毫米波近炸探測(cè)器超寬帶電磁脈沖防護(hù)加固措施研究

陳凱柏，劉少華，畢軍建，高敏，周曉東

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) a.導(dǎo)彈工程系 b.電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 c.彈藥工程系，石家莊 050003；2. 陸軍裝備部，北京 100089）

無(wú)線電引信通過(guò)無(wú)線電波獲取目標(biāo)信息，能夠在預(yù)定位置起爆，被稱為是現(xiàn)代武器系統(tǒng)終端效能的倍增器[1-3]。毫米波引信由于具有定距精度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被視為無(wú)線電引信發(fā)展的重點(diǎn)[4]。然而，毫米波引信包含大量電子元器件，特別是引信近炸探測(cè)器，往往由高度集成的電路結(jié)構(gòu)或芯片組成，在超寬帶電磁脈沖輻照下易受干擾，嚴(yán)重影響彈藥毀傷效能。因此，亟需開(kāi)展相關(guān)研究切實(shí)提高近炸探測(cè)器的電磁防護(hù)能力[5]。

引信的超寬帶輻照效應(yīng)機(jī)理是防護(hù)加固技術(shù)研究的前提，相關(guān)研究成果集中在仿真分析[6-14]和試驗(yàn)研究[15-25]2 個(gè)方面。文獻(xiàn)[6]研究了引信殼體對(duì)電磁脈沖的屏蔽效能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了殼體的防護(hù)效果。文獻(xiàn)[7]建立了引信殼體及其電路板模型，分析了電磁脈沖與殼體孔縫的耦合規(guī)律。文獻(xiàn)[8-9]建立了引信貼片天線模型和射頻前端電路，對(duì)前門耦合通道進(jìn)行了詳盡分析。文獻(xiàn)[10]對(duì)地雷引信內(nèi)部線纜建模，計(jì)算了超寬帶環(huán)境下的線纜感應(yīng)電流，驗(yàn)證了屏蔽盒的屏蔽效果。文獻(xiàn)[11]利用電磁拓?fù)淅碚摲治隽穗姶琶}沖和微帶線耦合效應(yīng)，其研究結(jié)果可為引信的電磁脈沖耦合響應(yīng)分析提供一定參考。文獻(xiàn)[12]通過(guò)仿真軟件，對(duì)某引信配用彈體的諧振頻點(diǎn)、耦合增強(qiáng)區(qū)域等進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]研究了在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下引信腔體的屏蔽效能，通過(guò)仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖上升時(shí)間對(duì)限幅器泄漏電壓峰值的影響最大。文獻(xiàn)[14]利用多物理場(chǎng)分析軟件，對(duì)電點(diǎn)火頭的主要組成器件N 型晶體管的電磁損傷機(jī)理進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[15-18]通過(guò)輻照試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超寬帶電磁脈沖可通過(guò)后門耦合進(jìn)入引信電源模塊，導(dǎo)通執(zhí)行電路中的晶閘管，使引信意外發(fā)火，并通過(guò)加入電感的方法增強(qiáng)了執(zhí)行電路的抗干擾能力。文獻(xiàn)[15,19]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超寬帶電磁脈沖可通過(guò)后門耦合作用干擾無(wú)線電引信的正常工作，執(zhí)行電路是引信的敏感部位，脈沖的脈寬越窄，對(duì)執(zhí)行電路的影響越大，該結(jié)論與文獻(xiàn)[13]中的仿真結(jié)果相似。對(duì)執(zhí)行電路加固后，引信的效應(yīng)閾值顯著增強(qiáng)。文獻(xiàn)[20-23]發(fā)現(xiàn)超寬帶電磁脈沖可直接作用于引信天線和圓柱屏蔽腔體，或是通過(guò)彈體耦合引起共地電位的不正常波動(dòng)，使引信發(fā)火。文獻(xiàn)[24]對(duì)某引信近炸探測(cè)器進(jìn)行了輻照試驗(yàn)，確定了探測(cè)器的最敏感姿態(tài)，但是并未對(duì)引信的發(fā)火原因做進(jìn)一步分析。

總結(jié)以上文獻(xiàn)可知，目前成果多以分米波和米波引信為研究對(duì)象，對(duì)毫米波引信的超寬帶電磁脈沖效應(yīng)研究不足。對(duì)引信執(zhí)行電路研究充分，提出了可行的防護(hù)措施，但對(duì)近炸探測(cè)器的輻照效應(yīng)機(jī)理和防護(hù)加固研究不足。因此，本文以毫米波引信近炸探測(cè)器為研究對(duì)象，通過(guò)輻照試驗(yàn)明確了其輻照效應(yīng)及受損部位，并提出針對(duì)性加固措施，大幅提高了受試探測(cè)器的效應(yīng)閾值，有效降低了其效應(yīng)等級(jí)。研究結(jié)論可為毫米波引信的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 輻照試驗(yàn)裝置

輻照試驗(yàn)裝置如圖1 所示。試驗(yàn)時(shí)，超寬帶輻照源正對(duì)受試探測(cè)器及配彈發(fā)射電磁脈沖，探測(cè)器的觸發(fā)信號(hào)輸出端通過(guò)同軸屏蔽線纜和光纖轉(zhuǎn)換器連接至示波器。彈體旁放置場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)天線，用以記錄每次發(fā)射的脈沖波形。為保護(hù)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，同時(shí)也避免超寬帶脈沖信號(hào)因?yàn)榉瓷湓斐少|(zhì)量下降，試驗(yàn)在室外開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行。

圖1 輻照試驗(yàn)裝置組成Fig.1 Composition of irradiation test setup

超寬帶輻照源的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由控制系統(tǒng)、脈沖功率源和拋物面天線3 部分組成。其中，脈沖功率源是產(chǎn)生電磁脈沖的關(guān)鍵部分。儲(chǔ)能電源充電完畢后，控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，對(duì)脈沖變壓器放電，繼而在脈沖形成線上形成初級(jí)脈沖。初級(jí)脈沖由火花隙開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)化為超寬帶強(qiáng)電磁脈沖，通過(guò)拋物面天線向外發(fā)射。

圖2 超寬帶輻照源結(jié)構(gòu)Fig.2 Composition of the ultra-wideband source generator

利用場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)天線對(duì)輻照?qǐng)鰪?qiáng)進(jìn)行測(cè)試，場(chǎng)強(qiáng)隨距離的變化關(guān)系如圖3 所示?？梢钥闯?，脈沖最大輻照?qǐng)鰪?qiáng)可達(dá)436 kV/m。試驗(yàn)中，該輻照源可產(chǎn)生水平傳播、垂直極化的超寬帶電磁脈沖，脈沖上升前沿小于1 ns，脈沖寬度約為5 ns，能量集中在500 MHz 內(nèi)。

圖3 輻照?qǐng)鰪?qiáng)–距離關(guān)系曲線Fig.3 Relation of radiation field strength to distance

1.2 受試探測(cè)器工作原理

受試探測(cè)器電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。探測(cè)器工作時(shí)，信號(hào)處理模塊向鎖相環(huán)回路發(fā)送同步控制信號(hào)，控制其產(chǎn)生周期調(diào)頻信號(hào)，再由倍頻器將該信號(hào)變換至毫米波段。在定向耦合器的作用下，毫米波信號(hào)一部分作為本振信號(hào)，另一部分作為天線發(fā)射信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)濾波混頻放大后，送至信號(hào)處理模塊，經(jīng)算法處理獲取彈目距離信息。當(dāng)距離達(dá)到預(yù)設(shè)門限值時(shí)，探測(cè)器輸出觸發(fā)控制信號(hào)。

圖4 受試探測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of detector under test

1.3 試驗(yàn)方法

前期試驗(yàn)現(xiàn)象表明，受試探測(cè)器在豎直狀態(tài)下最易受到干擾，超寬帶電磁脈沖對(duì)非加電無(wú)線電引信沒(méi)有影響[15]。因此，本文僅對(duì)加電探測(cè)器的輻照效應(yīng)進(jìn)行研究，受試姿態(tài)為豎直狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，定義效應(yīng)等級(jí)為以下3 類：0 級(jí)，無(wú)任何影響；1 級(jí)，探測(cè)器出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，能夠通過(guò)設(shè)備重啟恢復(fù)；2 級(jí)，探測(cè)器在輻照后出現(xiàn)探測(cè)失效，不能輸出觸發(fā)信號(hào)，該現(xiàn)象無(wú)法通過(guò)設(shè)備重啟恢復(fù)。輻照試驗(yàn)方法如下：

1）按文獻(xiàn)[22]中所述方法改裝受試探測(cè)器，使其能與配彈裝配，測(cè)試探測(cè)器是否能夠正常工作。

2）測(cè)試受試探測(cè)器的工作狀態(tài)，將受試探測(cè)器與配彈置于輻照?qǐng)鲋校瑢⒏餮b置放置在相應(yīng)位置處。

3）連接各個(gè)裝置，通過(guò)配彈內(nèi)的電源對(duì)探測(cè)器加電。不斷調(diào)整脈沖發(fā)射參數(shù)和探測(cè)器受試距離，每次試驗(yàn)后測(cè)試探測(cè)器的工作狀態(tài)，觀察示波器的顯示情況。

4）記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析失效機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)2 枚相同的探測(cè)器A、B 進(jìn)行試驗(yàn)，分別使用單脈沖、5 Hz/1 s、25 Hz/1 s、25 Hz/5 s、25 Hz/10 s各5 次的觸發(fā)方式進(jìn)行輻照試驗(yàn)，記錄效應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)象。探測(cè)器A B 的效應(yīng)等級(jí)如圖5 所示?？梢钥闯觯谪Q直狀態(tài)下，該探測(cè)器的效應(yīng)閾值在50～80 kV/m。在超寬帶電磁脈沖輻照下，探測(cè)器A 一共出現(xiàn)死機(jī)和硬損傷2 種輻照效應(yīng)現(xiàn)象，其中死機(jī)現(xiàn)象可以通過(guò)設(shè)備重啟恢復(fù)。當(dāng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)達(dá)到436 kV/m 時(shí)，探測(cè)器A 在輻照后出現(xiàn)探測(cè)失效，在有目標(biāo)時(shí)無(wú)法輸出觸發(fā)信號(hào)，且該現(xiàn)象為不可恢復(fù)現(xiàn)象。將探測(cè)器A靜置1 h 后，測(cè)試其工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)探測(cè)器A 仍無(wú)法輸出控制信號(hào)，多次進(jìn)行設(shè)備重啟仍未恢復(fù)，這說(shuō)明受試探測(cè)器可能出現(xiàn)硬損傷。為保存試驗(yàn)樣本，未對(duì)探測(cè)器B 進(jìn)行更高強(qiáng)度的輻照試驗(yàn)。

圖5 效應(yīng)等級(jí)Fig.5 Effect level of detector A and B

2.2 損傷節(jié)點(diǎn)分析

為確定探測(cè)器的損傷部位，對(duì)探測(cè)器A 進(jìn)行損傷節(jié)點(diǎn)分析。從結(jié)構(gòu)上看，探測(cè)器需要接收到來(lái)自信號(hào)處理模塊的同步控制信號(hào)才能輸出觸發(fā)信號(hào)。同步控制信號(hào)決定了掃頻周期的變換，在下發(fā)同步控制信號(hào)時(shí)，中頻輸出信號(hào)可以觀察到明顯的突變（如圖6中虛線圈標(biāo)記）。因此，首先測(cè)試同步控制信號(hào)和中頻輸出信號(hào)，判斷信號(hào)處理模塊和射頻回路的功能是否正常。

圖6 正常狀態(tài)下同步控制信號(hào)與中頻輸出信號(hào)Fig.6 Synchronous control signal and intermediate frequency output signal in normal state

探測(cè)器A 的同步控制信號(hào)和中頻輸出信號(hào)如圖7所示?？梢钥闯?，信號(hào)處理模塊可以正常下發(fā)同步控制信號(hào)，未受到輻照損傷。當(dāng)控制信號(hào)下發(fā)時(shí)，中頻輸出信號(hào)沒(méi)有觀察到明顯突變（如圖7 中虛線圈標(biāo)記信號(hào)），這說(shuō)明在射頻回路中存在損傷節(jié)點(diǎn)，干擾了信號(hào)處理的正常流程。

圖7 探測(cè)器A 的同步控制信號(hào)與中頻輸出信號(hào)Fig.7 Synchronous control signal and intermediate frequency output signal of detector A

為找出損傷節(jié)點(diǎn)，使用函數(shù)發(fā)生器和示波器測(cè)試探測(cè)器A 的中頻電路。由于中頻輸入由相差為90°的2 路IQ 信號(hào)組成，所以需要設(shè)置函數(shù)發(fā)生器同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。示波器上觀察到的中頻電路輸出信號(hào)如圖8 所示。從圖8 中可以看出，中頻輸出雖然存在削頂現(xiàn)象，但是輸出波形與輸入波形基本保持一致，說(shuō)明中頻電路未受到輻照損傷。

圖8 中頻電路輸出信號(hào)Fig.8 Intermediate frequency circuit output signal

由于探測(cè)器的射頻芯片集成了收發(fā)天線和接收鏈路，所以難以對(duì)低噪聲放大器、混頻器等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。但是，射頻芯片上留有測(cè)試節(jié)點(diǎn)，在芯片正常工作時(shí)，該節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)到頻率約為1 GHz 的射頻信號(hào)。使用頻譜儀測(cè)試該節(jié)點(diǎn)信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。可以看出，在1.08 GHz 處有一個(gè)明顯譜峰，這說(shuō)明射頻芯片未受到輻照損傷。

圖9 射頻測(cè)試節(jié)點(diǎn)信號(hào)Fig.9 Radio frequency test node signal

由于鎖相環(huán)回路輸出信號(hào)在毫米波段，現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備無(wú)法直接測(cè)量，所以只對(duì)回路中的晶振輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10 所示?？梢钥闯?，晶振輸出信號(hào)穩(wěn)定，未受到輻照損傷。

圖10 晶振輸出信號(hào)Fig.10 Crystal oscillator output signal

2.3 效應(yīng)機(jī)理分析

文獻(xiàn)[15]中研究結(jié)果表明，脈沖能量可能通過(guò)以下幾種途徑耦合進(jìn)入受試探測(cè)器：通過(guò)天線進(jìn)入受試探測(cè)器，導(dǎo)致探測(cè)器硬損傷；通過(guò)殼體上的孔縫進(jìn)入彈體內(nèi)部，導(dǎo)致探測(cè)器硬損傷；通過(guò)彈體直接耦合并作用于共地回路，繼而將電壓波動(dòng)傳導(dǎo)至探測(cè)器；通過(guò)未屏蔽的探測(cè)器頂部進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)部，瞬態(tài)場(chǎng)直接作用于敏感部位，導(dǎo)致探測(cè)器硬損傷。

針對(duì)第1 種假設(shè)，試驗(yàn)用超寬帶電磁脈沖的頻率主要在2 GHz 內(nèi)，而受試探測(cè)器的工作頻率遠(yuǎn)高于輻照信號(hào)頻率范圍。此外，探測(cè)器視軸與彈體軸線一致，而前期試驗(yàn)表明，受試探測(cè)器與配彈在豎直狀態(tài)下效應(yīng)等級(jí)最高，此時(shí)貼片天線收發(fā)電磁波的極化方向與脈沖極化方向垂直，接收的能量應(yīng)為最小值。若天線為能量的主要耦合通道，豎直狀態(tài)下受試探測(cè)器的效應(yīng)等級(jí)應(yīng)該最低。因此，天線并非能量耦合的主要通道。

針對(duì)第2 種假設(shè)，根據(jù)孔縫耦合理論可知[7]，當(dāng)縫隙尺寸不大于波長(zhǎng)的1/8 時(shí)，耦合能量可忽略不計(jì)。發(fā)射脈沖能量集中在 500 MHz 內(nèi)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為600 mm，而探測(cè)器與配用彈體由螺紋緊密連接，周身并無(wú)明顯縫隙，因此認(rèn)為孔縫不是主要耦合通道。

針對(duì)第3 種假設(shè)，結(jié)合前期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)受試探測(cè)器與配彈在豎直狀態(tài)下的效應(yīng)等級(jí)最高。由于試驗(yàn)用超寬帶電磁脈沖為垂直極化波，若將探測(cè)器腔體及彈體整體視為“接收天線”，能量有可能通過(guò)共地回路進(jìn)入受試探測(cè)器，導(dǎo)致其損傷。為明確耦合路徑，基于該假設(shè)設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)，使用銅箔貼紙完整包裹引信風(fēng)帽，使其形成金屬屏蔽層。以探測(cè)器B 為受試對(duì)象，將其與配用彈體以豎直姿態(tài)置于輻照?qǐng)鰞?nèi)。將屏蔽風(fēng)帽安裝在探測(cè)器B 頂部，而后進(jìn)行輻照試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，示波器端未觀察到觸發(fā)信號(hào)。輻照試驗(yàn)后，對(duì)探測(cè)器B 進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其未出現(xiàn)死機(jī)或是硬損傷等效應(yīng)現(xiàn)象，這說(shuō)明配用彈體不是超寬帶能量的主要耦合通道。

針對(duì)第4 種假設(shè)，探測(cè)器感知目標(biāo)需要發(fā)射和接收電磁波，為了提高回波信號(hào)質(zhì)量，探測(cè)器頂部一般設(shè)置天線窗口。在輻照試驗(yàn)時(shí)，探測(cè)器頂部電路完全暴露在輻照?qǐng)鲋?，可能?dǎo)致敏感元器件損傷。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果和分析可知，超寬帶電磁脈沖主要通過(guò)后門耦合作用于受試探測(cè)器，暴露在輻照?qǐng)鱿碌纳漕l電路和探測(cè)器頂部的天線窗口是能量的主要耦合通道。探測(cè)器在輻照下會(huì)出現(xiàn)死機(jī)和硬損傷2種效應(yīng)現(xiàn)象，損傷部位為鎖相環(huán)回路。

3 防護(hù)加固措施及驗(yàn)證

基于以上分析，對(duì)受試探測(cè)器采取針對(duì)性加固措施：改進(jìn)受試探測(cè)器的電路結(jié)構(gòu)，除射頻集成芯片外，其余電路部分均放置于射頻板的背面；對(duì)探測(cè)器中所用的電容電阻等敏感器件重新選型，在不影響精度的情況下，盡量提高傳輸信號(hào)的頻帶動(dòng)態(tài)范圍；將探測(cè)器內(nèi)的普通高溫連接線更換為同軸屏蔽線，進(jìn)一步降低耦合能量。

由于選用的射頻芯片集成了收發(fā)天線，因此無(wú)法將射頻芯片移至背面。通過(guò)以上改進(jìn)措施，射頻板上的部分敏感電路能夠避免脈沖直接輻射，增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性。將傳輸線更換為同軸屏蔽線后，不僅減少了外部輻射耦合干擾，同時(shí)也降低了探測(cè)器內(nèi)部的傳導(dǎo)耦合干擾。采取加固措施后，雖然增加了探測(cè)器天線與射頻部分之間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，一定程度上降低了信號(hào)傳輸質(zhì)量，但是在測(cè)試中該探測(cè)器仍能滿足精度要求。

對(duì)改進(jìn)后的探測(cè)器C 進(jìn)行測(cè)試，其效應(yīng)等級(jí)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1?？梢钥闯?，加固后探測(cè)器的抗干擾能力顯著增強(qiáng)，無(wú)論是哪種觸發(fā)方式，都未能使探測(cè)器C 出現(xiàn)效應(yīng)現(xiàn)象。

表1 探測(cè)器C 效應(yīng)等級(jí)數(shù)據(jù)Tab.1 Effect level data of detector C

4 結(jié)論

本文結(jié)合試驗(yàn)和理論分析，研究了毫米波近炸探測(cè)器的超寬帶電磁脈沖輻照效應(yīng)機(jī)理，確定了探測(cè)器的損傷部位，并據(jù)此提出了相應(yīng)的加固措施。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，探測(cè)器的防護(hù)能力有較大提升。由此得出以下主要結(jié)論：

1）受試毫米波探測(cè)器在超寬帶電磁脈沖輻照下會(huì)出現(xiàn)死機(jī)和硬損傷2 種效應(yīng)現(xiàn)象，其中死機(jī)現(xiàn)象可以通過(guò)重啟恢復(fù)，硬損傷現(xiàn)象為不可恢復(fù)現(xiàn)象.

2）受試探測(cè)器的損傷部位為鎖相環(huán)回路，探測(cè)器未屏蔽的射頻電路是超寬帶能量的主要耦合通道。

3）根據(jù)失效機(jī)理，提出針對(duì)性防護(hù)加固措施，結(jié)果表明，改進(jìn)后探測(cè)器的抗干擾能力顯著提高。