СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОРАЖЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2000 года по МПК G01S7/38 

Изобретение относится к технике борьбы с радиоэлектронными средствами различного назначения и предназначается для нарушения работы и вывода из строя объектов, содержащих полупроводниковые радиоэлементы, в частности может быть использовано для вывода из строя функциональных электронных цепей объектов, используемых террористами.

Известен способ [см. Кузнецов А.С., Кутин Г.И. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн. Зарубежная радиоэлектроника, 1985, 4, стр.41-53] дистанционного обнаружения объектов, основанный на явлении, связанном с тем, что при облучении объектов, имеющих слабые нелинейные элементы, каковыми являются полупроводниковые приборы, в переотраженном сигнале появляются частотные составляющие, отсутствующие в спектре возбуждающего поля. Избирательный прием и анализ гармонических составляющих лежит в основе такого способа локации объектов, обладающих нелинейностью.

При переотражении сигналов от объектов с элементами, имеющими полупроводниковые переходы, в основном максимальную амплитуду имеют сигналы, относящиеся к четным гармоникам [см. Горбачев А.А., Данилов В.И., Чигин Е.П, Васенков А. А. Отражение от нелинейных рассеивателей при проведении поисковых работ. Радиотехника и электроника, 1966, т. 41, N 8, с. 951-953]. Этот эффект, например, используют для обнаружения человека под снегом, когда в его одежду вшита дипольная антенна, нагруженная на полупроводниковый диод [см. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов. Под ред. Г.В. Глебовича. М.: Радио и связь. 1984, с. 134]. Избирательный прием гармонических составляющих от объекта переизлучения позволяет избавиться от сильных фоновых отражений, которые в ряде случаев делают невозможным использование обычных радиолокационных средств для поиска и обнаружения объектов.

Известно устройство [см. Горбачев А.А., Ларцев С.В, Тараканов С.П., Чигин Е.П. Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей. Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, N 5, стр. 558-562], содержащее генератор зондирующих сигналов, фильтр зондирующих сигналов, передающую антенну, приемную антенну, фильтр приемных сигналов, усилитель и измерительный приемник.

Недостатком известных способа и устройства является относительно узкая сфера их практического применения вследствие низкой эффективности преобразования зондирующих узкополосных сигналов на нелинейных элементах в гармонические сигналы отклика и зависимости амплитуды этих сигналов от мощности и частоты зондирующего излучения. Поэтому известные способ и устройство используют для локации объектов на небольших расстояниях (до нескольких десятков метров), и их нельзя использовать для нарушения функционирования полупроводниковых радиоэлементов в объекте зондирования.

Известен способ, выбранный за прототип, [см. Панов В.В., Саркисьян А.П. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств функционального поражения. Зарубежная радиоэлектроника, 1993, 10, 11, 12, стр. 3-10]. Способ предназначен для функционального поражения радиоэлектронных средств и основан на использовании сверхмощного СВЧ-излучения для выведения из строя чувствительных к электромагнитным полям полупроводниковых радиоэлементов на возможных расстояниях до нескольких десятков километров. При воздействии мощным СВЧ-излучением на объекты с полупроводниковыми элементами часть потока мощности излучения может проникать внутрь объекта и наводить на его полупроводниковых элементах поля напряженностью до ≈ 1 кВ/см [см. Блудов С.Б., Гадецкий Н.П., Кравцов К.А. и др. Генерирование мощных СВЧ-импульсов ультракороткой длительности и их воздействие на изделия электронной техники. Физика плазмы, 1994, том 20, N 7, 8, с. 712- 717]. При таких полях происходит три степени деградации: сбой функционирования, устойчивые изменения параметров, катастрофические необратимые отказы. Необратимый выход из строя полупроводников в основном происходит за счет их перегрева или полевого пробоя.

Известный способ осуществляется следующим образом. Объект облучают мощным потоком СВЧ-излучения на одной частоте или в полосе частот Δf₁ со средней частотой f₁. Для надежного вывода из строя объекта используют заведомо наиболее мощные потоки излучения, так как степень проникновения электромагнитного поля внутрь объекта зависит от частоты облучения, параметров электрических цепей внутри объекта, входных устройств, отверстий, щелей и т. д. Это приводит к большим энергетическим затратам. Кроме того, в известном способе не предусмотрен дистанционный контроль за состоянием объекта до и после облучения, что не позволяет надежно судить о выводе объекта из строя.

Известно устройство, выбранное за прототип [см. Блудов С.Б., Гадецкий Н. П. , Кравцов К. А. и др. Генерирование мощных СВЧ-импульсов ультракороткой длительности и их воздействие на изделие электронной техники. Физика плазмы. 1994, т. 20, N 7, 8, с. 712-717], содержащее релятивистский СВЧ-генератор типа виркатор и передающую антенну.

Данное устройство было использовано в лабораторных условиях для определения пороговых уровней напряженности электрического поля, приводящего к деградации различной степени для широкой номенклатуры объектов радиоэлектроники. Виркатор генерировал излучение в диапазоне частот 2•10⁹-10¹⁰ Гц. Мощность излучения достигала 1 ГВт.

В данном устройстве не предусмотрен дистанционный контроль за состоянием объекта до и после облучения. Контроль за изменениями параметров полупроводников осуществляется при непосредственном измерении их параметров известными методами.

При использовании известного устройства для функционального поражения объектов на больших расстояниях потребуются большие энергетические затраты, и в нем нет измерительных элементов и цепей, осуществляющих дистанционный контроль функционального поражения полупроводниковых радиоэлектронных средств.

Таким образом, задача надежного функционального поражения полупроводниковых элементов с меньшими энергетическими затратами и на больших расстояниях остается по-прежнему не решенной. В предлагаемом изобретении эта задача решается за счет нового технического результата - определения частоты излучения, на которой наиболее вероятно произойдет поражение радиоэлектронной схемы.

Для достижения технического результата, как и в известном способе функционального поражения радиоэлектронных средств, объект облучают мощным потоком СВЧ-излучения в полосе частот. В отличие от прототипа дополнительно регистрируют спектр сигналов переизлучения от объекта на четных гармониках, получают амплитудно-частотную зависимость переизлученных сигналов и по ее характеру определяют рабочую частоту излучения, необходимую для наиболее вероятного поражения объекта, затем повышают мощность потока СВЧ-излучения на этой рабочей частоте. Для повышения надежности функционального поражения объекта с полупроводниковыми элементами его повторно облучают мощным потоком СВЧ-излучения в полосе частот, регистрируют спектр сигналов переизлучения от объекта на четных гармониках, получают амплитудно-частотную зависимость, которую сравнивают с первоначальной зависимостью, и на основании характера их отличий делают заключение о выводе объекта из строя.

В устройстве указанная задача решается тем, что, как и прототип, устройство содержит релятивистский СВЧ-генератор типа виркатор и передающую антенну. В отличие от прототипа между виркатором и передающей антенной включен резонансный компрессор СВЧ-импульсов с системой перестройки его резонансной частоты и входной связи, а также дополнительно установлена приемная антенна, связанная через полосовой фильтр с измерителем гармонических сигналов, выход которого связан с системой перестройки резонансной частоты и входной связи резонансного компрессора СВЧ-импульсов.

В целом способ осуществляется следующим образом. Объект облучают потоком мощного СВЧ-излучения в полосе частот Δf₁ со средней частотой f₁. В отличие от прототипа регистрируют спектр сигналов в полосе частот 2Δf₁, и по характеру амплитудно-частотной зависимости спектра сигналов переизлучения фиксируют гармонический сигнал, например, с максимальной амплитудой и другими признаками, который соответствует частоте переизлучения 2f_p, которая, в свою очередь, соответствует частоте f_p потока облучения, вызывающего наиболее вероятное поражение объекта. Затем повышают мощность потока СВЧ-излучения на этой рабочей частоте. Для того, чтобы надежно судить о функциональном поражении объекта с полупроводниковыми элементами, целесообразно повторно облучить объект в полосе частот Δf₁, зарегистрировать спектр сигналов переизлучения от объекта на четных гармониках, получить амплитудно-частотную зависимость переизлученных сигналов, которую нужно сравнить с первоначальной амплитудно-частотной зависимостью, и на основании характера изменений сделать заключение о выводе объекта из строя.

Осуществление предлагаемых способа и устройства рассмотрим на примере работы устройства, схематически изображенного на чертеже, где цифрами обозначены: 1 - виркатор, 2 - резонансный компрессор, 3 - система перестройки резонансной частоты и входной связи компрессора, 4 - передающая антенна, 5 - объект, 6 - приемная антенна, 7 - полосовой фильтр, 8 - измеритель гармонических сигналов.

Выход виркатора 1, генерирующего, например, СВЧ-импульсы мощностью 0,3 ГВт, длительностью τ=500 нс на центральной частоте f₁ = 2,85 ГГц в диапазоне частот Δf₁ = 0,3 ГГц, подключен к резонансному компрессору 2, который имеет систему перестройки частоты и входной связи компрессора 3, а выход резонансного компрессора подключен к передающей антенне 4. Дополнительно введена приемная антенна 6, соединенная через полосовой фильтр 7 с измерителем гармонических сигналов 8, который связан с системой перестройки резонансной частоты и входной связи компрессора 3.

Принцип работы резонансного компрессора 2 основан на резонансном накоплении высокочастотной энергии и быстром выводе ее в виде более мощного и короткого СВЧ-импульса [см. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., стр. 68]. Резонансный компрессор позволяет усиливать мощность излучения до 1000 раз, когда накопительный резонатор в нем изготовлен из меди, и на несколько порядков выше при сверхпроводящем исполнении.

Обычно резонансный компрессор выполняют в виде регулярного волновода, ограниченного со входа элементом связи в виде диафрагмы с отверстием, а с выхода - интерференционным переключателем, представляющим собой волноводный тройник с одним короткозамкнутым плечом, в котором установлен плазменный коммутатор, изменяющий электрическую длину плеча. Питание резонансного компрессора может осуществляться от любого источника СВЧ-излучения, в том числе и от виркатора [см. Диденко А.Н., Жерлицын А.Г., Мельников Г.В. и др. Формирование мощного когерентного электромагнитного излучения наносекундной длительности в триоде с виртуальным катодом. Доклады АН СССР, 1989, т. 309, N 5, с. 1117-1119].

В начале облучения объекта 5 резонансный компрессор 2 настроен с помощью системы перестройки частоты и входной связи 3 так, что он работает как полосовой фильтр, который пропускает через себя излучение в полосе частот Δf₁ и задерживает излучение на других частотах и, в частности, на гармониках 2f₁. Этого можно достичь, если отверстие связи во входной диафрагме увеличить до размеров волновода и изменить длину l короткозамкнутого плеча тройника так, что где n = 1,3,5..., λ_b - длина волны в волноводе, которая соответствует частоте f₁. В этом случае мощность СВЧ-излучения в полосе частот Δf₁ от виркатора будет проходить по волноводу компрессора практически без потерь и поступать в передающую антенну. Одновременно короткозамкнутое плечо тройника с указанным параметром l будет играть роль режекторного фильтра и не пропускать от виркатора излучение на второй гармонике 2f₁, которое всегда присутствует как паразитное излучение и которое будет мешать приему гармонических сигналов с частотой 2f₁ при переизлучении от объекта 5.

В спектре переизлученного сигнала отклика от объекта 5 вместе с отраженными сигналами в полосе частот Δf₁, в том числе и сигналами f₁, присутствуют гармонические сигналы, связанные с переизлучением нелинейных элементов в широкой полосе частот, в том числе гармонические сигналы 2f₁, 3f₁, 4f₁..., где 3f₁ и 4f₁ - частоты переизлучения на 3-й и 4-й гармониках. Все эти сигналы попадают в приемную антенну 6 и фильтр 7, которые пропускают в измеритель гармонических сигналов 8 только сигналы, соответствующие вторым гармоникам от первичного излучения в диапазоне Δf₁. В измерителе гapмoничecкиx сигналов 8 осуществляют обработку информации, получают зависимость амплитуды сигналов от частоты в полосе частот 2Δf₁ и по ней определяют наиболее вероятную рабочую частоту излучения f_p, на которой от объекта получен максимальный гармонический отклик. Это означает, что излучение данной частоты в наибольшей степени проникает внутрь объекта и взаимодействует с его нелинейными элементами. Следовательно, на этой частоте будет осуществлен наиболее вероятный вывод объекта из строя при минимальных энергетических затратах. После определения рабочей частоты излучения осуществляют передачу информации о значении рабочей частоты f_p в систему перестройки резонансной частоты и входной связи компрессора 3, которая производит настройку резонансного компрессора 2 на эту частоту. Для этого изменяют длину l плеча тройника до размера, когда где λ_b - длина волны в волноводе на рабочей частоте f_p, а также уменьшают входную связь до размеров, при которых постоянная времени возбуждения резонатора компрессора будет меньше длительности импульса виркатора, т.е. 500 нс.

Приведенные выше параметры виркатора и компрессора соответствуют параметрам, приведенным в работе Диденко А.Н., Жерлицын А.Г., Мельников Г.В. и др. Формирование мощного когерентного электромагнитного излучения наносекундной длительности в триоде с виртуальным катодом. Доклады АН СССР, 1989, т. 309, N5, с. 1117-1119, в которой было экспериментально осуществлено возбуждение компрессора от виркатора. Был получен коэффициент усиления мощности на выходе компрессора в 20 раз при длительности выходных импульсов 4,6•10^-9 с. Хотя в указанной работе для компрессии использовалась только часть мощности виркатора (около 20 МВт) из-за ограничений, связанных с электрической прочностью компрессора, в настоящее время возможно осуществить компрессию всей выходной мощности. Для этого можно использовать для компрессии сверхразмерные (многомодовые) резонансные системы или использовать компрессию в нескольких параллельных компрессорах [см. Артеменко С.Н., Августинович В.А., Каминский В.Л. и др. Анализ процесса формирования радиоимпульсов в сверхразмерном резонаторе с интерференционным переключателем. Радиотехника и электроника. 1997, т. 42, N 8, c. 1011-1018; Новиков С.А., Разин С.В., Чумерин П. Ю., Юшков Ю.Г. Получение мощного СВЧ-излучения при сложении радиосигналов на выходе резонансных формирователей]. Таким образом, если компрессировать всю мощность виркатора 0,3 ГВт, то на выходе резонансного компрессора можно получить мощность 6 ГВт при длительности импульсов 4,6 нс на рабочей частоте. Если предположить, что диаграмма передающей антенны 4 не меняется при излучении длинного импульса виркатора и короткого после его компрессии, то такое увеличение мощности приводит к увеличению напряженности высокочастотного электрического поля в 4,5 раза.

После облучения объекта 5 мощными наносекундными импульсами, полученными в результате компрессии, осуществляют перестройку компрессора 2 в первоначальное состояние, когда он работает как проходной волновод. Затем включают виркатор и облучают объект, регистрируют отклик от него на вторых гармониках, получают амплитудно-частотную зависимость вторых гармоник, сравнивают с подобной зависимостью, полученной до облучения наносекундными импульсами, и по характеру изменений делают заключение о выводе объекта из строя.

По способу функционального поражения полупроводниковых радиоэлектронных средств объект облучают мощным потоком СВЧ-излучения в полосе частот, регистрируют спектр сигналов переизлучения от объекта на четных гармониках, получают амплитудно-частотную зависимость переизлученных сигналов и по ее характеру определяют рабочую частоту излучения, необходимую для наиболее вероятного поражения объекта, затем повышают плотность потока мощности СВЧ-излучения на этой частоте. Объект повторно облучают мощным потоком СВЧ-излучения в полосе частот, регистрируют спектр сигналов переизлучения от объекта на четных гармониках, получают амплитудно-частотную зависимость, которую сравнивают с первоначальной зависимостью, и на основании характера их отличий делают заключение о выводе объекта из строя. Устройство для осуществления способа содержит релятивистский СВЧ-генератор типа виркатор, передающую антенну, резонансный компрессор СВЧ-импульсов с системой перестройки его резонансной частоты и входной связи, приемную антенну, связанную через полосовой фильтр с измерителем гармонических сигналов. Технический результат заключается в определении частоты излучения, на которой наиболее вероятно произойдет поражение радиоэлектронной схемы. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ функционального поражения полупроводниковых радиоэлектронных средств, по которому объект облучают мощным потоком СВЧ-излучения в полосе частот, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют спектр сигналов переизлучения от объекта на четных гармониках, получают амплитудно-частотную зависимость переизлученных сигналов и по ее характеру определяют рабочую частоту излучения, необходимую для наиболее вероятного поражения объекта, затем повышают плотность потока мощности СВЧ-излучения на этой частоте. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объект повторно облучают мощным потоком СВЧ-излучения в полосе частот, регистрируют спектр сигналов переизлучения от объекта на четных гармониках, получают амплитудно-частотную зависимость, которую сравнивают с первоначальной зависимостью и на основании характера их отличий делают заключение о выводе объекта из строя. 3. Устройство функционального поражения полупроводниковых радиоэлектронных средств, содержащее релятивистский СВЧ-генератор типа виркатор и передающую антенну, отличающееся тем, что между виркатором и передающей антенной включен резонансный компрессор СВЧ-импульсов с системой перестройки его резонансной частоты и входной связи, а также дополнительно введена приемная антенна, связанная через полосовой фильтр с измерителем гармонических сигналов, выход которого связан с системой перестройки резонансной частоты и входной связи резонансного компрессора СВЧ-импульсов.