摘要
针对无人机载合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）在战场复杂电磁环境下易受到高功率微波（high-power microwave，HPM）武器攻击的问题，对无人机载SAR进行高功率微波前门耦合场路联合仿真。在CST(computer simulation technology)电磁仿真软件中建立了无人机载SAR天线模型，以脉冲调制的正弦波信号模拟HPM信号对天线进行辐照并采集天线端口耦合电压波形。将CST软件中得到的天线端口耦合电压信号注入SAR射频前端电路模型，完整模拟了高功率微波信号从场到路的耦合过程。仿真结果表明，SAR射频前端电路中的低噪声放大器是HPM致损的主要对象，限幅器的尖峰泄露功率会对后级电路的低噪声放大器产生威胁。通过仿真得到了无人机载SAR高功率微波前门耦合效应评估图。
Abstract
In terms of the problem that SAR(synthetic aperture radar) in UAV(unmanned aerial vehicle) is easy to be attacked by HPM(high-power microwave) weapons in the complex electromagnetic environment of the battlefield, the field-circuit joint simulation of high-power microwave front-gate coupling of UAV′s SAR was carried out. Model of the SAR′s antenna was established in the CST(computer simulation technology) software. Model of antenna was irradiated with a pulse-modulated sinusoidal signal to simulate the HPM signal, and the antenna port coupling voltage waveform was collected. Antenna port coupling voltage signal obtained in the CST software was injected into the RF(radio frequency) front-end circuit model of SAR, which fully simulated the coupling process of high-power microwave signal from field to circuit. Simulation results show that the low noise amplifier in the RF front-end circuit of SAR is the main target of HPM signal damage, and the spike leakage power of the limiter will threaten the low-noise amplifier of the post-stage circuit. Through simulation, the evaluation diagram of the coupling effect of high-power microwave front door of UAV on-board SAR is obtained.
无人机载合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）整合了无人飞行平台和合成孔径成像的优势，使无人机装备具备了全天时全天候主动探测的能力，成为目标识别、战场侦察的重要手段[1-3]。
然而，作为一种宽带雷达系统，SAR在工作频段内易受到高功率微波（high-power microwave，HPM）武器[4]、干扰机和其他雷达信号等多种电磁干扰信号的影响，虽然SAR能够通过二维匹配滤波获得较高的能量积累，但强电磁干扰能量仍然制约SAR高分辨率成像效果[5-6]。
目前，国内外SAR抗干扰技术都是基于SAR处于正常工作状态的前提，着眼信号处理层面运用抗干扰算法来应对不同的SAR干扰手段[7-12]，没有考虑到HPM能量对SAR系统硬件造成的降级、损伤和烧毁效应，在现有抗干扰技术的前提下，一旦SAR面临HPM武器攻击，极其容易丧失信息获取能力，无法完成既定侦察观测任务，影响战场态势。
基于此，本文使用场路联合仿真的方法对无人机载SAR的HPM耦合规律进行研究，分析了HPM效应机理，可为无人机载SAR的HPM防护加固提供相关依据及思路。
1 SAR成像原理及前门耦合理论
1.1 SAR成像原理
SAR是一种二维高分辨率雷达，通过发射大时宽带宽积信号并使用匹配滤波技术获得距离向的高分辨率，方位向则是通过小孔径天线在若干位置平移且发射信号，接收相应位置的雷达回波信号并储存起来，采用信号处理的方法产生一个等效的大孔径阵列天线获得高分辨率[13]。
1.2 SAR前门耦合理论分析
前门耦合是指HPM能量通过SAR天线等途径进入SAR接收机射频（radio frequency，RF）前端，其干扰能量与HPM干扰源、传播路径以及SAR天线等相关，当前门耦合能量达到某个量级时，SAR接收机射频前端电路会出现饱和、阻塞甚至毁伤的情况[14-15]。因此，需要结合无人机载SAR工作场景示意图以及高功率微波传输特性进行干扰场景建模。
无人机载SAR成像场景示意图如图1所示，无人机沿x轴正方向匀速飞行，采用正侧视条带成像模式，阴影部分为成像场景。
图1无人机载SAR成像场景示意图
Fig.1UAV SAR imaging scene diagram
其中，A为HPM干扰源位置，B为SAR天线相位中心位置，Rt为成像场景中心点到SAR天线相位中心的距离，Rj为干扰源到SAR天线相位中心的距离，θ为干扰源相对天线相位中心的干扰进入角。
设成像场景内分辨单元的平均散射截面积为σ，则根据雷达方程可计算雷达回波功率[16]，即：
(1)
式中：Pt为雷达平均发射功率；Gt为雷达发射天线增益；λ为雷达工作波长。
SAR前门耦合HPM功率的计算需要从两个方面考虑：一是计算HPM大气传输衰减模型，二是定量计算SAR天线耦合能量。HPM在大气中传输主要考虑大气击穿与衰减两种损耗[17]。文献[17]中指出，25 km以下空气中自由电子数量相当稀少，且存在时间亦较短，在此条件下，HPM导致大气击穿产生的非线性衰减可忽略不计，无人机一般飞行高度处于25 km以下，因此可忽略HPM的大气击穿效应。HPM在大气传输中的衰减主要考虑大气沉降物（雨、云、雾）对电磁波的散射和吸收效应[18]，无人机载SAR一般工作在X或Ku波段，参考文献[18]可知，X或Ku波段电磁波大气衰减率在10-2 dB/km量级，令HPM信号在大气传输中的衰减因子为：
(2)
SAR接收到的HPM功率为：
(3)
式中：Pj为HPM源发射功率；Gj为HPM源天线增益；Gt（θ）为SAR在HPM干扰进入方向的天线增益。
在此基础上，利用CST（computer simulation technology）软件开展无人机载SAR天线高功率微波辐照过程建模，可以得到天线接收的干扰信号功率，并进一步开展联合仿真。
2 SAR的HPM前门耦合联合仿真方法
2.1 仿真方法设计
为了真实模拟HPM电磁脉冲对无人机载SAR的前门耦合效应，采用场-路联合仿真方法，即先辐照、后注入的方案[19]。先利用CST软件建立天线模型，在软件中自定义激励源，以平面波的激励形式辐照天线，得到天线模型馈电端口的耦合电压。
在先进设计系统（advanced design system，ADS）软件中建立SAR接收机射频前端电路模型进行注入实验仿真。总体联合仿真方案设计如图2所示，将CST软件中天线馈电端口的耦合电压导出并按TIM格式处理后导入ADS软件，作为SAR射频前端电路的输入信号，完成HPM信号场-路变换，在SAR接收机射频前端电路中设置节点以便观测节点信号响应特性。
图2联合仿真方案示意图
Fig.2Schematic diagram of joint simulation
2.2 HPM信号模拟与SAR天线仿真
在CST软件中通过相应的VBA宏语言命令自定义激励信号，模拟的HPM信号函数[20]表达式为：
(4)
式中，E0为峰值电场强度，f0为中心频率，τ为脉冲平顶宽度，tr为上升时间，T为脉冲宽度。由式（3）可知，SAR接收到的HPM功率与HPM干扰源发射功率之间存在距离平方反比关系，而CST软件无法模拟HPM脉冲传播距离产生的损耗，仿真时HPM脉冲信号直接以平面波的形式辐照天线模型，因此需要考虑HPM干扰源发射功率以及干扰源与天线之间距离的影响。在不考虑大气击穿以及大气衰减的情况下，可用下式表示SAR天线处HPM脉冲的场强[20]：
(5)
假设Pj取1 GW，Gj取20 dB，Rj取1 km，则根据式（5）可以计算出E0≈2 450 V/m，中心频率设为f0，tr取1 ns，τ取15 ns，则HPM脉冲信号时域图和功率谱图如图3所示，由图3可知，HPM脉冲信号能量主要集中在f0处。
波导缝隙阵列天线具有主瓣宽度窄、低副瓣、可共形以及质量轻的优点，广泛应用于对体积、质量和集成度要求较高的机载雷达系统[21-22]。波导缝隙阵列天线是指以波导结构为主体，在波导宽边或窄边壁上以一定的规律开凿多个缝隙形成阵列，通过切断波导壁中的传导电流，从而向外辐射电磁波的天线形式。在CST软件中建立了如图4所示的无人机载SAR波导缝隙阵列天线模型，天线背面采用单根宽边倾斜开缝波导作为耦合波导，辐射面采用五根波导宽边纵缝形成阵列，辐射面整体尺寸为64.5 mm×63.5 mm×3.5 mm。
图3HPM脉冲信号时域图与功率谱图
Fig.3Time-domain and power spectrum of HPM pulse signal
图4波导缝隙阵列天线模型
Fig.4Simulation model of waveguide slot array antenna
在CST软件中，使用时域求解器对天线进行求解，得到天线远场方向图和反射系数S11分别如图5和图6所示。天线是HPM脉冲信号前门耦合的主要通道，由于无人机载SAR工作频率较高，且对天线增益要求较高，因此在设计天线时主要考虑天线的增益指标。
图5天线远场方向图
Fig.5Far-field diagram of antenna
由图5和图6可知，天线最大增益可达到约20 dBi，工作带宽超过400 MHz，并且天线副瓣较低，满足无人机载SAR天线设计需求，可以用于HPM前门耦合效应分析。
图6天线S11参数图
Fig.6S11 parameter diagram of the antenna
2.3 SAR射频前端建模与仿真
在ADS中建立无人机载SAR接收机射频前端电路模型，接收机采用超外差结构，射频前端电路包括PIN（positive-intrinsic-negative diode）限幅器、低噪声放大器、滤波器、混频器和中频电路，其截图如图7所示。
图7射频前端电路模型截图
Fig.7Screenshot of RF front-end circuit simulation model
PIN限幅器作为接收机射频前端通道重要的保护器，其工作原理是通过PIN二极管的电导调制特性来防止大信号或强电磁脉冲对接收通道内敏感器件造成毁伤。在大信号注入的情况下，PIN二极管内I层载流子分布符合双极扩散方程，通过拉普拉斯变换得到I层的电荷储存关系，根据帕德逼近理论可以得到I层的等效电路网络，在此基础上建立的PIN限幅器时域等效电路模型可用于PIN限幅器高功率微波效应仿真研究[23-27]。
射频前端模型中的PIN限幅器由两个反向的PIN二极管构成，可以省略RF扼流电感，从而简化仿真计算[28]。在ADS软件中采用谐波平衡仿真计算限幅器输入输出特性，结果如图8所示。由图8中的特性曲线可知，限幅器起限电平值约为8 dBm，输入功率小于8 dBm时，限幅器无限幅作用，插损很小；输入功率大于8 dBm时，由于限幅器限幅作用，插损变大，输出功率随输入功率缓慢增加；输入功率大于30 dBm时，限幅器限幅能力趋于饱和，此后输出功率随输入功率增加斜率增大。
图8PIN限幅器输入输出特性曲线
Fig.8Input and output characteristics of PIN limiter
限幅器后级器件为滤波器和低噪声放大器，低噪声放大器作为射频前端最敏感的器件之一，耦合进入接收机射频前端电路的HPM信号会导致其增益、噪声系数等性能下降，甚至烧毁内部半导体器件[28]。
选取日本电气股份有限公司生产的高电子迁移率场效应管（high electron mobility transistor，HEMT）NE3210S01作为低噪声放大器的放大晶体管，并在ADS软件中搭建了低噪声放大器电路并进行仿真计算，得到输入输出特性曲线和增益变化曲线，如图9和图10所示。
由图9和图10可以看出，当低噪声放大器的输入功率小于-5 dBm时，器件工作在线性放大区，增益保持在11.6 dB左右；随着输入功率进一步增大，低噪声放大器进入非线性工作区，增益逐渐下降；若输入功率再次增大且超过临界阈值时，低噪声放大器位于饱和区，此时输出端功率基本保持不变；当输入功率达到23 dBm时，输出功率随着输入功率增大而继续增大，此时可以认为低噪声放大器已经被HPM脉冲烧毁。
图9低噪声放大器输入输出特性曲线
Fig.9Input and output characteristics of low noise amplifier
图10低噪声放大器增益变化曲线
Fig.10Gain variation graph of low noise amplifier
3 联合仿真结果分析
无人机载SAR接收机是一个包含多个模块的系统，其射频前端电路的HPM效应主要体现在限幅器与第一级低噪声放大器的非线性效应和毁伤效应。国内外对于接收机HPM效应的研究也多集中于射频前端电路中器件的HPM效应，包括限幅器的平顶泄露和尖峰泄露特性以及低噪声放大器的非线性压制效应等[29-31]。针对器件HPM效应的计算机仿真研究，主要分为两种：一种是从器件真实工作原理出发，建立器件的物理级模型，可以还原器件物理上的工作过程，精度较高，但是物理模型结构复杂，仿真计算数据量巨大，无法应用在系统级仿真中；另一种是从器件的半导体物理方程出发，得到器件的等效参数，从而建立器件的时域等效电路，可以还原器件在HPM作用时的工作状态，与ADS软件兼容性较好，可以应用于系统仿真。
高功率微波对接收机的前门耦合效应研究较为复杂，学科交叉性、系统性和层次性都极强，需要结合接收机本身的系统结构以及内部器件特性综合考量[32]。考虑到HPM对无人机载SAR前门耦合效应的复杂性和层次性，采用场路联合仿真的方式，将天线端口的感应电压注入SAR接收机射频前端电路中，观察电路节点中的信号波形，计算信号功率大小，以器件厂商数据手册中给出的1 dB压缩点以及击穿阈值为考核指标，考量HPM脉冲对无人机载SAR接收机前门耦合效应，并给出基于HPM信号场强的效应评估图。
3.1 天线辐照仿真结果分析
在CST软件中将天线激励端口设置为离散端口，以HPM信号为激励源，通过平面波的形式辐照天线，获得天线在水平极化HPM辐照下的感应电压波形如图11所示。
图11天线在水平极化HPM辐照下的感应电压波形
Fig.11Induced voltage waveform of antenna irradiated by horizontal polarized HPM
天线的耦合响应特性与带通滤波器相似，因此可以看出天线端口的耦合电压信号幅值开始上升的时间以及到达峰值幅值的时间均有所延后，耦合电压信号上升沿时间与激励信号基本一致，但是信号上升趋势变缓。
对于接收天线而言，天线与电磁波的极化关系关系到电磁干扰源的发射天线与接收天线之间的极化匹配问题，为了研究天线与辐照HPM信号之间的极化关系对天线耦合电压值的影响，在CST软件中改变平面波的极化方向，分别以水平极化方向和垂直极化方向辐射天线，监测天线端口感应电压值，如图11和图12所示。
图12天线在垂直极化HPM辐照下的感应电压波形
Fig.12Induced voltage waveform of antenna irradiated by vertically polarized HPM
由图11和图12可以看出，在辐照波场强一致的情况下极化匹配情况对天线感应电压的影响较大，天线感应电压峰值在极化匹配与极化失配的条件下相差约28 dB，并且极化失配会导致耦合电压波形与HPM辐照波形差别较大，尤其是在脉冲上升沿和下降沿附近产生失真以及波形震荡。
为了研究HPM不同攻击方向天线耦合的响应电压值，在CST软件中分别仿真HPM信号从不同角度θ辐照天线，天线端口的耦合电压值随角度θ变化如图13所示，θ为1.2节建模场景中HPM源相对天线相位中心的干扰进入角。
图13不同角度下的天线耦合电压值
Fig.13Antenna coupling voltage values at different angles
由图13可以看出，HPM信号在±20 rad辐照天线时，天线耦合的电压值较大，其中垂直入射时天线耦合电压值最大。
对于频率不同的电磁波，接收天线的阻抗特性也会随着频率变化，因此天线端口的感应电压也会随着辐照波的频率变化。改变CST软件中平面波激励源的频率，观察天线端口响应电压值，得到响应电压值随平面波频率变化曲线如图14所示。
图14不同频率下的天线耦合电压值
Fig.14Antenna coupling voltage values at different frequency
相比其他用频设备，SAR天线频带较宽，可达几百MHz甚至1 GHz，由图14可知，当HPM载波信号频率落在天线工作频带内时，会在天线端口产生较大的感应电压，对接收机射频前端器件产生较大威胁。
3.2 注入仿真结果分析
将CST软件中的天线端口感应电压导出并处理后注入ADS软件中的射频前端电路中，进行瞬态仿真，观察电路各个节点的电压波形。
限幅器输出电压波形及输出功率分别如图15和图16所示，由图15和图11对比可计算出限幅后电路输出电压幅值衰减了约10.6 dB，由图16可知，PIN限幅器存在明显的尖峰泄露现象，尖峰泄露功率达到29.74 dBm，平坦泄露功率约为26.55 dBm。
图15PIN限幅器输出电压波形
Fig.15Output voltage waveform of PIN limiter
图16PIN限幅器输出功率
Fig.16Output power of PIN limiter
通过调整Rj改变CST软件中的平面波峰值场强，通过注入仿真得到限幅器在不同输入功率情况下的功率泄露，如图17所示。
图17不同输入功率下的PIN功率泄露
Fig.17PIN power leakage under different input power
由图17可知，当注入天线感应电压信号功率小于13 dBm或大于53 dBm时，尖峰泄露现象并不明显，当注入信号功率在13~53 dBm时，限幅器的尖峰泄露现象较为明显，尖峰泄露功率与平坦泄露功率最大差值出现在输入功率为30 dBm时，达到10 dBm。
带通滤波器输出电压波形如图18所示，可以看出限幅器尖峰泄露脉冲幅值在通过滤波器后有所衰减，但是由于信号频率处于滤波器通带内，所以衰减并不明显。同时，限幅器平顶泄露脉冲信号经过滤波器后产生了不规律震荡，震荡波峰值相比平坦泄露幅值并未明显衰减，会对滤波器后的低噪声放大器产生威胁。
改变HPM信号场强，并通过注入式仿真得到滤波器在不同输入功率下的输入输出特性，如图19所示，可以看出滤波器在输入功率小于24 dBm时对于限幅器尖峰泄露抑制效果并不明显，在输入功率为24~53 dBm时能够一定程度抑制限幅器尖峰泄露现象。
图18带通滤波器输出电压波形
Fig.18Output voltage waveform of bandpass filter
图19不同输入功率下的限幅器和滤波器输出功率
Fig.19Output power of limiter and filter under different input power
3.3 无人机载SAR射频前端电路HPM效应评估
SAR接收机射频前端电路中通常采用限幅器后连接一级或多级低噪声放大器的结构，确保在放大微弱雷达回波信号的同时降低接收机噪声系数。根据2.3节中低噪声放大器模拟仿真的结果可知，当低噪声放大器输入功率超过10.9 dBm时，增益变为负数，此时可以认为低噪声放大器已经受到损伤，继续增大输入功率至23 dBm时，增益达到-10 dB，并且输出功率随着输入功率增大而增大，此时可以认为低噪声放大器已经被击穿烧毁。
PIN限幅器的烧毁功率阈值无法通过仿真得到，通过调研多款雷达限幅器器件手册，可设定限幅器击穿烧毁阈值为50 dBm，在此基础上，结合雷达射频前端各个器件的功率输入输出曲线，可以倒推出限幅器和低噪声放大器损伤或烧毁时对应的HPM信号场强幅值，画出无人机载SAR高功率微波前门耦合效应评估图如图20所示。
图20SAR高功率微波前门耦合效应评估
Fig.20Evaluation diagram of coupling effect of high-power microwave front-gate in SAR
评估图中不同颜色的区域代表射频前端器件不同工作状态。红色区域表示当HPM场强在0~0.24 kV/m时，HPM信号对射频前端电路无明显影响，器件都能正常工作；蓝色区域表示当HPM场强在0.24~0.97 kV/m时，限幅器尖峰泄露的功率会导致低噪声放大器受到损伤；橙色区域表示当HPM场强在0.97~3.87 kV/m时，限幅器平坦泄露的功率会导致低噪声放大器受到损伤；黄色区域表示当HPM场强在3.87~10 kV/m时，限幅器尖峰泄露的功率会导致低噪声放大器击穿烧毁，这种击穿效应主要是因为尖峰泄露峰值电压超过低噪声放大器栅极电压最大耐受值；绿色区域表示当HPM场强在10~15 kV/m时，限幅器平坦泄露的功率会导致低噪声放大器击穿烧毁；紫色区域表示当HPM场强大于15 kV/m时，限幅器的输入功率已经超过限幅器所能承受的最大功率容量，限幅器中的PIN二极管被击穿，无法实现限幅功能。无人机载SAR高功率微波前门耦合效应评估图可以为无人机载SAR在战场复杂电磁环境下的安全性评估提供参考和保障，尤其适用于无人机载SAR面临HPM武器威胁的干扰对抗场景。
4 结论
本文使用场路联合仿真的方法研究了无人机载SAR高功率微波前门耦合效应，根据联合仿真的结果给出了无人机载SAR高功率微波前门耦合效应评估图，可得到如下结论：
1）前门耦合是HPM电磁脉冲对SAR接收机产生影响的主要途径。根据无人机载SAR成像场景参数以及HPM干扰源的功率等参数可以计算出SAR接收到的HPM信号场强，不同量级的场强会导致SAR射频前端器件产生损伤或烧毁效应，HPM信号峰值场强超过0.24 kV/m时，低噪声放大器便有可能受到损伤，信号场强超过15 kV/m时，限幅器会烧毁失效。
2）PIN限幅器是接收机射频前端通道中起保护作用的第一级器件，在HPM信号作用下，PIN限幅器会出现尖峰泄露现象，尖峰泄露功率过大会导致接收机射频通道中后级低噪声放大器损伤甚至烧毁。当HPM信号超过15 kV/m时，输入功率超过了限幅器的功率容限，PIN限幅器中的PIN二极管会击穿，导致限幅器烧毁失效。
3）低噪声放大器是接收机射频前端中对电磁干扰能量最敏感的器件之一，低噪声放大器前端的滤波器能在一定程度上抑制限幅器的尖峰泄露现象，但是当限幅器尖峰泄露功率和平坦泄露功率增大，滤波器输出的信号功率仍然能够使低噪声放大器中的场效应管损伤或击穿烧毁。
4）对SAR开展HPM效应防护应着眼以下几个方面：一是设计天线时采用新型电磁防护材料，如能量选择表面等，降低天线HPM能量耦合效率；二是在射频前端电路中采用多级PIN限幅器，抵抗HPM对后级电路器件的毁伤；三是采用电磁屏蔽材料增加SAR外壳屏蔽性能，降低HPM后门耦合的概率。
