在電子技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了電子戰(zhàn)和智能武器系統(tǒng)占主導(dǎo)地位的時(shí)代，軍事規(guī)劃人員和戰(zhàn)略家一直在尋求獲得更好的能力，以抵御炮火，為飛機(jī)提供自我保護(hù)，對(duì)巡航導(dǎo)彈提供可靠的船舶防御，摧毀或破壞指揮和控制資產(chǎn)，壓制敵人的防空系統(tǒng)，空間控制和安全等。

HPM 武器系統(tǒng)具有光速投射、全天候摧毀敵方電子系統(tǒng)的能力、覆蓋多個(gè)目標(biāo)的區(qū)域、最小附帶損害、簡(jiǎn)化的跟蹤和波束定位以及一個(gè)深彈匣滿足當(dāng)今軍事指揮官的大多數(shù)要求。

圖1: 高功率微波武器系統(tǒng)的部件

高功率微波武器產(chǎn)生強(qiáng)烈的微波能量，足以使電路過載，產(chǎn)生足夠大的電流，暫時(shí)擾亂電子系統(tǒng)或永久損壞集成電路，導(dǎo)致這些故障在幾分鐘、幾天甚至幾周后發(fā)生。在某些情況下，微波的沖擊波甚至?xí)闺娐啡刍?。暴露在高功率微波武器爆炸中的人類不?huì)受到傷害，甚至可能不知道自己被擊中了。

要達(dá)到擁有上述所有特性的可部署高功率微波武器的水平，需要解決一些技術(shù)挑戰(zhàn)。其中包括開發(fā)緊湊型高峰值功率或平均功率 HPM 源、緊湊型高增益超寬帶天線、緊湊而有效的脈沖功率驅(qū)動(dòng)器、 HPM 效應(yīng)和殺傷力預(yù)測(cè)模型，以建立一個(gè)關(guān)于這種輻射對(duì)廣泛的陸地、海洋、空中和天基軍事資產(chǎn)的影響的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，以及系統(tǒng)集成，以滿足各種軍事平臺(tái)的要求，如固定翼和旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)、陸地車輛、飛機(jī)吊艙、海軍戰(zhàn)斗員、無人駕駛航空器等。

高功率微波武器主要包括驅(qū)動(dòng)微波源的脈沖功率源、高功率微波源和將微波引向目標(biāo)并充當(dāng)微波源和大氣之間的接口的發(fā)射天線。

除此之外，HPM 武器還包括跟蹤、瞄準(zhǔn)和控制系統(tǒng)。由武器產(chǎn)生的微波功率、波束特性和目標(biāo)的脆弱性共同決定了高功率微波武器系統(tǒng)的有效作戰(zhàn)范圍。

這種武器的設(shè)計(jì)目的是通過在微波頻段發(fā)射電磁能量來破壞、降低或摧毀目標(biāo)的電子設(shè)備。微波頻率范圍從300mhz 到300ghz。正在研制的高功率微波武器的頻率范圍為500兆赫至3千兆赫。大約100千兆赫的頻率被用來制造非致命性武器，因?yàn)檫@種頻率對(duì)人類有重大影響。這主要是由于耦合效應(yīng)和一般電子系統(tǒng)的脆弱性。

高功率微波武器大致分為窄帶高功率微波和超寬帶高功率微波。雖然窄帶高功率微波武器輻射所有能量的頻率僅為中心頻率的百分之幾，而中心頻率在幾十至幾百兆赫之間，但超寬帶高功率微波輻射的微波能量在幾百兆赫至幾千兆赫之間。

理想的情況是，HPM 武器系統(tǒng)可用于取代精確制導(dǎo)彈藥，使位于人口密集地區(qū)的高價(jià)值目標(biāo)或設(shè)施失去能力或被摧毀，從而最大限度地減少人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。

正在考慮的其他應(yīng)用是壓制敵人的防空。大多數(shù)防空系統(tǒng)都極易受到HPM系統(tǒng)的影響。地對(duì)空導(dǎo)彈包含高度敏感的制導(dǎo)系統(tǒng)，火控通常由雷達(dá)控制。高級(jí)管理措施可以更有效地針對(duì)化學(xué)和生物武器生產(chǎn)設(shè)施等對(duì)環(huán)境有危險(xiǎn)的目標(biāo)，而不必?fù)?dān)心向大氣中釋放致命毒素。

HPM 武器的類型

如前所述，高功率微波武器一般分為窄帶高功率微波和超寬帶高功率微波。窄帶高功率微波武器在窄頻帶內(nèi)產(chǎn)生高功率微波輸出，其帶寬僅相當(dāng)于中心頻率的幾個(gè)百分點(diǎn)。與超寬帶高功率微波武器相比，這些武器能夠產(chǎn)生相對(duì)較高的輸出功率水平。

窄帶高功率微波系統(tǒng)只對(duì)特定目標(biāo)有效，這些目標(biāo)將吸收系統(tǒng)發(fā)出的頻率。因此，在窄帶高功率微波的情況下，了解目標(biāo)材料的吸收作為頻率和方向角的函數(shù)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。頻率吸收數(shù)據(jù)可以通過使用可調(diào)諧低能微波源掃描目標(biāo)并評(píng)估反射信號(hào)是否丟失頻率而產(chǎn)生。缺失的頻率在這種情況下是那些被目標(biāo)材料大量吸收。

窄帶高功率微波武器具有傳輸特性好、殺友問題少的優(yōu)點(diǎn)。局限性包括它們易受目標(biāo)加固等對(duì)策的影響，以及事先了解選擇最佳微波頻率所需的威脅。

另一方面，超寬帶高功率微波武器輻射的頻率范圍很寬，但在特定頻率下傳輸?shù)奈⒉芰肯鄬?duì)較少。雖然窄波段高功率微波武器只能打擊明確界定的目標(biāo)或目標(biāo)類別，但超寬波段武器的目的是打擊范圍廣泛的目標(biāo)。

超寬帶高功率微波武器不需要任何關(guān)于目標(biāo)吸收特性的事先信息，并提供廣泛的能力范圍。由于相對(duì)較低的輻射微波功率和較差的傳輸特性比窄帶高功率微波武器，這些有較短的作戰(zhàn)范圍。

高功率微波武器系統(tǒng)的組成部分

如前所述，高功率微波武器系統(tǒng)主要包括脈沖功率源、微波能源和發(fā)射天線(圖1)。所述脈沖功率源還包括電源和脈沖發(fā)生器。

脈沖發(fā)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)高功率微波源的脈沖功率發(fā)生器通常需要輸出1mv 或更長(zhǎng)的短而強(qiáng)的電脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間可達(dá)1μs。產(chǎn)生所需脈沖的一種方法是使用電容器組，將緩慢上升的低電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成快速上升的高電壓 sigPulse 發(fā)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)高功率微波源的脈沖功率發(fā)生器通常需要輸出1mv 或更長(zhǎng)的短而強(qiáng)的電脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間可達(dá)1μs。產(chǎn)生所需脈沖的一種方法是使用電容器組將緩慢上升的低電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成快速上升的高電壓信號(hào)。

圖3: Marx 發(fā)生器 MG30-3C-100NF

一種常見的電容器組配置是 Marx 組(圖2) ，其中組中的電容器在充電過程中并聯(lián)，在放電過程中切換為串聯(lián)。

串聯(lián)電壓乘以馬克思電容器組中的電容器數(shù)。電阻充電很慢，因此限制了重復(fù)頻率。電感器也可以用來代替電阻器。對(duì)于幾赫茲或更高的重復(fù)頻率，電感器充電是首選。如果 Marx 組有 n 個(gè)電容器，每個(gè)電容器從直流電源充電到電壓 v，放電期間傳遞到負(fù)載的電壓理論上等于 n × v。

火花間隙用作開關(guān)，火花間隙的擊穿電壓高于每個(gè)電容器上的電壓 v。最初，所有電容器是并聯(lián)的，并且被充電到 v 電壓，火花間隙處于開放狀態(tài)。為了啟動(dòng)放電，第一火花間隙被外部觸發(fā)到連接前兩個(gè)串聯(lián)電容器的擊穿狀態(tài)，從而將第二火花間隙的電壓提高到2v。

第二間隙也進(jìn)入擊穿狀態(tài)，這一過程一直持續(xù)到跨負(fù)載施加振幅等于 n × v 的電壓脈沖。

應(yīng)用物理電子學(xué) LC 公司的 APELC MG20-22C-2000PF 就是這樣一種用于驅(qū)動(dòng)高功率微波源的 Marx 發(fā)生器。這種18歐姆源阻抗的大功率級(jí) Marx 發(fā)生器是專門為驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載而設(shè)計(jì)的。在50kv 電壓下，它將500kv，1.1 kJ 的脈沖輸送到一個(gè)峰值功率超過12gw 的匹配負(fù)載。該發(fā)電機(jī)采用低阻抗并聯(lián)開關(guān)拓?fù)?，非常適合于各種 HPM 應(yīng)用。

同一家公司的另一臺(tái) Marx 發(fā)電機(jī)是 MG30-3C-100nF (圖3) ，它能夠存儲(chǔ)最多1.8千焦，并能向匹配的負(fù)載輸送300kv。這臺(tái) Marx 發(fā)生器具有33歐姆的低阻抗和軸向緊湊，以驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程平臺(tái)上的 HPM 天線。最大峰值功率和重復(fù)頻率分別為5gw 和10hz。

另一種方法是使用磁通壓縮發(fā)生器(圖4)。在這種發(fā)生器中，磁性線圈受到爆炸力或磁力的壓縮，從而產(chǎn)生快速上升的電流脈沖。在爆炸驅(qū)動(dòng)的磁通壓縮發(fā)生器中，炸藥的化學(xué)能部分地轉(zhuǎn)化為強(qiáng)磁場(chǎng)的能量，周圍相應(yīng)地產(chǎn)生較大的電流。

爆炸驅(qū)動(dòng)的磁通壓縮發(fā)電機(jī)只有在設(shè)備運(yùn)行中被破壞時(shí)才能一次性使用。

這種磁通壓縮發(fā)生器是電子炸彈的重要組成部分。它由一個(gè)叫做電樞的金屬圓筒組成，被一個(gè)叫做定子繞組的線圈包圍。電樞氣缸充滿了高爆炸性和一個(gè)堅(jiān)固的外套包圍整個(gè)設(shè)備。定子繞組與電樞筒之間用空間隔開。用于驅(qū)動(dòng)定子繞組的 Marx 銀行式電源也是炸彈的一部分。

通過定子繞組的電流產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)。爆炸物一旦被觸發(fā)，就會(huì)以波的形式通過電樞圓筒的中間，迫使它與定子繞組接觸，從而造成短路。移動(dòng)的短路壓縮磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁脈沖。

另一個(gè)常見的選擇是用脈沖形成網(wǎng)絡(luò)取代流量壓縮發(fā)生器

為了確保脈沖功率源在電壓和阻抗方面提供一個(gè)良好匹配的信號(hào)，可能要謹(jǐn)慎行事。驅(qū)動(dòng)信號(hào)和 HPM 源之間的阻抗不匹配導(dǎo)致了對(duì) HPM 源的能量傳輸不良，如果源的阻抗低于驅(qū)動(dòng)器的阻抗，則更是如此。

因此，脈沖功率源的選擇在很大程度上取決于所使用的 HPM 源的類型。用于雷達(dá)等的傳統(tǒng)微波源和高功率微波源在不同的電壓和阻抗水平下工作。傳統(tǒng)微波源通常工作在相對(duì)低電壓和高阻抗的水平上，而高功率微波源工作在相對(duì)高電壓和低阻抗的水平上。

高功率微波源。高功率微波源廣泛地分為脈沖源和線性束源。在脈沖源的情況下，脈沖微波能量是通過直接給天線、傳輸線或調(diào)諧電路充電產(chǎn)生的，并通過關(guān)閉開關(guān)使這些電路循環(huán)一個(gè)或幾個(gè)周期。

圖4: 磁通壓縮發(fā)生器

在線性束源的情況下，微波能是通過將電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為微波束的電磁能而產(chǎn)生的。雖然各種超寬帶源都是脈沖源的例子，但線性束源的例子包括速調(diào)管、行波管、后向波振蕩器、磁控管、交叉場(chǎng)放大器、分裂腔振蕩器、虛陰極振蕩器、回旋管、自由電子激光器和軌道管微波脈澤。

觸角。天線作為發(fā)射機(jī)輸出和輻射電磁波必須通過的介質(zhì)之間的接口。在高功率微波武器系統(tǒng)的情況下，它也是高功率微波源輸出和周圍大氣之間的接口。天線在 HPM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。高功率微波天線需要考慮的一些重要因素包括方向性、超寬帶、饋天耦合效率和緊湊性。

圖5: HPM 武器的致命足跡

方向性起著重要的作用。由于高功率微波設(shè)備靠近天線，如果輻射能量沒有得到有效的輻射，設(shè)備可能會(huì)受到損壞。高功率微波信號(hào)，由于其脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，本質(zhì)上具有非常寬的帶寬。因此，天線必須滿足處理這種超寬帶寬的嚴(yán)格要求。

另一個(gè)重要的要求是饋電和輻射元件之間的適當(dāng)匹配，以免由此產(chǎn)生的駐波引起電壓擊穿。HPM 天線往往是大規(guī)模的，以避免在運(yùn)行電場(chǎng)水平電壓擊穿。為了滿足日益增長(zhǎng)的小平臺(tái)高功率微波武器系統(tǒng)的需求，天線尺寸可以發(fā)揮重要作用。

天線形狀也是一個(gè)問題，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬嫌绊懣諝鈸舸┈F(xiàn)象是否是一個(gè)問題在高功率水平。喇叭天線和天線陣列是目前應(yīng)用最廣泛的高功率微波源。不同類型的喇叭天線，包括圓錐形，圓形，矩形，波紋和半橢圓形，以及 TEM 喇叭天線，根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用，使用特定的設(shè)計(jì)。

HPM 武器化的能力和局限性

如果HPM系統(tǒng)要走出研究和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的限制，成為防御和進(jìn)攻作用的實(shí)用武器的有力競(jìng)爭(zhēng)者，就必須解決若干技術(shù)和操作問題。這些問題包括武器系統(tǒng)的緊湊性和適應(yīng)一系列軍事平臺(tái)的效率問題、與天線孔徑獲得所需作戰(zhàn)范圍和峰值與平均功率有關(guān)的問題。目標(biāo)捕獲、跟蹤和波束指向技術(shù)以及致命性評(píng)估是其他重要因素。

基于高功率微波的定向能武器的主要優(yōu)勢(shì)包括光速發(fā)射、全天候能力、大面積有效性、可擴(kuò)展效果、深彈夾和最小附帶傷害。

高速?gòu)椀缹?dǎo)彈是輕武器，與常規(guī)動(dòng)能武器有限的飛行時(shí)間相比，它基本上沒有飛行時(shí)間。一枚以6馬赫速度飛行的超音速導(dǎo)彈需要大約50秒的飛行時(shí)間才能擊中300公里外的目標(biāo)。另一方面，HPM 武器可以在毫秒左右命中同一目標(biāo)。這一特點(diǎn)特別適合于攻擊快速移動(dòng)的目標(biāo)。

與高能激光武器不同，高功率微波武器不會(huì)受到天氣和大氣條件的不利影響。實(shí)際上，這些都是全天候武器。

高功率微波武器是區(qū)域性武器，不像高能激光武器是點(diǎn)式武器。覆蓋范圍取決于武器的功率輸出，距離目標(biāo)的距離和波束發(fā)散度。這些影響所有易受傷害的設(shè)備，在其致命的足跡(圖5)。

由于附帶傷害最小，HPM 武器非常適合在城市環(huán)境中瞄準(zhǔn)目標(biāo)。如果友好或民用電力系統(tǒng)也在足跡中，可能會(huì)發(fā)生一些附帶損害。HPM 武器有一個(gè)很深的彈夾。不像傳統(tǒng)的動(dòng)能武器是單發(fā)武器，高功率微波武器只要有動(dòng)力源就可以運(yùn)行任意次數(shù)。這也意味著降低物流成本和每次拍攝的成本。

高功率微波武器的效果是可擴(kuò)展的。根據(jù)沉積在目標(biāo)上的能量的大小，這種效應(yīng)可能是非致命的或致命的。美國(guó)的主動(dòng)拒絕系統(tǒng)是一種非致命的 HPM 系統(tǒng)，用于區(qū)域拒絕、外圍安全和人群控制。它的工作原理是加熱目標(biāo)的表面。在殺傷人員的作用下，它是人體目標(biāo)的皮膚。此外，高功率微波武器有可能在不了解系統(tǒng)射頻輸出的情況下干擾目標(biāo)系統(tǒng)。

在高功率微波攻擊的情況下，目標(biāo)系統(tǒng)恢復(fù)極其困難，因?yàn)樗赡苄枰M件或子系統(tǒng)級(jí)故障排除。高功率微波武器通過瞄準(zhǔn)支持這些掩體的通信、電力和空氣通風(fēng)系統(tǒng)等脆弱的電子系統(tǒng)，對(duì)深埋的掩體非常有效。

HPM 武器的主要限制包括相對(duì)較短的作戰(zhàn)范圍、評(píng)估損害的困難以及對(duì)友方、無保護(hù)系統(tǒng)的損害可能性。

HPM 武器是地面武器，因此對(duì)其致命范圍內(nèi)所有未受保護(hù)的電子系統(tǒng)都有不利影響。這些可能包括民用和友好系統(tǒng)，這可以保護(hù)使用適當(dāng)?shù)钠帘巍Ｔ?HPM 攻擊之前進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)劃可以防止對(duì)友方資產(chǎn)的意外損害。

在 HPM 武器攻擊的情況下，目標(biāo)傷害評(píng)估是非常困難的，因?yàn)闆]有任何物理破壞的跡象。僅僅因?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)已經(jīng)停止運(yùn)行或發(fā)射并不意味著它已經(jīng)受到 HPM 攻擊的影響。目標(biāo)系統(tǒng)沒有或存在排放物并不能可靠地確定攻擊的效力。然而，先進(jìn)的技術(shù)可以用來測(cè)量二階和三階效應(yīng)，以證實(shí)結(jié)果和加強(qiáng)攻擊評(píng)估。

與高能激光武器相比，高功率微波武器的射程相對(duì)較短。對(duì)于高功率微波武器系統(tǒng)，射程與功率輸出和天線尺寸成正比。然而，在足夠高的微波功率水平下，天線口徑處的大氣成為等離子體，這種現(xiàn)象稱為大氣擊穿。

等離子體密度隨著 HPM 脈沖持續(xù)時(shí)間的增加而增加，最終達(dá)到等離子體反射和吸收 RF 能量的點(diǎn)。這不僅使光束失效，而且給傳輸平臺(tái)造成屏蔽問題。

一旦大氣破壞發(fā)生，只有通過增加天線孔徑才能擴(kuò)大作戰(zhàn)范圍，這對(duì)便攜式或機(jī)載設(shè)計(jì)來說可能是不可能的。對(duì)于不要求便攜性和尺寸不是限制因素的應(yīng)用，可以通過使用鎖相技術(shù)和結(jié)合多個(gè)發(fā)射機(jī)來增加目標(biāo)的有效孔徑尺寸和功率。

另一種方法可能是采用將天線集成到系統(tǒng)表面的設(shè)計(jì)，這樣可以使光圈和傳輸平臺(tái)一樣大。其中一種應(yīng)用情況是點(diǎn)防御，即目標(biāo)朝向武器系統(tǒng)而不是武器朝向目標(biāo)飛行。Ranets-E 和 Vigilant Eagle HPM 系統(tǒng)就是這類系統(tǒng)的例子。