火工品高頻阻抗計(jì)算與仿真分析

趙 團(tuán)，姚洪志，紀(jì)向飛，任 煒

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火工品高頻阻抗計(jì)算與仿真分析

趙 團(tuán)，姚洪志，紀(jì)向飛，任 煒

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

獲得了在1×10-5~20GHz內(nèi)的5個(gè)諧振頻率點(diǎn)，并且理論計(jì)算與仿真結(jié)果基本一致。

電火工品；射頻阻抗；計(jì)算；仿真

火工品射頻阻抗是火工品電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，利用電火工品射頻阻抗，可對(duì)火工品在復(fù)雜電磁環(huán)境場(chǎng)中的射頻電壓、電流、等效天線有效孔徑、射頻功率等進(jìn)行分析計(jì)算，以評(píng)估電火工品的使用安全性，為防射頻電火工品的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)和使用服務(wù)[1]。電火工品可作為終端型器件。對(duì)于終端型器件，在給定的試驗(yàn)頻率上，它具有一個(gè)特定的射頻阻抗，但其值隨著試驗(yàn)頻率的不同而變化，即阻抗是頻率的函數(shù)。電火工品的射頻阻抗還與發(fā)火方式（腳-腳、腳-殼、橋-橋）有關(guān)，針對(duì)不同情況所測(cè)阻抗分別稱電火工品腳-腳發(fā)火方式射頻阻抗，腳-殼發(fā)火方射頻阻抗和橋-橋發(fā)火方式的射頻阻抗[2]。

美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-1512《電起爆的電爆分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)方法》[3]和MIL-STD-1576《航天系統(tǒng)用電爆分系統(tǒng)的安全性要求和試驗(yàn)方法》[4]均提出了電火工品射頻阻抗的測(cè)定方法；我國(guó)國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GJB 5309.12-2004 射頻阻抗測(cè)定[5]規(guī)定了電火工品射頻阻抗的測(cè)定方法。即當(dāng)試驗(yàn)頻率為1~1 800 MHz時(shí)，電火工品射頻阻抗可用射頻阻抗分析儀，采用端口延伸法直接測(cè)量，但要求在測(cè)試延伸端口上進(jìn)行校準(zhǔn)后才能進(jìn)行測(cè)量，并要求測(cè)試頻率與校準(zhǔn)頻率完全相同。該方法檢測(cè)靈敏度高，測(cè)試過程中施加的射頻功率極低（微瓦量級(jí)），不會(huì)影響電火工品本身的性能參數(shù)，而且操作十分安全。

但是，隨著高科技在軍事科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用及其飛速發(fā)展，電磁干擾所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度正在不斷提高，頻帶寬度在不斷增加，某些電磁環(huán)境的頻率已經(jīng)達(dá)到40GHz。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有射頻阻抗分析儀測(cè)量方法已不能滿足現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)火工品的性能測(cè)試要求。因此，本文通過理論分析和仿真模擬的方法對(duì)高頻段的火工品射頻阻抗進(jìn)行了計(jì)算研究，為評(píng)估電火工品在寬頻帶電磁環(huán)境中的安全性提供了分析方法。

1 火工品特性阻抗計(jì)算分析

電熱火工品是現(xiàn)役火工品中使用最廣泛的火工品，主要由腳線、電極塞、橋絲、藥劑（包括起爆藥、傳爆藥、輸出藥）、管殼等組成。通過分析電火工品結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

按照上述傳輸線模型，高頻段電火工品輸入阻抗由兩級(jí)疊加而成：第1部分為電極塞部分，電火工品橋絲作為終端負(fù)載，等效為傳輸介質(zhì)為陶瓷或玻璃的平行線傳輸線；第2部分為腳線輸入端，等效為傳輸介質(zhì)為空氣的平行線傳輸線。

為了計(jì)算方便，本文假設(shè)火工品結(jié)構(gòu)模型中的傳輸線為均勻傳輸線，結(jié)合火工品結(jié)構(gòu)模型參數(shù)（表1），根據(jù)傳輸線理論分布參數(shù)計(jì)算公式計(jì)算各部分的單位分布參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)傳輸線特性阻抗的定義：傳輸線上行波的電壓和行波電流之比稱為傳輸線的特性阻抗，用0表示，其一般表達(dá)式為：

式（1）中：1為傳輸線單位長(zhǎng)度分布電阻，Ω/m；1為傳輸線單位長(zhǎng)度分布電感，H/m；1為傳輸線單位長(zhǎng)度分布電容，F(xiàn)/m；1為傳輸線單位長(zhǎng)度分布電導(dǎo)，S/m。

由式（1）可見特性阻抗通常是個(gè)復(fù)數(shù)，與工作頻率有關(guān)；對(duì)于電火工品，由于其腳線一般采用銅等金屬引線，電導(dǎo)率很大，一般在107S/m量級(jí)，因此，電火工品引線近似于無耗線，此時(shí)1=1=0，式（1）可簡(jiǎn)化為：

（2）

據(jù)此，傳輸線的特性阻抗可由單位長(zhǎng)度分布電容1和分布電感1來計(jì)算。根據(jù)表2所示的火工品分布參數(shù)，計(jì)算的特性阻抗如表3所示。

表1 火工品結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Structure parameter of EED

火工品結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸/mm d0.50 D4.50 S2.10 d14.51 d225.05

表2 單位長(zhǎng)度分布參數(shù)

Tab.2 Distributed parameter per unit length

序號(hào)傳輸線模式單位長(zhǎng)度分布參數(shù)相對(duì)電導(dǎo)率εrvp/c L1C1 d1平行線3.87×10-72.87×10-1130.5 d2平行線8.4×10-71.32×10-1111

注：v為波的相速度，m/s；為光速,3×108m/s。

表3 火工品特性阻抗

Tab.3 Characteristic impedance of EED

特征阻抗Z01Z02 數(shù)值117.61252.26

2 高頻段火工品輸入阻抗計(jì)算

傳輸線上任一點(diǎn)的阻抗in（）定義為該點(diǎn)的電壓與電流之比。阻抗計(jì)算公式表示如下：

根據(jù)電火工品的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立電火工品傳輸線模型，如圖2所示。

利用公式（3）可計(jì)算出電火工品1部分傳輸線模型的輸入阻抗：

式（4）中：01為1部分特性阻抗；Z為電火工品阻抗。

圖2 火工品傳輸線模型

1部分的輸入阻抗作為2部分的負(fù)載阻抗，因此可得：

式（5）中：02為2部分特性阻抗。

對(duì)于大多數(shù)電火工品來說，相當(dāng)于短引線，≈0，這樣火工品傳輸線模型的各部分就可以作為無耗線來處理，對(duì)于無耗線，=0，，th=th()=tg，則公式（4）、（5）可改寫成：

本文通過反應(yīng)熔滲制備的C/C-SiC復(fù)合材料主要由碳纖維、熱解碳、SiC和殘余硅組成，熔滲過程中Si主要滲入針刺結(jié)構(gòu)C/C復(fù)合材料中的網(wǎng)胎層，無緯布層滲入Si較少。低溫反應(yīng)熔滲可得到致密度較高、孔隙率較小的C/C-SiC復(fù)合材料，且熔滲溫度越高，得到的C/C-SiC的密度越高，孔隙率越低，SiC含量越高，殘余硅含量越少。3個(gè)溫度制備的C/C-SiC均表現(xiàn)出“假塑性”斷裂行為，無緯布層碳纖維拔出明顯。熔滲溫度越高，得到的C/C-SiC復(fù)合材料彎曲性能越好，1 550 ℃制備的C/C-SiC1 550彎曲強(qiáng)度最高，達(dá)到136 MPa。

（6）

Z2即電火工品輸入阻抗，是一個(gè)和頻率相對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，假設(shè)端接負(fù)載火工品橋絲阻抗為10?，把參數(shù)帶入該公式，就可得到電火工品輸入阻抗中電阻、電抗和頻率的關(guān)系曲線，如圖3~4所示。

圖3 電火工品輸入阻抗中電阻與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 電火工品輸入阻抗中電抗與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖3~4可以得出在頻率范圍1×10-5~20GHz內(nèi)火工品射頻阻抗值，該范圍內(nèi)共有5個(gè)諧振頻率點(diǎn)，分別為2.115GHz、5.813GHz、10.33GHz、14.72GHz和18.75GHz。

3 仿真分析

按照?qǐng)D1所示的橋絲火工品結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立火工品仿真模型。橋絲火工品電極塞介電常數(shù)為3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/km；火工品橋絲為鎳鉻電阻合金絲，直徑8μm，極距1.6mm，電導(dǎo)率2.8×10-7S/m，磁導(dǎo)率1.26×10-6H/m；火工品腳線材料采用銅，電導(dǎo)率為5.8×10-7S/m，磁導(dǎo)率1.26×10-6H/m，平行線放置方式；激勵(lì)信號(hào)為高頻正弦波。仿真模型如圖5所示。

利用ANSYS ANSOFT HFSS軟件對(duì)火工品輸入阻抗特性進(jìn)行仿真[6]，結(jié)果如圖6~7所示。

圖5 火工品仿真模型

圖6 輸入阻抗電阻部分仿真結(jié)果

圖7 輸入阻抗電抗部分仿真結(jié)果

4 結(jié)論

（1）本文選取典型火工品，通過分析火工品結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，建立了二級(jí)串聯(lián)式火工品射頻阻抗計(jì)算模型，通過計(jì)算每一級(jí)的特征阻抗和輸入阻抗，獲得火工品輸入阻抗和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出在頻率范圍1×10-5~20GHz內(nèi)，該火工品模型的5個(gè)諧振頻率點(diǎn)；

（2）利用ANSOFT HFSS電磁仿真軟件對(duì)火工品輸入阻抗特性進(jìn)行仿真分析，從仿真結(jié)果來看，在頻率范圍1×10-5~20GHz內(nèi)，該火工品模型共有5個(gè)諧振頻率點(diǎn)，并將仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，理論計(jì)算與仿真結(jié)果基本一致。

[1] 封青梅.電火工品射頻發(fā)火機(jī)制及其射頻感度的應(yīng)用簡(jiǎn)介[J]. 火工品,1999(1):51-53.

[2] 李錦榮.電火工品射頻阻抗測(cè)量及其應(yīng)用[J].火工品,1995(3): 11-14.

[3] MIL-HDBK-1512 電起爆的電爆分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)方法[S].美國(guó)國(guó)防部,1997.

[4] MIL-STD-1576 航天系統(tǒng)用電爆分系統(tǒng)的安全性要求和試驗(yàn)方法[S].美國(guó)國(guó)防部,1984.

[5] GJB 5309.12-2004 射頻阻抗測(cè)定 [S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),2004.

[6] John J. Pantoja .Susceptibility of electro-explosive devices to microwave interference[J].Defence Science Journal,2013 (63): 386-392.

The Calculation and Simulation on High Frequency Impedance of EED

ZHAO Tuan，YAO Hong-zhi，JI Xiang-fei，REN Wei

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061)

To evaluate the safety of EED in the electromagnetic environment with broad frequency band, by the means of calculation and simulation, the frequency impedance of some typical EED was studied. The study indicated that there were five resonant frequency points in 1×105~20GHz frequency range, as well as the simulation is consistent with the calculation.

EED；RF impedance；Calculation；Simulation

TJ450.2

A

2015-10-23

趙團(tuán)（1980 -），男，高級(jí)工程師，主要從事火工品電磁環(huán)境效應(yīng)評(píng)估與試驗(yàn)研究。