正弦波輻照對(duì)無線電引信的作用機(jī)理研究

費(fèi)支強(qiáng) 魏光輝 耿利飛

(1.軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊050003;2.中國人民解放軍78469部隊(duì),四川成都610005)

1.引 言

無線電引信的出現(xiàn)是引信發(fā)展史上的一次重大技術(shù)革命,它利用目標(biāo)回波所攜帶的位置、速度等信息確認(rèn)目標(biāo),比觸發(fā)引信更能有效地發(fā)揮彈丸對(duì)目標(biāo)的毀傷效能,被稱為是現(xiàn)代武器系統(tǒng)終端效能的倍增器,它的主要缺點(diǎn)之一是易受電磁干擾[1]。隨著各種集成電路尤其是引信專用集成電路(ASIC)在現(xiàn)代引信中的廣泛應(yīng)用和戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜,無線電引信戰(zhàn)斗效能的發(fā)揮受到嚴(yán)重威脅[2]。引信電磁環(huán)境效應(yīng)問題的研究已成為引信抗干擾研究新的發(fā)展方向,世界各軍事強(qiáng)國都制訂了引信方面的有關(guān)軍標(biāo),以確保引信在電磁環(huán)境中的安全性和可靠性[3-4]。

軍械工程學(xué)院深入研究了雷電電磁脈沖(LEMP)[5]、高功率微波(HPM)[6]、超寬帶(UWB)[7]強(qiáng)電磁源對(duì)無線電引信的電磁輻照效應(yīng)與相應(yīng)防護(hù)措施。但是連續(xù)波是構(gòu)成復(fù)雜電磁環(huán)境的最普遍的電磁波,無線電引信在其全壽命過程中時(shí)刻都受到各種頻率連續(xù)波的輻照威脅,而等幅正弦波是最基本的連續(xù)波,研究其對(duì)無線電引信的輻照效應(yīng),分析確定能量耦合通道和作用機(jī)理,對(duì)提出復(fù)雜電磁環(huán)境中降低無線電引信意外發(fā)火、瞎火概率的防護(hù)對(duì)策,為新型引信研制和現(xiàn)役引信改造提供電磁防護(hù)技術(shù)保障,從根本上增強(qiáng)我軍無線電引信的抗電磁毀傷能力,具有重大意義。

2.實(shí)驗(yàn)裝置與方法

所用實(shí)驗(yàn)裝置有：SMR20微波信號(hào)發(fā)生器、200T1G3AM5功率放大器、雙通道功率計(jì)、喇叭天線、EMR-200電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀及TDS7404B數(shù)字存儲(chǔ)示波器等。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的等幅正弦波信號(hào),用200T1G3AM5功率放大器進(jìn)行功率放大,通過雙向耦合器由喇叭天線輻射等幅正弦波,對(duì)被試無線電引信進(jìn)行輻照。通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電平、功率放大器的增益倍數(shù)或被試無線電引信與輻射天線之間的距離,可以任意調(diào)節(jié)輻照強(qiáng)度。電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀用來測(cè)量引信的輻照強(qiáng)度,示波器用來觀測(cè)引信發(fā)火信號(hào)、執(zhí)行級(jí)電路控制電位及檢波電壓,通過上述數(shù)據(jù)及現(xiàn)象來分析研究被試無線電引信的輻照效應(yīng)。

輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[8]：輻射場(chǎng)強(qiáng)低于200 V/m的等幅正弦波輻照對(duì)無線電引信的勤務(wù)處理安全性沒有影響,不會(huì)對(duì)引信電子部件造成損傷;等幅正弦波輻照能使處于工作狀態(tài)的引信意外發(fā)火,輻照頻率不同,發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)不同;彈體軸線與輻射場(chǎng)傳播方向一致,自差機(jī)天線兩個(gè)管腳連線與輻射場(chǎng)電場(chǎng)方向一致時(shí),被試無線電引信對(duì)等幅正弦波電磁輻照最敏感,為能量最佳耦合方向;引信存在敏感頻點(diǎn),在輻照頻率與引信本振頻率差值(Δf)為0～0.08 GHz、0.90～0.91 GHz和0.97～1.09 GHz之間時(shí),引信意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)較小,在25～50 V/m之間,變化較小。

因此,在研究正弦波與引信能量耦合通道及意外發(fā)火作用機(jī)理時(shí),實(shí)驗(yàn)中將引信按能量最佳耦合方向放置,選擇引信發(fā)火敏感頻點(diǎn)輻照頻率進(jìn)行研究,即選擇輻照頻率與引信本振頻率差值為0 GHz、0.01 GHz、0.02 GHz、0.99 GHz、1 GHz、1.01 GHz幾種輻照頻率。

3.能量耦合通道研究

電磁能量對(duì)設(shè)備的耦合方式有兩種：傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。傳導(dǎo)耦合必須在干擾源和敏感設(shè)備之間有完整的電路連接,干擾信號(hào)沿著這個(gè)連接電路傳遞到敏感設(shè)備;輻射耦合是通過空間電磁場(chǎng)的耦合[9]。顯然,這里研究的正弦波能量對(duì)無線電引信的耦合方式屬于輻射耦合。當(dāng)孔縫的尺寸大于入射電磁波波長的1/8時(shí),入射電磁波90%以上的能量都可以通過孔縫耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部[10]。

實(shí)驗(yàn)用引信主要組成部分包括防潮帽、環(huán)天線、高頻電路、低頻電路、裝定環(huán)、電源模塊、引信體等。引信防潮帽為非金屬材質(zhì),這種材料使引信天線暴露于電磁環(huán)境中,連續(xù)波能量可以通過天線接收而進(jìn)入引信電路。被試引信在空中飛行時(shí)依靠流經(jīng)頂部進(jìn)氣道的高速氣流推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)工作,因此高頻組件和低頻組件均被頂部進(jìn)氣道貫穿,電磁波能量可通過頂部進(jìn)氣道直接作用于引信高、低頻電路。引信低頻電路外殼開有裝定環(huán)孔,電磁波能量能夠通過該孔進(jìn)入引信殼體內(nèi)。渦輪發(fā)電機(jī)位于引信頂部進(jìn)氣道內(nèi),和引信電源模塊一起采用塑封形式,不能有效屏蔽電磁波,而引信所有電路均由電源模塊供電,所以電磁波能量有可能通過電源模塊耦合進(jìn)入引信電路。引信電路的地線與引信外殼相連,引信外殼又與彈體通過螺紋旋接,暴露于電磁場(chǎng)中可能會(huì)在彈體上耦合出較大的電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),通過共地連接的地線進(jìn)入引信工作電路。通過以上引信結(jié)構(gòu)的分析得出連續(xù)波輻照對(duì)無線電引信的能量耦合通道可能有：天線、彈體、電源模塊、裝定環(huán)孔和頂部進(jìn)氣道。

實(shí)驗(yàn)選用5發(fā)各項(xiàng)參數(shù)正常的引信,對(duì)其正常狀態(tài)和屏蔽電源模塊、屏蔽裝定環(huán)孔和頂部進(jìn)氣道、去掉彈體、改變自差機(jī)天線參數(shù)(將自差機(jī)天線一個(gè)管腳焊掉,與自差機(jī)高頻電路板離開一定距離,目的是改變高頻電路選頻網(wǎng)絡(luò)中的電容值)兩種情況,分別在選擇的敏感輻照頻點(diǎn),進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn),測(cè)量引信意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)。5發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律相似,取其中1發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,如表1所示。

表1 能量耦合通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出：(1)屏蔽電源模塊、屏蔽裝定環(huán)孔和頂部進(jìn)氣道前后,引信在相同頻率輻照下,考慮系統(tǒng)及測(cè)量誤差,意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)沒有明顯變化;(2)去掉彈體前后的引信在接近引信工作頻率的正弦波輻照下,意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)有一定降低,而在其它敏感頻點(diǎn)的正弦波輻照下意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)有所升高,但變化幅度都小于30%,說明彈體的存在會(huì)對(duì)引信意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生一定影響,造成這種現(xiàn)象可能有兩個(gè)方面原因：一是彈體存在引起引信周圍電磁場(chǎng)畸變,二是引信高頻電路以彈體為地線,去掉彈體一定程度上改變了引信自差機(jī)參數(shù);(3)改變自差機(jī)天線參數(shù)后,在引信工作頻率附近的輻射場(chǎng)下,引信意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)增幅不小于300%,在其它敏感頻點(diǎn)輻射場(chǎng)下,引信意外發(fā)火時(shí)輻射場(chǎng)強(qiáng)也有約100%的增幅。

從以上分析可以確定電源模塊、裝定環(huán)孔和頂部進(jìn)氣道不是引信意外發(fā)火的主要能量耦合通道,天線及彈體是造成引信意外發(fā)火的主要能量耦合通道。

4.作用機(jī)理研究

4.1 引信發(fā)火原因分析

引信發(fā)火動(dòng)作過程是由執(zhí)行電路完成的,其電路如圖1所示,其中為儲(chǔ)能電容,SCR為晶閘管,為電源模塊對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電的限流電阻,R2為晶閘管控制極電阻,EED為電點(diǎn)火頭。

分析執(zhí)行電路作用過程可以看出引信發(fā)火有兩種可能：(1)執(zhí)行電路中的晶閘管控制極得到發(fā)火控制信號(hào)Sf(高電平)使SCR導(dǎo)通,儲(chǔ)能電容C1對(duì)EED放電使引信發(fā)火;(2)執(zhí)行電路中的電源電路上產(chǎn)生劇烈電壓波動(dòng),使SCR導(dǎo)通,儲(chǔ)能電容C1對(duì)EED放電使引信發(fā)火[11]。

圖1 執(zhí)行電路圖

輻照實(shí)驗(yàn)中每次檢測(cè)到發(fā)火信號(hào),都能同步檢測(cè)到執(zhí)行級(jí)電路晶閘管控制極控制信號(hào),如圖2所示,從而排除了電源電壓劇烈波動(dòng)是正弦波輻照導(dǎo)致引信意外發(fā)火的原因。因此,引信意外發(fā)火原因只能是正弦波輻照作用于引信高、低頻電路,導(dǎo)致引信執(zhí)行級(jí)電路得到控制信號(hào)而發(fā)火。

圖2 發(fā)火信號(hào)與執(zhí)行級(jí)電路控制信號(hào)

4.2 作用機(jī)理分析

引信低頻電路中有帶通濾波和頻帶放大電路,該電路的選頻作用主要是：讓與多普勒信號(hào)頻率相近的信號(hào)通過并放大,而對(duì)過高或過低頻率的信號(hào)進(jìn)行大幅衰減。輻照試驗(yàn)選用的正弦波頻率比多普勒信號(hào)頻率高得多,其能量將被大幅衰減,不能作用于引信低頻電路中的后續(xù)電路,可以推斷正弦波能量是作用于引信高頻電路導(dǎo)致引信起爆,為此對(duì)去掉高頻電路的引信進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：在選擇的敏感輻照頻率,場(chǎng)強(qiáng)從10 V/m增加到200 V/m,引信均不能起爆。因此可以斷定正弦波能量是作用于引信高頻電路導(dǎo)致引信起爆。

引信高頻電路主要由自差收發(fā)機(jī)構(gòu)成,由天線、振蕩器、檢波和直流偏置電路組成。其中,檢波電路通過一個(gè)電感電容濾波器 (LC濾波器),實(shí)現(xiàn)高頻屏蔽與濾波,濾去自差機(jī)本振高頻信號(hào)以及其它高頻信號(hào)。

正弦波能量作用于引信高頻電路,高頻電路工作狀態(tài)必然會(huì)發(fā)生改變,為了確定高頻電路在正弦波輻照下的工作狀態(tài),我們測(cè)量了引信輸出起爆信號(hào)時(shí)引信高頻電路的輸出信號(hào) (檢波電壓),發(fā)現(xiàn)引信輸出起爆信號(hào)時(shí)引信檢波電壓升高,且存在波動(dòng)的現(xiàn)象,峰值約為0.35 V,如圖3所示,波形前段為沒有干擾信號(hào)時(shí)檢波電壓波形,后段為引信受干擾意外起爆時(shí)檢波電壓波形。

圖3 檢波電壓線輸出信號(hào)

正常工作引信檢波電壓約為0.7 V,多普勒信號(hào)為毫伏量級(jí)。為了使檢波電壓波動(dòng)不影響引信低頻電路,我們對(duì)引信高頻電路進(jìn)行了改進(jìn),在檢波電壓線與地線之間連接一個(gè)穩(wěn)壓二極管,檢波電壓線連接二極管正級(jí)。當(dāng)檢波電壓升高而出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),二極管起穩(wěn)壓作用,處于穩(wěn)壓狀態(tài),可以使檢波電壓的波動(dòng)不影響低頻電路,由于二極管阻抗較高,多普勒信號(hào)可以作用于低頻電路與發(fā)火系統(tǒng),使引信正常發(fā)火。改進(jìn)后用引信參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)與目標(biāo)模擬器檢測(cè)〔12〕,引信工作參數(shù)振蕩頻率、檢波直流電壓、工作電流、靈敏度無明顯變化,說明改進(jìn)措施不會(huì)影響引信正常工作性能。對(duì)改進(jìn)后的引信進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn),在選擇的敏感輻照頻率,輻照?qǐng)鰪?qiáng)從10 V/m至200 V/m,引信不再有起爆信號(hào)輸出。從而確定引信檢波電壓波動(dòng)是導(dǎo)致引信輸出起爆信號(hào)的原因,等幅正弦波輻照導(dǎo)致引信意外發(fā)火的作用機(jī)理是：引信天線及彈體接收干擾信號(hào),使得引信高頻電路工作狀態(tài)變化,引起檢波電壓波動(dòng),導(dǎo)致引信誤動(dòng)作。

5.結(jié) 論

一定強(qiáng)度等幅正弦波輻照可以使處于工作狀態(tài)的無線電引信意外發(fā)火,不同輻照頻率下,發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)不同。天線及彈體是造成引信意外發(fā)火的主要能量耦合通道,引起其作用的機(jī)理是：引信天線及彈體接收干擾信號(hào),引起引信高頻電路工作狀態(tài)變化,檢波電壓波動(dòng)導(dǎo)致引信誤動(dòng)作。選擇合適的穩(wěn)壓器件,限制檢波電壓波動(dòng),可以有效防止引信等幅正弦波輻照下意外發(fā)火。

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