能武器功能的多功能作战平台。
4 结束语
作为极具潜力的新型武器，将对未来战争产生重大影响，HPMW具有无限的发展前景。对于雷达而言，HPMW既是生存挑战，又是发展机遇。通过分析HPMW的作用机理，进而提出了雷达探测与毁伤一体化设计的可行性,构想出雷达与HPMW协同作战的平台系统，可为“雷达武器”由概念提出到实施方案提供思路和参考。目前，雷达探测与毁伤一体化设计还面临着许多技术难题，故亟须开展对相关关键技术的研究。
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［责任编辑：刘展］