0 引言
高功率微波(high power microwave,HPM)通过将产生的能量辐照至目标电子设备,以极高的电磁波能量产生杀伤、摧毁或者扰乱效果[1]。雷达作为防空反导作战中的“千里眼”,内部电子设备众多,是高功率微波武器攻击的首要目标[2]。随着高功率微波技术的发展,雷达面临的威胁日趋严重[3]。
近些年针对雷达在高功率微波攻击下的毁伤和生存能力研究较多,主要是从前门毁伤[4-5]、后门毁伤[6-7]、毁伤评估[8-9]和防护加固[10-11]进行描述,研究方法包括理论分析、仿真、试验等。前门耦合通路分析较方便,通过仿真和试验方法可以进行精确评估。但后门耦合特别是设备方舱内的耦合,由于耦合路径较多、耦合器件多样、作用电路各异等,难以进行精确评估,只能通过理论分析进行大概的描述,相应研究较少。
为研究高功率微波攻击对雷达方舱内电子设备的影响情况,本文依照某现有雷达建立雷达方舱和电缆模型,采用电磁仿真软件CST进行辐照仿真实验。实验结果表明,高功率微波信号在进入方舱时,方舱具有一定的滤波作用,类似带通滤波器;雷达方舱内由于存在较多机柜等设备,在高功率微波辐照下会产生大量的反射,造成方舱内电场分布不均匀,且差别较大,特别是在舱壁面相接处较大,各向异性降低,但尚未达到混响室程度;因辐照信号为超宽带信号,难以计算电缆耦合电压,可以通过统计计算电缆耦合电压的数量级,判断耦合信号能量。通过仿真结果分析了UWB信号辐照效应主要以扰乱为主,并概略计算了能够引起电路扰动的辐照信号场强值。为降低高功率微波攻击对雷达方舱内电子设备的影响,根据实验分析结果,提出了相应加固措施,可为雷达在高功率微波攻击下进行后门防护加固提供理论支撑。
1 方舱后门耦合情况分析
雷达方舱不是由理想导体制作,并不能将所有电磁信号屏蔽在外。在设计时对电磁信号的屏蔽效能虽然能够达到40 dB甚至60 dB,可大幅降低高功率微波辐射对其内部电子设备的影响。但在装备制造时,会在方舱侧壁多处打孔开缝,用于电源电缆、信号电缆、波导等连接,还要安装空调、通风孔等设备,致使方舱屏蔽效能降低。随着高功率微波技术的发展,发射能量和天线增益在逐步增大,即使有方舱的屏蔽仍会产生一定影响,令高功率微波对内部电子设备的威胁更趋严重。
泄漏到方舱内的电磁信号是由多种信号混合而成。如方舱壁的辐射透射和孔缝泄漏,以及方舱外联通电缆耦合信号在方舱内产生的辐射,由于本文模型中开孔较大,孔缝泄漏信号强度会远大于电缆传导辐射信号,在此考虑以孔缝泄漏为主。
信号进入方舱后并不会立即消失,而是经过方舱内各物体的多次反射后被慢慢吸收,即原始信号后有一个较长的尾部振荡,时长由方舱内壁和设备的吸波性能决定。
根据文献[12],雷达方舱正好符合复杂腔体被看作为有效混波室的物理条件:
1) 腔体尺寸远大于适用的波长;
2) 腔体的各种损耗较小,且电磁波在腔体壁面能产生有效的反射。
平面波入射时,除了经由孔缝的直接透射信号,孔缝也可等效为对称振子天线,具有全向辐射能力,则腔内信号为多种信号的叠加。由于方舱不是空的矩形腔,内部安装有机柜、座椅、屏幕等设备,会对电磁信号产生一定的漫反射,外界辐照的单一极化电磁信号进入方舱后,在方舱内反射和传播过程中会发生散射,使信号在传播过程中产生“疤痕”效应,在方舱内各点的电场为多个方向信号的叠加,使信号在统计学上逐渐具有各向同性或接近各向同性的特征。
由于特定频率的电磁波在腔体内会产生共振增强效应,其他频段的波产生衰减,使方舱相当于一个带通滤波器,对辐照信号具有一定的滤波效果。信号在方舱内传播时,谐振频率不会低于方舱的第一本征模频率。因此方舱内信号在低频侧会急速衰减。模型中最大舱室是操作方舱,矩形腔本征模fmnp计算方法为
(1)
式(1)中:c为光速;m、n、p为非负整数且最多只能有一个为0;a、b、d分别为方舱的边长,且a>b>d;则第一本征模为f011,对于4 m标准方舱,其值为62.5 MHz,即在方舱内低于62.5 MHz的信号能量会急速衰减。
混响室采用的是连续波进行辐射,源不断地向腔内辐射能量,电磁信号经过不断地反射、折射,各点场强可近似分解为沿各个方向入射的均匀平面波叠加,会出现较大的谐振信号。但当采用低重频的超宽谱脉冲信号进行辐照时,由于信号脉宽较窄,仅为纳秒量级,而方舱体积较大,信号在两壁间往返时间大于信号脉宽,不致形成大的谐振信号。
方舱内遍布各种电缆,方舱内电磁信号会通过场线耦合进入舱内电缆。当方舱内场强确定以后,就可以采用电报方程对方舱内电缆耦合信号进行求解。CST电缆工作室可以通过传输线矩阵法(TLM)求解器简化场线耦合计算量,得到电缆耦合的时域信号,计算量与网格数成等比例关系,可以提高计算速度与效率。
2 高功率微波信号辐照雷达方舱模型
2.1 方舱和电缆模型
为计算雷达方舱在高功率微波辐照下内部电场的分布情况和屏蔽效能,本文采用CST仿真软件建立雷达方舱模型如图1所示。
图1 雷达方舱模型
Fig.1 Model of the radar shelter
本研究中采用4 m标准方舱,方舱正中为坐标原点,右为x正方向,上为y正方向,z正方向垂直纸面向外。方舱基本数据如表1所示。
表1 方舱模型参数
Table 1 Shelter model parameter mm
参数数值参数数值方舱长4000电缆孔边长200方舱宽2250机柜宽度600方舱高2000机柜深度600发射隔间长1000机柜高度1800操作隔间长3000方舱壁厚2波导孔边长150
在内部设置隔间,左侧发射隔间用于放置发射系统,右侧操作隔间放置接收和信号处理系统。方舱z正方向侧壁开孔,右下角孔用于信号电缆出入,左上角孔用于波导的出入。在操作方舱内置机柜5台,用于放置录取、接收、信号处理等系统。方舱舱壁和机柜采用有耗金属(lossy metal)Steel-1010材质。
为研究方舱内电缆耦合高功率微波信号波形,在z=880 mm截面处建立多个电路节点,水平方向节点间距与机柜同宽为600 mm,垂直间距与机柜层高相同为200 mm,如图1所示。在方舱下方200 mm处建立PEC平面作为大地。采用单线作为传输线,模拟方舱内时钟信号传输线,在电缆两端连接50 Ω电阻作为匹配负载,同时设置电压和电流探针,观察电缆耦合输出电压。
2.2 辐照场景设定
考虑方舱在最恶劣环境下的响应,采用从z正方向入射,可以保证尽量多的能量进入方舱,辐照信号场强沿y轴方向,峰值场强为1 V/m。
为观察在不同频段下雷达方舱的屏蔽效能和内部电场的频谱特性,以及信号在方舱内的反射叠加效果,采用超宽谱信号进行辐照仿真实验。一阶导函数高斯脉冲信号具有正负极性,可以实现覆盖X波段以下频段。其时域信号和频域信号分别为
(2)
(3)
式(2)、式(3)中:E(t)为辐照信号实时场强;E0为信号场强峰值;t0为信号中心位置;τ为脉宽常数; f为信号频率分量,参数t0在时域上表示脉冲波形在时域上搬移至t0时刻,对信号能量没有影响,只是改变信号的相位。频谱峰值点位于fmax=1/π/τ,仿真时中心频率取在1 GHz附近,这样即可以使频谱较宽,又可以使脉宽具有一定的宽度,以保证信号具有足够的能量。为使辐照信号完整,将信号中心位置后移2 ns,即t0为2 ns。其信号时域和频域波形如图2所示。
图2 辐照信号时域和频域波形
Fig.2 Time domain and frequency domain waveforms of irradiated signal
为观察内部空间电场的时域特征,可以通过在方舱内均匀设置多个电场监测探针,统计不同时间窗口方舱内每个点的电场最大值,分析内部空间电场的最大值和标准差,可以得到该时间窗口内方舱的电场分布特性,综合即为方舱内的电场分布特性。
设方舱内某探针位置为(xi,yi,zi),在tj时刻此点的电场可表示为:
|E(xi,yi,zi)abs|=
(4)
该点在某时间窗Tw(时刻tm到tn)内电场的最大值为:
(5)
通过统计某点x、y、z方向场强区别可以观察其各向异性。通过对方舱内各点场强增加时间窗,观察各点场强期望的变化趋势。
3 雷达方舱后门耦合仿真分析
3.1 信号在方舱内传播过程分析
图3(a)为t=6 ns时,在电缆孔中间垂直截面侧视图的电场场强绝对值分布,其中黑色直线为舱壁、机柜截面。从图3可以看出,由于是超宽谱信号垂直舱壁直接照射,入射波被舱壁直接反射,并与入射波叠加,返回辐照方向。部分入射波由电缆孔进入舱内,且呈近似球面波。将电缆孔部分放大观察,如图3(b)所示,可以看出,在孔缝边缘处会产生强电磁场,甚至高于入射场场强,这是因为叠加了入射场和孔缝的辐射场。
图3 t=6 ns时场强分布
Fig.3 Field intensity distribution when t=6 ns
图4为t=20 ns时相同截面处场强绝对值分布,可以看出此时方舱在向外辐射能量。此时最大场强位置位于方舱与地平面之间。舱内信号仍以y方向为主,较x、z方向场强要大。
图4 t=20 ns时截面处不同极化电场分布
Fig.4 Different polarization electric field distribution at cross section when t=20 ns
图5为t=100 ns时截面处的电场分布,可以看出,舱内信号分布变得异常复杂,完全看不出连续的平面波和球面波的存在,也和谐振腔分布不同[13]。超宽谱信号入射后在100 ns 内由于信号散射导致各方向上信号趋同。由于只有2个开孔处向外泄漏信号能量,方舱舱壁吸收效果较弱,在 100 ns 时方舱内信号电场幅值仍旧很大。
图5 t=100 ns时截面处电场分布
Fig.5 Electric field distribution when t=100 ns
3.2 方舱内场强变化分析
以点(-300,-600,880)为例,观察方舱内信号的时域波形,如图6所示。
从场强绝对值波形可以看出,辐照信号初始进入方舱时会在方舱内形成较大的电场,但很快方舱内电场场强下降并趋于稳定。随着信号在方舱内反射次数的增加,慢慢被舱壁和方舱内物体吸收及泄漏,整体呈功率下降趋势,与第一节理论分析相符。对此点不同极化电场信号加时间窗寻找电场极值变化趋势,如图7所示。
图6 监测点信号时域波形
Fig.6 Time-domain waveform of the monitoring point
图7 探针处各极化电场极值
Fig.7 Extreme values of each polar electric field at the probe
图7中Eabsmax为电场绝对值的窗内极值,从图7可以看出,信号初始进入方舱时,电场场强以y方向为主,经过极短时间的传播后,方舱内信号各向异性降低,甚至是基本相同,与混响室内的效果相似[14]。对不同方向信号进行傅里叶变换观察其各向异性,如图8所示。
图8 方舱内某点频域各向异性
Fig.8 Frequency domain anisotropy at a point in the shelter
除因信号在低频侧由于腔体的本征模影响外,在130 MHz以上方舱内各向同性较好。按照50 ns的时间窗口,统计窗口内各极化电场值并进行正态分布的假设检验,P值设置为0.05,统计各时间段的检验结果如表2所示。
表2 不同时间窗内不同极化极值分布检验
Table 2 Distribution testof extremum in different time and different polarizations
时间窗ExEyEz时间窗ExEyEz1111111002000120013000130004000140005001150006000160117010171108001180009010191011000020000
表中0表示接受假设检验,1表示拒绝。可以看出在3个方向上电场值均基本呈正态分布,与文献[13]相符,可以通过统计特性对电场值进行分析。
由于辐照信号只有很短的脉冲宽度,需要对信号进行裁剪再进行傅里叶变换,以得到信号的频谱曲线。对采样点y方向最初相同时长耦合信号进行傅里叶变换,得到两者的频谱曲线,分析信号最初进入方舱时频率的变化。如图9所示。
图9 信号频谱和频谱差值
Fig.9 Signal spectrum and differences
从图9可以看出,方舱内外1 GHz和2.3 GHz附近信号频谱相差较小,最低约为13 dB;低频侧相差较大,0.3 GHz以下低频侧和3 GHz以上高频侧由于信号微弱不作参考。考虑是窗口具有一定的滤波效应,且此点不是窗口直接照射,所测得的信号为入射信号在舱内反复反射形成,信号在舱内谐振反射,造成部分谐振点频谱能量较强。由于此点为非直接照射点,具有一定代表性,可以看出,其在0.3～3 GHz频段内屏效大于13 dB。
针对以上情况,可以采取多次仿真或试验来获取方舱内的电场分布数据,通过分析内外电场的差值确定方舱的最差屏效值或敏感部位的屏效值,有针对性的研究方舱内的电场分布。
3.3 方舱内场强极值分布
观察0～100 ns时间内电缆孔中间垂直截面和水平截面电场场强绝对值极值分布,如图10、图11所示。
图10 垂直截面处场强极值分布
Fig.10 Extreme field strength at vertical cross section
图11 水平截面处场强极值分布
Fig.11 Extreme field strength at horizontal section
从图10和图11可以看出,在整个传播过程中,主要是电缆孔附近场强较强,其次,较大位置分布在由于孔的辐射效果造成的呈扩散状的波纹状位置,这些都是由初始时刻电磁波入射时造成,且类似光学路径。综合观察本模型,场强较大的点大多出现在孔缝直接照射处、开孔边缘处和机柜与方舱间隙等处。
3.4 方舱内电缆耦合信号仿真分析
任何空间中未屏蔽的电缆在电磁波的照射下都可以类比于天线,会耦合电磁信号,在电缆上产生感应电压和电流。电缆耦合空间电磁波的过程分为2部分:第1部分是电缆作为电磁波接收系统耦合形成沿线分布的感应电压和感应电流;第2部分是沿电缆分布的耦合电压电流通过电缆输出到电路终端。整个过程可以通过第一和第二电报方程来计算。由于电缆耦合信号电压与辐照信号场强呈正比,辐照信号峰值场强设置1 V/m,部分电缆的耦合波形如图12所示,可以看出,各电缆的耦合信号波形相似。其中L为电缆长度。
图12 方舱内电缆耦合信号
Fig.12 Cable coupling signal in the shelter
对耦合信号进行傅里叶变换并与辐照信号和方舱内信号进行对比,结果如图13所示。
图13 耦合信号频谱分布
Fig.13 Spectral distribution of coupled signals
从图13可以看出,不同电缆耦合信号的频谱在中心频率上略有差别,考虑本文中辐照信号为超宽带信号,不能就单一频率进行计算,且由于方舱内电磁信号的多次反射和叠加,造成在方舱内电场分布并不均匀,电缆耦合电压较难以预测。统计3种布设状态下不同长度电缆的耦合信号最大值和数学期望值如图14所示。
图14 电缆耦合电压极值和数学期望
Fig.14 Coupled voltage extrema and mathematical expectations of each cable
从图14可以看出,在垂直状态下电缆的耦合信号峰值分布较大,水平状态相下电缆耦合信号峰值分布较小,但可以确定耦合信号电压均在10-4 V量级。
3.5 高功率微波对雷达方舱内电路影响分析
假设电缆在电路中用来传输TTL电平的时钟信号输出到反相器。当电缆耦合信号电压过高时,会导致电路中电子电路被击穿,毁伤雷达系统。以文献[15]为例,其中74HC04需要注入连续波10 ms达到约56 dBm时即被损坏,根据公式(6),此时注入信号电压峰值为:
(6)
式(6)中:Vp为注入电压峰值;Zi为输入阻抗;PT为电路的毁伤能量阈值。则74HC04毁伤电压峰值约为200 V。以电缆耦合最大值的发射方舱垂直布置的1 400 mm长电缆为例,当辐照信号为1 V/m时,电缆耦合信号最大值为9.703 6×10-4 V。则当到达方舱的辐照信号达到206 110 V/m时,电缆耦合信号可达到200 V。但如此大的耦合电压很难持续10 ms,即难以在此条件下造成永久毁伤,通过仿真,在方舱内信号传播几微妙内信号即衰减为原来的一半。根据注入试验经验,若要采用超宽谱信号达到10 ms注入信号的毁伤效果,超宽谱注入信号脉冲功率需要提升3～6个数量级。
当辐照信号不能对器件产生永久毁伤时,可以对电路产生扰乱效果。对于TTL电平信号,电路受到干扰而发生扰乱,不仅需要干扰电压幅值超过电路阈值,而且还需要干扰信号持续一定时间以使电路产生动作(如误触发、翻转等)。它与器件的阈值电压、电路响应时间及干扰信号的输出阻抗有关。能量噪声容限定义为
(7)
式(7)中:VTH为电路的阈值电压;ENI为电路的噪声容限;ZO为电路的输出阻抗;tpd是电路的响应时间。以文献[15]为例,其中74HC04的响应时间为7 ns左右,ZO约为50 Ω,信号干扰强度的效应阈值为26 dBm,则干扰电压约为2.8 V,即当耦合电压达到2.8 V且能持续7 ns就可以对电路产生扰乱。仍旧以电缆耦合最大值的发射方舱垂直布置的 1 400 mm长电缆为例,因极值只有一个脉冲,不能直接采用。经计算,此电缆耦合信号峰值电压期望为2.25×10-4 V。即当到达方舱的辐照信号达到12 444 V/m时,可使设计的71HC04效应电路的噪声容限下降40%以上,x形成扰乱效果。当以文献[16]中高功率微波炸弹为辐照源,高功率微波炸弹在下列距离内即可产生以上效果,如表3所示。
表3 不同辐照功率下产生有效干扰距离
Table 3 The effective interference distance under different irradiation power
辐照功率/GW125810距离阈值/m78110175221247
4 雷达方舱加固措施建议
针对以上分析结果,可以通过以下方面对雷达方舱及舱内设备进行改进,以达到增强抗高功率微波攻击能力:
1) 加强雷达方舱的屏蔽。一是针对前期制造,加强原有方舱的屏蔽效果,如对制造时的孔缝进行封堵,缩短舱壁间隙等;二是对后期所开窗、孔进行屏蔽加固,增加滤波、遮挡等设备,阻止电磁信号进入,特别是在必须开孔位置可加装口盖,防止微波直射入内。这样可以尽量降低进入方舱的能量,以降低方舱内场强值。
2) 在方舱内壁增加吸波材料。从第3.5节可知,产生扰乱和毁伤需要信号持续一定的时间,通过增强方舱内的吸波性能,将进入方舱内的电磁信号尽快衰减吸收,使方舱内电场脉冲尽量短,降低对方舱内电子器件的影响。
3) 在设计时尽量避开方舱内信号最强区域和频率。从3.4节可知,孔缝附近容易出现较大场强,在布线时需要避开相应区域;同时,在方舱内电磁信号频谱也具有一定的规律,某些频段的谐振信号会特别加强,方舱内电缆需要避开这样的长度,防止产生谐振。
5 结论
仿照某雷达建立了雷达方舱和电缆模型,并采用电磁仿真软件CST进行了辐照仿真。分析了高功率微波信号进入方舱后的传播过程、方舱内场强变化过程、场强分布特性,以及电缆在不同布设条件下的耦合输出情况。针对以上问题提出了相应的雷达方舱抗高功率微波攻击改进措施,为雷达在高功率微波攻击下进行后门防护加固提供理论支撑。下一步需要进行精细建模,并与不同参数的辐照信号进行联合仿真,针对多种电路进行评估。
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