定向能武器: 高功率微波【回映分享】

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在电子技术进步促进了电子战和智能武器系统占主导地位的时代，军事规划人员和战略家一直在寻求获得更好的能力，以抵御炮火，为飞机提供自我保护，对巡航导弹提供可靠的船舶防御，摧毁或破坏指挥和控制资产，压制敌人的防空系统，空间控制和安全等。
HPM 武器系统具有光速投射、全天候摧毁敌方电子系统的能力、覆盖多个目标的区域、最小附带损害、简化的跟踪和波束定位以及一个深弹匣满足当今军事指挥官的大多数要求。

图1: 高功率微波武器系统的部件

高功率微波武器产生强烈的微波能量，足以使电路过载，产生足够大的电流，暂时扰乱电子系统或永久损坏集成电路，导致这些故障在几分钟、几天甚至几周后发生。在某些情况下，微波的冲击波甚至会使电路熔化。暴露在高功率微波武器爆炸中的人类不会受到伤害，甚至可能不知道自己被击中了。

要达到拥有上述所有特性的可部署高功率微波武器的水平，需要解决一些技术挑战。其中包括开发紧凑型高峰值功率或平均功率 HPM 源、紧凑型高增益超宽带天线、紧凑而有效的脉冲功率驱动器、 HPM 效应和杀伤力预测模型，以建立一个关于这种辐射对广泛的陆地、海洋、空中和天基军事资产的影响的综合数据库，以及系统集成，以满足各种军事平台的要求，如固定翼和旋转翼飞机、陆地车辆、飞机吊舱、海军战斗员、无人驾驶航空器等。

高功率微波武器主要包括驱动微波源的脉冲功率源、高功率微波源和将微波引向目标并充当微波源和大气之间的接口的发射天线。

除此之外，HPM 武器还包括跟踪、瞄准和控制系统。由武器产生的微波功率、波束特性和目标的脆弱性共同决定了高功率微波武器系统的有效作战范围。

这种武器的设计目的是通过在微波频段发射电磁能量来破坏、降低或摧毁目标的电子设备。微波频率范围从300mhz 到300ghz。正在研制的高功率微波武器的频率范围为500兆赫至3千兆赫。大约100千兆赫的频率被用来制造非致命性武器，因为这种频率对人类有重大影响。这主要是由于耦合效应和一般电子系统的脆弱性。

高功率微波武器大致分为窄带高功率微波和超宽带高功率微波。虽然窄带高功率微波武器辐射所有能量的频率仅为中心频率的百分之几，而中心频率在几十至几百兆赫之间，但超宽带高功率微波辐射的微波能量在几百兆赫至几千兆赫之间。
理想的情况是，HPM 武器系统可用于取代精确制导弹药，使位于人口密集地区的高价值目标或设施失去能力或被摧毁，从而最大限度地减少人员伤亡的风险。
正在考虑的其他应用是压制敌人的防空。大多数防空系统都极易受到HPM系统的影响。地对空导弹包含高度敏感的制导系统，火控通常由雷达控制。高级管理措施可以更有效地针对化学和生物武器生产设施等对环境有危险的目标，而不必担心向大气中释放致命毒素。

HPM 武器的类型
如前所述，高功率微波武器一般分为窄带高功率微波和超宽带高功率微波。窄带高功率微波武器在窄频带内产生高功率微波输出，其带宽仅相当于中心频率的几个百分点。与超宽带高功率微波武器相比，这些武器能够产生相对较高的输出功率水平。
窄带高功率微波系统只对特定目标有效，这些目标将吸收系统发出的频率。因此，在窄带高功率微波的情况下，了解目标材料的吸收作为频率和方向角的函数是一个优势。频率吸收数据可以通过使用可调谐低能微波源扫描目标并评估反射信号是否丢失频率而产生。缺失的频率在这种情况下是那些被目标材料大量吸收。
窄带高功率微波武器具有传输特性好、杀友问题少的优点。局限性包括它们易受目标加固等对策的影响，以及事先了解选择最佳微波频率所需的威胁。
另一方面，超宽带高功率微波武器辐射的频率范围很宽，但在特定频率下传输的微波能量相对较少。虽然窄波段高功率微波武器只能打击明确界定的目标或目标类别，但超宽波段武器的目的是打击范围广泛的目标。
超宽带高功率微波武器不需要任何关于目标吸收特性的事先信息，并提供广泛的能力范围。由于相对较低的辐射微波功率和较差的传输特性比窄带高功率微波武器，这些有较短的作战范围。
高功率微波武器系统的组成部分
如前所述，高功率微波武器系统主要包括脉冲功率源、微波能源和发射天线(图1)。所述脉冲功率源还包括电源和脉冲发生器。
脉冲发电机。驱动高功率微波源的脉冲功率发生器通常需要输出1mv 或更长的短而强的电脉冲，脉冲持续时间可达1μs。产生所需脉冲的一种方法是使用电容器组，将缓慢上升的低电压信号转换成快速上升的高电压 sigPulse 发电机。驱动高功率微波源的脉冲功率发生器通常需要输出1mv 或更长的短而强的电脉冲，脉冲持续时间可达1μs。产生所需脉冲的一种方法是使用电容器组将缓慢上升的低电压信号转换成快速上升的高电压信号。

图3: Marx 发生器 MG30-3C-100NF

一种常见的电容器组配置是 Marx 组(图2) ，其中组中的电容器在充电过程中并联，在放电过程中切换为串联。

串联电压乘以马克思电容器组中的电容器数。电阻充电很慢，因此限制了重复频率。电感器也可以用来代替电阻器。对于几赫兹或更高的重复频率，电感器充电是首选。如果 Marx 组有 n 个电容器，每个电容器从直流电源充电到电压 v，放电期间传递到负载的电压理论上等于 n × v。

火花间隙用作开关，火花间隙的击穿电压高于每个电容器上的电压 v。最初，所有电容器是并联的，并且被充电到 v 电压，火花间隙处于开放状态。为了启动放电，第一火花间隙被外部触发到连接前两个串联电容器的击穿状态，从而将第二火花间隙的电压提高到2v。

第二间隙也进入击穿状态，这一过程一直持续到跨负载施加振幅等于 n × v 的电压脉冲。

应用物理电子学 LC 公司的 APELC MG20-22C-2000PF 就是这样一种用于驱动高功率微波源的 Marx 发生器。这种18欧姆源阻抗的大功率级 Marx 发生器是专门为驱动低阻抗负载而设计的。在50kv 电压下，它将500kv，1.1 kJ 的脉冲输送到一个峰值功率超过12gw 的匹配负载。该发电机采用低阻抗并联开关拓扑，非常适合于各种 HPM 应用。

同一家公司的另一台 Marx 发电机是 MG30-3C-100nF (图3) ，它能够存储最多1.8千焦，并能向匹配的负载输送300kv。这台 Marx 发生器具有33欧姆的低阻抗和轴向紧凑，以驱动远程平台上的 HPM 天线。最大峰值功率和重复频率分别为5gw 和10hz。

另一种方法是使用磁通压缩发生器(图4)。在这种发生器中，磁性线圈受到爆炸力或磁力的压缩，从而产生快速上升的电流脉冲。在爆炸驱动的磁通压缩发生器中，***的化学能部分地转化为强磁场的能量，周围相应地产生较大的电流。

爆炸驱动的磁通压缩发电机只有在设备运行中被破坏时才能一次性使用。

这种磁通压缩发生器是电子***的重要组成部分。它由一个叫做电枢的金属圆筒组成，被一个叫做定子绕组的线圈包围。电枢气缸充满了高爆炸性和一个坚固的外套包围整个设备。定子绕组与电枢筒之间用空间隔开。用于驱动定子绕组的 Marx 银行式电源也是***的一部分。

通过定子绕组的电流产生强大的磁场。爆炸物一旦被触发，就会以波的形式通过电枢圆筒的中间，迫使它与定子绕组接触，从而造成短路。移动的短路压缩磁场，从而产生强烈的电磁脉冲。

另一个常见的选择是用脉冲形成网络取代流量压缩发生器

为了确保脉冲功率源在电压和阻抗方面提供一个良好匹配的信号，可能要谨慎行事。驱动信号和 HPM 源之间的阻抗不匹配导致了对 HPM 源的能量传输不良，如果源的阻抗低于驱动器的阻抗，则更是如此。

因此，脉冲功率源的选择在很大程度上取决于所使用的 HPM 源的类型。用于雷达等的传统微波源和高功率微波源在不同的电压和阻抗水平下工作。传统微波源通常工作在相对低电压和高阻抗的水平上，而高功率微波源工作在相对高电压和低阻抗的水平上。

高功率微波源。高功率微波源广泛地分为脉冲源和线性束源。在脉冲源的情况下，脉冲微波能量是通过直接给天线、传输线或调谐电路充电产生的，并通过关闭开关使这些电路循环一个或几个周期。

图4: 磁通压缩发生器

在线性束源的情况下，微波能是通过将电子束的动能转化为微波束的电磁能而产生的。虽然各种超宽带源都是脉冲源的例子，但线性束源的例子包括速调管、行波管、后向波振荡器、磁控管、交叉场放大器、分裂腔振荡器、虚阴极振荡器、回旋管、自由电子激光器和轨道管微波脉泽。

触角。天线作为发射机输出和辐射电磁波必须通过的介质之间的接口。在高功率微波武器系统的情况下，它也是高功率微波源输出和周围大气之间的接口。天线在 HPM 系统设计中起着至关重要的作用。高功率微波天线需要考虑的一些重要因素包括方向性、超宽带、馈天耦合效率和紧凑性。

图5: HPM 武器的致命足迹

方向性起着重要的作用。由于高功率微波设备靠近天线，如果辐射能量没有得到有效的辐射，设备可能会受到损坏。高功率微波信号，由于其脉冲持续时间非常短，本质上具有非常宽的带宽。因此，天线必须满足处理这种超宽带宽的严格要求。

另一个重要的要求是馈电和辐射元件之间的适当匹配，以免由此产生的驻波引起电压击穿。HPM 天线往往是大规模的，以避免在运行电场水平电压击穿。为了满足日益增长的小平台高功率微波武器系统的需求，天线尺寸可以发挥重要作用。

天线形状也是一个问题，因为它在很大程度上影响空气击穿现象是否是一个问题在高功率水平。喇叭天线和天线阵列是目前应用最广泛的高功率微波源。不同类型的喇叭天线，包括圆锥形，圆形，矩形，波纹和半椭圆形，以及 TEM 喇叭天线，根据预期的应用，使用特定的设计。

HPM 武器化的能力和局限性

如果HPM系统要走出研究和应用实验室的限制，成为防御和进攻作用的实用武器的有力竞争者，就必须解决若干技术和操作问题。这些问题包括武器系统的紧凑性和适应一系列军事平台的效率问题、与天线孔径获得所需作战范围和峰值与平均功率有关的问题。目标捕获、跟踪和波束指向技术以及致命性评估是其他重要因素。

基于高功率微波的定向能武器的主要优势包括光速发射、全天候能力、大面积有效性、可扩展效果、深弹夹和最小附带伤害。

高速弹道导弹是轻武器，与常规动能武器有限的飞行时间相比，它基本上没有飞行时间。一枚以6马赫速度飞行的超音速导弹需要大约50秒的飞行时间才能击中300公里外的目标。另一方面，HPM 武器可以在毫秒左右命中同一目标。这一特点特别适合于攻击快速移动的目标。

与高能激光武器不同，高功率微波武器不会受到天气和大气条件的不利影响。实际上，这些都是全天候武器。

高功率微波武器是区域性武器，不像高能激光武器是点式武器。覆盖范围取决于武器的功率输出，距离目标的距离和波束发散度。这些影响所有易受伤害的设备，在其致命的足迹(图5)。

由于附带伤害最小，HPM 武器非常适合在城市环境中瞄准目标。如果友好或民用电力系统也在足迹中，可能会发生一些附带损害。HPM 武器有一个很深的弹夹。不像传统的动能武器是单发武器，高功率微波武器只要有动力源就可以运行任意次数。这也意味着降低物流成本和每次拍摄的成本。

高功率微波武器的效果是可扩展的。根据沉积在目标上的能量的大小，这种效应可能是非致命的或致命的。美国的主动拒绝系统是一种非致命的 HPM 系统，用于区域拒绝、外围安全和人群控制。它的工作原理是加热目标的表面。在杀伤人员的作用下，它是人体目标的皮肤。此外，高功率微波武器有可能在不了解系统射频输出的情况下干扰目标系统。

在高功率微波攻击的情况下，目标系统恢复极其困难，因为它可能需要组件或子系统级故障排除。高功率微波武器通过瞄准支持这些掩体的通信、电力和空气通风系统等脆弱的电子系统，对深埋的掩体非常有效。

HPM 武器的主要限制包括相对较短的作战范围、评估损害的困难以及对友方、无保护系统的损害可能性。

HPM 武器是地面武器，因此对其致命范围内所有未受保护的电子系统都有不利影响。这些可能包括民用和友好系统，这可以保护使用适当的屏蔽。在 HPM 攻击之前进行适当的计划可以防止对友方资产的意外损害。

在 HPM 武器攻击的情况下，目标伤害评估是非常困难的，因为没有任何物理破坏的迹象。仅仅因为一个系统已经停止运行或发射并不意味着它已经受到 HPM 攻击的影响。目标系统没有或存在排放物并不能可靠地确定攻击的效力。然而，先进的技术可以用来测量二阶和三阶效应，以证实结果和加强攻击评估。

与高能激光武器相比，高功率微波武器的射程相对较短。对于高功率微波武器系统，射程与功率输出和天线尺寸成正比。然而，在足够高的微波功率水平下，天线口径处的大气成为等离子体，这种现象称为大气击穿。

等离子体密度随着 HPM 脉冲持续时间的增加而增加，最终达到等离子体反射和吸收 RF 能量的点。这不仅使光束失效，而且给传输平台造成屏蔽问题。

一旦大气破坏发生，只有通过增加天线孔径才能扩大作战范围，这对便携式或机载设计来说可能是不可能的。对于不要求便携性和尺寸不是限制因素的应用，可以通过使用锁相技术和结合多个发射机来增加目标的有效孔径尺寸和功率。

另一种方法可能是采用将天线集成到系统表面的设计，这样可以使光圈和传输平台一样大。其中一种应用情况是点防御，即目标朝向武器系统而不是武器朝向目标飞行。Ranets-E 和 Vigilant Eagle HPM 系统就是这类系统的例子。
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