[技術(shù)前沿]射頻電路抗高功率微波關(guān)鍵技術(shù)研究
隨著社會經(jīng)濟的快速開展和科學技術(shù)水平的不斷提升，射頻電路抗高功率微波成為現(xiàn)代高科技對抗領(lǐng)域中的重要技術(shù)手段。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 科技小編整理本文以高功率微波前門注入損傷為例，結(jié)合接收機前門通道抗毀傷等方面相似的問題，并以此為基準就無源電路高功率應用，結(jié)合實踐中的情況，提出參考意見。
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嚴密的精密電子設(shè)備。因此，對高功率微波技術(shù)應用的研究，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彈和雷達系統(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
截至現(xiàn)在，高功率微波技術(shù)大致經(jīng)歷了三個階段。20世紀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)取得重大進展，超寬譜高功率微波技術(shù)逐漸從實驗室走入軍事應用領(lǐng)域。21世紀后，高功率微波技術(shù)往設(shè)備小型化和能效提高的方向開展，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時，需要先進行理論建模分析，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最小系統(tǒng)進行評估和研究。
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行控制，操作者能夠?qū)Σ竭M功率電平、實驗啟動和關(guān)閉進行便捷的操控，同時還能夠?qū)y量門限進行科學的設(shè)置，既可以把當前點的值當做實驗觸發(fā)條件，還可以將第一次測量當做觸發(fā)參考，這樣不僅能夠保證功率閾值的真實性與準確性，還能夠顯著降低操作者的工作量。在進行實驗時，需要實行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。
圖 1 高功率微波前門注入試驗平臺示意圖
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)備進行連接，并在此基礎(chǔ)上將相應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)特性等指標參數(shù)進行收集，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脈沖功率將相應信號持續(xù)注入低噪聲放大器中，同時實驗人員要注意順利獲得相應的軟件對兩級漏極電性進行嚴密的監(jiān)測，并詳細記錄低噪聲放大器的實際輸出功率值。
（4）在實驗過程中，對于達到預設(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)進行整理。
在實驗的過程中需要注意以下幾個方面：其一，在進行低噪放上電時需要按照先進行柵極后進行源極的方式，在進行掉電時，則需要按照先進行源極后進行柵極的方式。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，這樣能夠比較準確、及時的捕捉噪聲退化的預知。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）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，進入載荷系統(tǒng)主要有兩種方法：一種是順利獲得前門通道進入；另一種是順利獲得后門通道進入。如果雷達接收機接收到的高功率微波是從前門接收天線傳入的，那么雷達接收機中的相關(guān)電子元器件就很容易受到較強電磁脈沖的影響。針對這種情況，在順利獲得前門通道向通信設(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鄳耐ㄐ沛溌酚行У臉?gòu)建起來，可以順利獲得前門PIN二極管限幅器防護設(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)合微帶雙工器進行綜合運用。需要注意的是，所設(shè)計的雙工器應具備以下特點：即具有較強的限幅功能、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在有效荷載前提下的影響程度進行測試，將限幅器安裝在接收機中，同時測試在多種信號不同注入的情況下，接收機抗毀傷策略是否能夠發(fā)揮相應的作用。本實驗順利獲得限幅器把小信號傳遞至噪聲放大器，對噪聲的群時延抖動、增益等情況進行觀測，并和實施抗摧毀策略之前的情況進行對比分析。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)生保護作用。利用陸續(xù)在波和脈沖信號對抗高功率微波造成的損壞程度進行實驗，持續(xù)注入15min，測試完成后，進行增益和噪聲系統(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情況進行全面、真實、準確的展示。
圖 2 專用實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖
之后進行相應的仿真和測試，結(jié)果證明雙通道限幅接收模塊能夠?qū)PM的壓制進行有效的抵抗，能夠充分保障通信鏈路的構(gòu)建。在進行實際操作時，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)備指標是否受到影響以及受影響程度進行充分的分析，還需要實驗接收機前門通道抗損傷能力，從而使所采取的保護措施的可靠性得到充分的保證。
考慮以上各種因素，所設(shè)計的功率放大器應具備以下特點：一是理論功分比需達到正無窮；二是能夠?qū)Σ坏确止β蔬M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用相適應。順利獲得電磁仿真對功率分配器進行相應的操作之后，還需要加工測試相應的實物，最終的測試結(jié)果符合之前的仿真結(jié)果。
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模擬，這導致高功率傳輸技術(shù)的應用以及高功率設(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行準確的功率分比。與此同時，對于高阻抗線的功率容量也不需要進行考慮，并且對于改進之后的系統(tǒng)還能夠在很大程度上保證其在更高的功率中進行有效的應用。
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。
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，其中與軍事項目應用之間的聯(lián)系尤為緊密，再加上電磁、電熱等學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)值模擬進行全面、充分的描述。在本文的研究中，主要順利獲得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)論的科學性和嚴謹性，希望能夠為以后相關(guān)方面的研究工作給予一些參考。
關(guān)注微博
關(guān)注微信
關(guān)注公眾號
關(guān)注抖音號