火工品高頻段射頻阻抗測試技術(shù)?

趙 團 姚洪志 紀向飛 王可暄陜西應用物理化學研究所應用物理化學國家級重點實驗室（陜西西安，710061）

火工品高頻段射頻阻抗測試技術(shù)?

趙 團 姚洪志 紀向飛 王可暄
陜西應用物理化學研究所應用物理化學國家級重點實驗室（陜西西安，710061）

為測量高頻段火工品射頻阻抗，根據(jù)火工品腳線和矢量網(wǎng)絡分析儀的結(jié)構(gòu)特點，設計了火工品專用連接夾具，實現(xiàn)了同軸和平行線的有效連接。并對夾具引入的測量誤差進行了修正計算，建立了基于矢量網(wǎng)絡分析儀的高頻段火工品射頻阻抗測試系統(tǒng)。利用此系統(tǒng)，測量了火工品1～18 GHz范圍內(nèi)的射頻阻抗，共出現(xiàn)了5個諧振點，在諧振點火工品從電磁環(huán)境中吸收的能量最大，為評價火工品在電磁環(huán)境中的安全性提供了數(shù)據(jù)支撐。

火工品；射頻阻抗；測試；去嵌入

引言

火工品（EED）是武器彈藥和裝備的重要組成部分，廣泛應用于武器毀傷系統(tǒng)的起爆與傳爆，發(fā)射與推進系統(tǒng)的點火、傳火與延期等方面。現(xiàn)代戰(zhàn)場中，復雜電磁環(huán)境已經(jīng)成為一種常態(tài)。作為武器系統(tǒng)中最敏感的裝置，在生產(chǎn)、運輸、使用、儲存過程中，火工品的兩根腳線可作為偶極子或單極天線，從環(huán)境電磁場中吸收射頻能量，造成火工品性能降低甚至完全失效（瞎火）。因此，火工品電磁環(huán)境中的安全性也越來越受到人們的重視。

射頻阻抗是評估火工品電磁環(huán)境安全性的重要參數(shù)，其值是頻率的函數(shù)，隨著試驗頻率的不同而變化。利用火工品射頻阻抗分析，計算火工品在復雜電磁環(huán)境場中的諧振頻率、響應規(guī)律，對評價火工品電磁危害具有重要的意義。只有了解和掌握了火工品在電磁環(huán)境中的敏感頻率，才能采取正確的防護措施，保證火工品工業(yè)電雷管在射頻環(huán)境下使用的安全性［1］。

火工品射頻阻抗可使用射頻阻抗分析儀、矢量網(wǎng)絡分析儀等儀器測量。射頻阻抗分析儀試驗頻率范圍有限，測量范圍為1～1 800 MHz。但是，隨著衛(wèi)星通訊、搜索雷達、跟蹤雷達等超高頻裝備在戰(zhàn)場上的使用，戰(zhàn)場電磁環(huán)境的帶寬已經(jīng)變得越來越寬，射頻阻抗分析儀已不能滿足現(xiàn)代復雜電磁環(huán)境對火工品射頻阻抗測試要求。因此，現(xiàn)階段開展高頻段（1～18 GHz）火工品射頻阻抗的測試技術(shù)研究是十分迫切的。

1 測試系統(tǒng)

在現(xiàn)代測試技術(shù)中，二端口或四端口網(wǎng)絡的性能測試一般選用矢量網(wǎng)絡分析儀進行［2］?；鸸て纷鳛槎丝诰W(wǎng)絡，在高頻段，火工品射頻阻抗是分布參數(shù)，其值與傳輸線上電磁波的入射和反射緊密相關。S參數(shù)通常用來描述二端口網(wǎng)絡之間輸入和輸出關系，通過測量火工品S參數(shù)，就可計算出火工品射頻阻抗［3］。S參數(shù)與輸入阻抗的關系為

式中:Zi是輸入阻抗；Z0是測量系統(tǒng)特征阻抗；Sd是被測件S參數(shù)。

火工品腳線狀態(tài)一般為平行線，具有差分端口的特征［4］。而矢量網(wǎng)絡分析儀輸出端為同軸接口，為了完成火工品S參數(shù)的測量，通過研制同軸轉(zhuǎn)平行線連接夾具，建立了基于矢量網(wǎng)絡分析儀的火工品高頻射頻阻抗測試系統(tǒng)，如圖1所示。

采用安捷倫的N5230型矢量網(wǎng)絡分析儀，頻率范圍為10.0 kHz～26.5 GHz。矢量網(wǎng)絡分析儀和EED之間采用圖2所示的夾具來連接。夾具采用層級傳輸線模型，包含同軸段和平行線兩部分。同軸段由兩個SMA接頭和兩節(jié)同軸電纜組成，SMA陰頭可以連接到矢量網(wǎng)絡分析儀端口，兩節(jié)同軸電纜間距逐步變少，達到被測火工品輸入腳線要求的間距，末端把外導體焊接起來。平行線部分采用SMA內(nèi)導體，可以直接和EED插拔，提高了測試的便捷性和電連接特性。

2 夾具去嵌

由于夾具的嵌入使用，導致矢量網(wǎng)絡分析儀的校準面和被測件EED的測量面不在同一個平面上，矢量網(wǎng)絡分析儀的測試數(shù)據(jù)包括EED的測試結(jié)果和夾具引入的測試誤差。為了去除夾具對測量結(jié)果帶來的影響，必須對矢量網(wǎng)絡分析儀的測量數(shù)據(jù)進行后處理，即夾具的去嵌，從而得到EED的真實結(jié)果。測試系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

從測試系統(tǒng)可知，矢量網(wǎng)絡分析儀測量的S參數(shù)由夾具和EED兩個二端口網(wǎng)絡S參數(shù)級聯(lián)而成，由于在處理級聯(lián)二端口網(wǎng)絡時，S參數(shù)不便于計算，而使用傳輸散射矩陣（T）方便快捷［5］。

二端口網(wǎng)絡S參數(shù)的定義為

T參數(shù)的定義為

則S參數(shù)和T參數(shù)的轉(zhuǎn)換關系為

在T參數(shù)模型下，夾具的T參數(shù)等效為同軸部分的T參數(shù)和平行傳輸線部分的T參數(shù)。因此，測量結(jié)果T參數(shù)TM和同軸部分T參數(shù)TC、平行傳輸線部分T參數(shù)TP、EED部分T參數(shù)TEED的關系為

對于任意的矩陣，在其存在逆矩陣的情況下，均存在如下關系:

由式（6）和式（7）可得:

從式（8）可知，如果知道同軸部分和平行傳輸線部分T參數(shù)，就可計算火工品的T參數(shù)［6］。根據(jù)微波傳輸線理論，傳輸線的特征阻抗為Zc，則其S參數(shù)為

式中:Ds=2Z0Zcchγl+（Z2c+Z20）shγl；Z0是矢量網(wǎng)絡分析儀的特征阻抗；γ是線的復傳播常數(shù)；l是線的長度。利用此公式，下面將分別計算兩部分的S參數(shù)。

1）同軸部分。

同軸電纜和矢量網(wǎng)絡分析儀的特征阻抗都是50 Ω。因此，這部分的S參數(shù)僅僅取決于傳輸損耗和相位變化。當每個同軸電纜端接短路線，通過測量它們的反射系數(shù)，就可計算其S參數(shù)。

2）平行線部分。

由于平行線部分為短線，可視為無耗線。在式（9）中唯一未知的是這部分的特征阻抗，其值可用式（10）來計算［7］:

式中:sp為腳線之間的間距；dp為腳線的直徑；μ0為真空磁導率，4π×10-7H/m；ε0為真空介電常數(shù)，1/36π×10-9F/m。

通過測量夾具，知sp=2.6 mm，dp=1.0 mm。按式（10）計算結(jié)果為193.8 Ω。夾具的特征參數(shù)如表1所示。

表1　夾具特征參數(shù)Tab.1 Characterization parameter of adapter

3 測試

火工品高頻段射頻阻抗測試系統(tǒng)如圖4所示。所用樣品為橋絲式火工品（未裝藥），橋絲為鎳鉻電阻合金絲，直徑8 μm，橋距2.6 mm，電阻10 Ω，腳線長25 mm，樣品如圖5所示。

測量步驟如下:

1）分別計算夾具同軸部分和平行線部分的S參數(shù)SC和SP；

2）校準網(wǎng)絡分析儀，用夾具連接被測火工品到矢量網(wǎng)絡分析儀，測量夾具和火工品的S參數(shù)SM；

3）將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為T參數(shù):TC、TP、TM，計算TC、TP的逆矩陣T-1C、T-1P，用式（8）計算修正的T參數(shù)，得到被測火工品的T參數(shù)TEED；

4）將被測火工品的T參數(shù)TEED轉(zhuǎn)換為S參數(shù)SEED；

5）利用式（1），計算被測火工品輸入阻抗。

為了精確測量，測量必須在電磁環(huán)境干擾較小的場所進行，測量和校準時必須保持在同一個面上。火工品高頻段S參數(shù):S11、S12、S21、S22測試結(jié)果如圖6所示。

從結(jié)果可以看出，在13～18 GHz頻段，S11和S22參數(shù)不相等，為了減少夾具不對稱造成的影響，Sd參數(shù)可用下面公式計算:

利用S參數(shù)，按照上述測量步驟就可得到火工品高頻段射頻阻抗，其計算結(jié)果如圖7和圖8所示。

火工品射頻阻抗的電阻部分R，可用于火工品等效天線有效孔徑Ae的計算。對于未接入武器裝置的火工品，在腳-腳發(fā)火方式時，Ae為［8-9］

式中:L為腳線長度；d為腳線間距；λ為波長；R為射頻阻抗電阻分量。

進入系統(tǒng)的射頻功率為

圖7、圖8可知，在測試頻率范圍內(nèi)，出現(xiàn)了2.85、7.24、10.10、13.25 GHz和18.00 GHz共5個諧振點，此時的射頻功率P最大。如果P小于火工品最大不發(fā)火射頻功率，則該火工品在電磁環(huán)境中是絕對安全的［10］。因此，火工品射頻阻抗是很有用的安全性能參數(shù)。

4 結(jié)論

1）通過設計火工品射頻阻抗測試夾具，建立了高頻段火工品射頻阻抗測試系統(tǒng)，測量了1～18 GHz火工品射頻阻抗，為高頻段火工品射頻阻抗的測量提供了一種新的測試方法。

2）從測量結(jié)果可知，在整個頻率范圍內(nèi)，共出現(xiàn)了5個諧振點，在諧振點，火工品吸收的功率最大，為評價火工品在電磁環(huán)境中的安全性提供了數(shù)據(jù)支撐。

［1］ 王可暄，白穎偉，任煒，等.電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下響應規(guī)律［J］.含能材料，2012，20（5）:610-613.WANG K X，BAI Y W，REN W，et al.Response rule of hot-wire EED in continuous electromagnetic environment ［J］.Energetic Material，2012，20（5）:610-613.

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Test Technique of RF Impedance of EED in High Frequency

ZHAO Tuan，YAO Hongzhi，JI Xiangfei，WANG Kexuan
National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute（Shaanxi Xi'an，710061）

To measure RF impedance of EED in high frequency band，the special adapter was designed to connect coaxial cable and EED according to the configuration feature of EED and vector network analyzer.Error from the adapter was calculated and corrected，and the measurement system of EED RF impedance was built on the base of vector network analyzer.Using this system，RF impedance of EED from 1-18 GHz was measured.In the results，there appear five resonance points，and energy of EED absorbed from electromagnetic environment is the biggest at these points，which can afford data support to evaluate the safety of EED in electromagnetic environment.

initiating explosive devices（EED）；radiated frequency（RF）impedance；measurement；de-embedding

TJ450.6

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.013

2015-11-11

國防科技重點實驗室研究基金戰(zhàn)略投入性項目（20151026）；國家重大科學儀器設備開發(fā)專項（2011YQ13001904）

趙團（1980-），男，高工，主要從事火工品電磁環(huán)境效應研究。E-mail:zhaotuan213@sina.com