無(wú)線電引信連續(xù)波輻照效應(yīng)及能量耦合通道研究

簡(jiǎn) 勛， 張希軍， 熊久良， 楊 潔

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所， 河北 石家莊 050003)

無(wú)線電引信連續(xù)波輻照效應(yīng)及能量耦合通道研究

簡(jiǎn) 勛， 張希軍， 熊久良， 楊 潔

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所， 河北 石家莊 050003)

為了研究無(wú)線電引信的連續(xù)波輻照效應(yīng)，以A型無(wú)線電引信為研究對(duì)象,開(kāi)展了單一頻率等幅正弦波和掃頻連續(xù)波輻照效應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：連續(xù)波輻照可使引信意外發(fā)火，引信對(duì)掃頻連續(xù)波更敏感；引信上連續(xù)波能量耦合通道為天線部分；連續(xù)波輻照下引信意外發(fā)火的根本原因是連續(xù)波使引信內(nèi)部自差式收發(fā)機(jī)工作狀態(tài)產(chǎn)生異常。

無(wú)線電引信； 連續(xù)波輻照效應(yīng)； 能量耦合通道； 意外發(fā)火； 自差式收發(fā)機(jī)

無(wú)線電引信的出現(xiàn)是引信發(fā)展歷史上的一次重大技術(shù)革命，它利用目標(biāo)自身攜帶的位置、速度等信息來(lái)感覺(jué)目標(biāo)，大大提高了彈藥的毀傷效能。然而,以微電子技術(shù)為核心的無(wú)線電引信很容易受到戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的干擾。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中用頻設(shè)備越來(lái)越多，其工作時(shí)產(chǎn)生的電磁波導(dǎo)致現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日益惡劣，而其中戰(zhàn)場(chǎng)通信設(shè)備最具代表性，其工作時(shí)產(chǎn)生的電磁波以連續(xù)波為主[1-4]。為了研究無(wú)線電引信在連續(xù)波能量下的輻照效應(yīng)，評(píng)估無(wú)線電引信的抗電磁干擾能力，筆者通過(guò)對(duì)工作狀態(tài)下的引信開(kāi)展連續(xù)波電磁輻照效應(yīng)試驗(yàn)，探索連續(xù)波電磁能量對(duì)已經(jīng)裝備部隊(duì)的A型無(wú)線電引信輻照效應(yīng)規(guī)律，確定引信電磁脈沖能量耦合通道，探究連續(xù)波作用下引信意外發(fā)火的原因，為進(jìn)一步研究針對(duì)連續(xù)波的防護(hù)加固方法提供有益參考。

1 連續(xù)波輻照效應(yīng)試驗(yàn)

1.1 單一頻率等幅正弦波輻照結(jié)果

取 3發(fā)引信樣品在GTEM室中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)一致性，表1為其中一發(fā)樣品的單一頻率等幅正弦波輻照試驗(yàn)結(jié)果，其中頻差Δf為輻照頻率與引信本振頻率f0的差值。

國(guó)軍標(biāo)規(guī)定無(wú)線電引信應(yīng)當(dāng)能承受的電場(chǎng)強(qiáng)度在200 V/m以下[5]，但是隨著大功率用頻裝備的增多，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)可能遭遇的電場(chǎng)強(qiáng)度早就超過(guò)了該值。因此，在輻照試驗(yàn)中，將輻照的最高電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)定為 500 V/m，使試驗(yàn)結(jié)果更符合現(xiàn)實(shí)情況。

表1 單一頻率等幅正弦波輻照試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：1)單一頻率等幅正弦波會(huì)引起引信意外發(fā)火，且存在頻率敏感點(diǎn)，當(dāng)輻照頻率在f0附近或其倍頻附近(0.03 MHz<|Δf|≤2 MHz)時(shí)，發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度在500 V/m以內(nèi)；2) 當(dāng)|Δf|≤0.03 MHz或|Δf|>2 MHz時(shí)，在輻照電場(chǎng)強(qiáng)度≤500 V/m的條件下引信不會(huì)意外發(fā)火。

1.2 掃頻連續(xù)波輻照結(jié)果

以f0為掃頻頻段中心，掃頻頻帶寬度≤3 MHz，對(duì)3發(fā)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果同樣呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。某樣品其中一部分掃頻正弦波輻照試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，所有受試引信發(fā)火全部發(fā)生在接近于f0(Δf≤0.5 MHz)的頻點(diǎn)處。

從表2可以看出：1)在掃頻步長(zhǎng)<150 kHz和駐留時(shí)間<80 ms的情況下，只有當(dāng)掃頻頻段包含f0或掃頻頻段上限/下限接近f0(Δf≤0.5 MHz)時(shí)，才可能導(dǎo)致引信意外發(fā)火，并且發(fā)火頻點(diǎn)在f0附近；2)若不能同時(shí)滿足1)中要求的掃頻波，當(dāng)輻照電場(chǎng)強(qiáng)度在500 V/m內(nèi)時(shí)，則不會(huì)引起引信意外發(fā)火。

對(duì)比表1、2可以看出：在相近的頻點(diǎn)上，掃頻波輻照下的最小發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度明顯較低，表明掃頻波更容易導(dǎo)致該型引信意外發(fā)火。

表2 掃頻正弦波輻照試驗(yàn)結(jié)果

2 連續(xù)波耦合通道

為了研究無(wú)線電引信在連續(xù)波輻照下意外發(fā)火的原因，首先必須明確連續(xù)波能量在無(wú)線電引信上的耦合通道。

A型無(wú)線電引信天線采用環(huán)狀縫隙加載天線，其最大特點(diǎn)是天線方向圖幾乎不受彈體影響，向空間輻射能量非常均勻。由于試驗(yàn)中輻射能量信號(hào)較大，正弦波能量很有可能通過(guò)天線耦合進(jìn)入引信內(nèi)部，因此天線可能是連續(xù)波輻照導(dǎo)致引信起爆的主要能量耦合通道。

引信結(jié)構(gòu)上不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的縫隙，這為輻射能量的進(jìn)入提供了可能。另外，在引信體上，開(kāi)有4個(gè)直徑約為3 mm的圓孔，輻射能量也可以通過(guò)此圓孔耦合進(jìn)入引信電路，這也可能是一條能量耦合通道。

由于引信電路電源地線是與引信外殼相連的，而引信外殼又與彈體通過(guò)螺紋旋接，因此彈體也與引信電路電源地線連接。由于彈體結(jié)構(gòu)較大，它暴露于輻射場(chǎng)中會(huì)耦合出較大的電流，感應(yīng)電流可能沿著地線進(jìn)入引信電路，造成引信電路誤動(dòng)作。

根據(jù)筆者所在實(shí)驗(yàn)室前期的無(wú)線電引信電磁脈沖輻照試驗(yàn)結(jié)果可推斷：?jiǎn)我活l率等幅正弦波和掃頻波能量耦合通道是相同的[6]。為判斷連續(xù)波輻照時(shí)主要的能量耦合通道，筆者設(shè)計(jì)了一組單一頻率等幅正弦波輻照對(duì)比試驗(yàn)(引信樣本量 3 發(fā)，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)正常)。

第1組試驗(yàn)：將整個(gè)引信天線部分用金屬筒進(jìn)行有效屏蔽，對(duì)其進(jìn)行單一頻率等幅正弦波輻照試驗(yàn)，測(cè)量最小發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度，并將試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的未屏蔽時(shí)輻照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。各發(fā)引信試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相似，其中一發(fā)引信天線屏蔽前后輻照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 引線天線屏蔽前后輻照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表3可以看出：對(duì)引信天線進(jìn)行屏蔽后，抗等幅正弦波干擾能力大大增強(qiáng)，在大部分輻照頻率點(diǎn)上，即使輻照?qǐng)鰪?qiáng)達(dá)到500 V/m，引信也不會(huì)出現(xiàn)意外發(fā)火現(xiàn)象，表明天線確實(shí)是連續(xù)波輻照時(shí)主要的能量耦合通道。

第2組試驗(yàn)：將引信上所有的孔縫進(jìn)行有效屏蔽，對(duì)其進(jìn)行單一頻率等幅正弦波輻照試驗(yàn)，測(cè)量其最小發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度，并將試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的未屏蔽時(shí)輻照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。各發(fā)引信試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相似，其中一發(fā)引信孔縫屏蔽前后輻照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 引信孔縫屏蔽前后輻照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表4可以看出：將引信上所有的孔縫進(jìn)行有效屏蔽后，引信最小發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，表明孔縫并不是連續(xù)波輻照時(shí)主要的能量耦合通道。

第3組試驗(yàn)：分別為引信配用2種不同類型的仿真彈體，對(duì)其進(jìn)行單一頻率等幅正弦波輻照試驗(yàn)，測(cè)量其最小發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度，并將不同彈體下相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。各發(fā)引信試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相似，其中一發(fā)引信配用不同彈體后輻照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表5所示。

表5 配用不同彈體引信輻照試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表5可以看出：配用不同的彈體確實(shí)對(duì)引信最小發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度有一定的影響，但變化幅度較小，發(fā)火電場(chǎng)強(qiáng)度最大變化約為8.3%，因此不能認(rèn)為彈體是連續(xù)波輻照時(shí)主要的能量耦合通道。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知：連續(xù)波主要的能量耦合通道為天線。

3 引信意外發(fā)火原因分析

通過(guò)對(duì)引信能量耦合通道的分析，發(fā)現(xiàn)引信意外發(fā)火的可能原因如下：

1) 連續(xù)波能量通過(guò)天線耦合至引信內(nèi)部，作用于后端起爆電路誤動(dòng)作而發(fā)火；

2) 連續(xù)波能量作用于引信前端電路，導(dǎo)致引信執(zhí)行電路得到控制信號(hào)而發(fā)火。

為了確定連續(xù)波能量作用部位，對(duì)引信發(fā)火時(shí)的控制信號(hào)和發(fā)火信號(hào)進(jìn)行了觀測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在單一頻率等幅正弦波和掃頻連續(xù)波輻照試驗(yàn)中，每次在示波器上觀測(cè)到發(fā)火信號(hào)的同時(shí)均觀測(cè)到執(zhí)行電路控制信號(hào)，如圖1所示，表明連續(xù)波能量作用位置不是引信后端起爆電路，而是引信前端電路。

圖1 控制信號(hào)和發(fā)火信號(hào)

3.1 引信前端電路分析

引信前端電路主要包括自差式收發(fā)機(jī)和信號(hào)處理電路。引信的自差式收發(fā)機(jī)是引信與目標(biāo)相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)，一方面，它本身是一個(gè)自激振蕩器，屬于非線性、非自持的振蕩系統(tǒng)，干擾信號(hào)對(duì)自差式收發(fā)機(jī)的作用相當(dāng)于在振蕩回路中加入了一個(gè)信號(hào)源(外部交變電動(dòng)勢(shì))，在輻照試驗(yàn)中，由于輻照?qǐng)鰪?qiáng)較大，耦合到自差式收發(fā)機(jī)振蕩器上的干擾信號(hào)(外加電動(dòng)勢(shì))可能較強(qiáng)，會(huì)對(duì)自差式收發(fā)機(jī)振蕩頻率、發(fā)射信號(hào)大小等工作狀態(tài)造成很大影響；另一方面，天線接收到信號(hào)后，接收信號(hào)與振蕩信號(hào)通過(guò)振蕩管產(chǎn)生差拍頻率，即多普勒頻率，經(jīng)過(guò)檢波電路后，以檢波電壓的形式傳遞給信號(hào)處理電路。因此，當(dāng)輻照頻率和輻照?qǐng)鰪?qiáng)不同時(shí)，自差式收發(fā)機(jī)必然處于不同的工作狀態(tài)中，最終產(chǎn)生的檢波電壓必然有所差別[7]。

《語(yǔ)文課程標(biāo)準(zhǔn)》要求：“培養(yǎng)學(xué)生廣泛的閱讀興趣，擴(kuò)大閱讀面，增加閱讀量，提倡少做題，多讀書(shū)，好讀書(shū)，讀好書(shū)，讀整本的書(shū)。”同時(shí)規(guī)定：小學(xué)階段閱讀量應(yīng)不少于145萬(wàn)字。僅僅通過(guò)教材的閱讀是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以課外閱讀尤為重要?！皫熒沧x”作為課外閱讀中的“一枝獨(dú)秀”，通過(guò)教師與學(xué)生一起有計(jì)劃、有組織地共同閱讀整本經(jīng)典兒童文學(xué)作品并開(kāi)展各種閱讀活動(dòng)，得到了越來(lái)越多的推崇。

檢波電壓進(jìn)入信號(hào)處理電路的兩路通道，經(jīng)過(guò)處理后形成了幅度檢測(cè)以及增幅速率上、下限檢測(cè)，和與非門(mén)共同作用形成了幅度/增幅速率檢測(cè)門(mén)。在引信正常工作的情況下，只有滿足了幅度/增幅速率檢測(cè)門(mén)判決門(mén)限的回波信號(hào)，才可以使引信前端輸出控制信號(hào)，使引信起爆。

3.2 引信前端電路連續(xù)波作用機(jī)理

在掃頻連續(xù)波輻照時(shí)，頻率變化使自差式收發(fā)機(jī)的工作狀態(tài)發(fā)生躍變，導(dǎo)致檢波電壓始終處于變化中。如果掃頻連續(xù)波滿足一定的條件，就可使檢波電壓的波動(dòng)超過(guò)增幅速率檢測(cè)門(mén)判決門(mén)限，引起處理電路誤判。結(jié)合掃頻連續(xù)波輻照試驗(yàn)結(jié)果，滿足3個(gè)條件的掃頻波，即掃頻頻段包含f0，掃頻步長(zhǎng)<150 kHz，以及駐留時(shí)間<80 ms，可引起信號(hào)處理電路誤判，產(chǎn)生控制信號(hào)，從而導(dǎo)致引信發(fā)火。

在單一頻率等幅正弦波輻照時(shí)，由于信號(hào)頻率和幅值固定，從表面上看并不能使自差式收發(fā)機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生變化，因此需要進(jìn)一步分析。

一般規(guī)定[8]：當(dāng)干擾能量在引信天線上耦合的能量遠(yuǎn)小于回波信號(hào)時(shí)，定義為對(duì)引信的弱信號(hào)干擾；當(dāng)干擾能量在引信天線上耦合的能量與回波信號(hào)相當(dāng)時(shí)，定義為對(duì)引信的小信號(hào)干擾；當(dāng)干擾能量在引信天線上耦合的能量遠(yuǎn)大于回波信號(hào)時(shí)，定義為對(duì)引信的大信號(hào)干擾。大、小、弱信號(hào)不是絕對(duì)的，與干擾信號(hào)本身的頻率、幅值以及引信天線的特性有密切關(guān)系。

自差式收發(fā)機(jī)在接收時(shí)是一個(gè)非自持、非線性的振蕩系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的非線性關(guān)系，在受到外加周期干擾信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)與外加信號(hào)同步共振及非同步共振2種振蕩[9]。

在同步共振狀態(tài)下，引信中自差式收發(fā)機(jī)受外加信號(hào)干擾，會(huì)出現(xiàn)頻率牽引現(xiàn)象，自差式收發(fā)機(jī)接收到的多普勒信號(hào)與外加干擾信號(hào)發(fā)生頻率牽引，導(dǎo)致自差式收發(fā)機(jī)接收到的多普勒信號(hào)的相位和頻率均發(fā)生改變[10]。

而在非同步共振狀態(tài)下，系統(tǒng)的定常振蕩可表示為強(qiáng)迫振蕩與自由振蕩2項(xiàng)之和，根據(jù)外加信號(hào)不同，則可能出現(xiàn)如下3種振蕩狀態(tài)[11]：1)弱信號(hào)使自由振蕩項(xiàng)趨于一個(gè)非0的定常振幅；2)大信號(hào)使自由振蕩項(xiàng)衰減為0，發(fā)生抑制；3)小信號(hào)使某些頻率區(qū)域中的振蕩情況更復(fù)雜，自差式收發(fā)機(jī)工作狀態(tài)不穩(wěn)定。

綜上所述，單一頻率等幅正弦波對(duì)自差式收發(fā)機(jī)可能存在如下2種形式的干擾機(jī)制。

1) 單一頻率等幅正弦波經(jīng)過(guò)調(diào)制，變成類似于引信工作時(shí)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的干擾信號(hào)，使自差式收發(fā)機(jī)處于同步共振狀態(tài)，形成類似目標(biāo)回波信號(hào)的多普勒信號(hào)，導(dǎo)致引信意外發(fā)火。

2) 干擾信號(hào)使自差式收發(fā)機(jī)處于非同步共振狀態(tài)。

在單一頻率等幅正弦波輻照試驗(yàn)中，正弦波信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何形式的調(diào)制，顯然不符合第1種機(jī)制，因此單一頻率等幅正弦波對(duì)自差式收發(fā)機(jī)的干擾只能屬于第2種機(jī)制。在第2種干擾機(jī)制下，引信自差式收發(fā)機(jī)如果工作在大信號(hào)或弱信號(hào)干擾情況下，自差式收發(fā)機(jī)工作狀態(tài)比較穩(wěn)定，輸出的檢波電壓也處于穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足信號(hào)處理電路幅度/增幅速率檢測(cè)門(mén)判決門(mén)限，引信不會(huì)意外發(fā)火。因此，只有引信自差式收發(fā)機(jī)工作在小信號(hào)干擾情況下，即在特定的輻照頻率與電場(chǎng)強(qiáng)度干擾下，才導(dǎo)致自差式收發(fā)機(jī)工作狀態(tài)不穩(wěn)定，輸出的檢波電壓出現(xiàn)波動(dòng)，一旦達(dá)到信號(hào)處理電路的判決門(mén)限，就能推動(dòng)執(zhí)行電路使引信意外發(fā)火。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)A型無(wú)線電引信開(kāi)展一系列單一頻率等幅正弦波以及掃頻連續(xù)波電磁輻照試驗(yàn)，得到該型引信連續(xù)波輻照效應(yīng)規(guī)律，確定了連續(xù)波能量在該型引信上的耦合通道，分析了該型引信在連續(xù)波輻照下意外發(fā)火的原因，為完善無(wú)線電引信電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)提供有益參考。然而，本文僅從定性的角度分析了連續(xù)波對(duì)無(wú)線電引信中自差式收發(fā)機(jī)的干擾作用，缺少直接的試驗(yàn)驗(yàn)證，下一步將專門(mén)對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)研究。

[1] 費(fèi)支強(qiáng)，魏光輝，耿利飛．正弦波對(duì)無(wú)線電引信耦合通道及作用機(jī)理[J]．現(xiàn)代防御技術(shù)，2011，39(1)：37-40．

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Research on the Constant Wave Radiation Effect and Energy Coupling Entryway to a Radio Fuze

JIAN Xun, ZHANG Xi-jun, XIONG Jiu-liang, YANG Jie

(Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

In order to get the constant wave radiation effect of radio fuze, model A radio fuze is taken as the research object, the fixed-frequency sine wave and sweeping-frequency constant wave radiation tests are carried out. The test results show that: the radiation of constant wave can lead accidental fire of fuze and the fuze is much more sensitive to sweeping-frequency constant wave; the constant wave energy coupling entryway to radio fuze is antenna; the reason of accidental explosion is the autodyne in the fuze works abnormally under the constant wave irradiation.

radio fuze; constant wave radiation effect; energy coupling entryway; accidental explosion; autodyne

1672-1497(2015)06-0044-05

2015-09-13

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

簡(jiǎn) 勛(1990-)，男，碩士研究生。

TJ43+4.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.009