正弦波輻照對無線電引信的作用機理研究

費支強 魏光輝 耿利飛

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

1.引 言

無線電引信的出現是引信發展史上的一次重大技術革命,它利用目標回波所攜帶的位置、速度等信息確認目標,比觸發引信更能有效地發揮彈丸對目標的毀傷效能,被稱為是現代武器系統終端效能的倍增器,它的主要缺點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)在現代引信中的廣泛應用和戰場電磁環境的日趨復雜,無線電引信戰斗效能的發揮受到嚴重威脅[2]。引信電磁環境效應問題的研究已成為引信抗干擾研究新的發展方向,世界各軍事強國都制訂了引信方面的有關軍標,以確保引信在電磁環境中的安全性和可靠性[3-4]。

軍械工程學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]強電磁源對無線電引信的電磁輻照效應與相應防護措施。但是連續波是構成復雜電磁環境的最普遍的電磁波,無線電引信在其全壽命過程中時刻都受到各種頻率連續波的輻照威脅,而等幅正弦波是最基本的連續波,研究其對無線電引信的輻照效應,分析確定能量耦合通道和作用機理,對提出復雜電磁環境中降低無線電引信意外發火、瞎火概率的防護對策,為新型引信研制和現役引信改造提供電磁防護技術保障,從根本上增強我軍無線電引信的抗電磁毀傷能力,具有重大意義。

2.實驗裝置與方法

所用實驗裝置有：SMR20微波信號發生器、200T1G3AM5功率放大器、雙通道功率計、喇叭天線、EMR-200電磁輻射場強測試儀及TDS7404B數字存儲示波器等。信號發生器產生一定頻率的等幅正弦波信號,用200T1G3AM5功率放大器進行功率放大,通過雙向耦合器由喇叭天線輻射等幅正弦波,對被試無線電引信進行輻照。通過調節信號發生器的輸出電平、功率放大器的增益倍數或被試無線電引信與輻射天線之間的距離,可以任意調節輻照強度。電磁輻射場強測試儀用來測量引信的輻照強度,示波器用來觀測引信發火信號、執行級電路控制電位及檢波電壓,通過上述數據及現象來分析研究被試無線電引信的輻照效應。

輻照實驗結果表明[8]：輻射場強低于200 V/m的等幅正弦波輻照對無線電引信的勤務處理安全性沒有影響,不會對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的引信意外發火,輻照頻率不同,發火場強不同;彈體軸線與輻射場傳播方向一致,自差機天線兩個管腳連線與輻射場電場方向一致時,被試無線電引信對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,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,引信意外發火時輻射場強較小,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火作用機理時,實驗中將引信按能量最佳耦合方向放置,選擇引信發火敏感頻點輻照頻率進行研究,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

電磁能量對設備的耦合方式有兩種：傳導耦合和輻射耦合。傳導耦合必須在干擾源和敏感設備之間有完整的電路連接,干擾信號沿著這個連接電路傳遞到敏感設備;輻射耦合是通過空間電磁場的耦合[9]。顯然,這里研究的正弦波能量對無線電引信的耦合方式屬于輻射耦合。當孔縫的尺寸大于入射電磁波波長的1/8時,入射電磁波90%以上的能量都可以通過孔縫耦合進入系統內部[10]。

實驗用引信主要組成部分包括防潮帽、環天線、高頻電路、低頻電路、裝定環、電源模塊、引信體等。引信防潮帽為非金屬材質,這種材料使引信天線暴露于電磁環境中,連續波能量可以通過天線接收而進入引信電路。被試引信在空中飛行時依靠流經頂部進氣道的高速氣流推動渦輪發電機工作,因此高頻組件和低頻組件均被頂部進氣道貫穿,電磁波能量可通過頂部進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孔,電磁波能量能夠通過該孔進入引信殼體內。渦輪發電機位于引信頂部進氣道內,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,暴露于電磁場中可能會在彈體上耦合出較大的電流和感應電動勢,通過共地連接的地線進入引信工作電路。通過以上引信結構的分析得出連續波輻照對無線電引信的能量耦合通道可能有：天線、彈體、電源模塊、裝定環孔和頂部進氣道。

實驗選用5發各項參數正常的引信,對其正常狀態和屏蔽電源模塊、屏蔽裝定環孔和頂部進氣道、去掉彈體、改變自差機天線參數(將自差機天線一個管腳焊掉,與自差機高頻電路板離開一定距離,目的是改變高頻電路選頻網絡中的電容值)兩種情況,分別在選擇的敏感輻照頻點,進行輻照實驗,測量引信意外發火時輻射場強。5發實驗數據規律相似,取其中1發實驗結果進行分析,如表1所示。

表1 能量耦合通道實驗結果

分析實驗結果數據可以看出：(1)屏蔽電源模塊、屏蔽裝定環孔和頂部進氣道前后,引信在相同頻率輻照下,考慮系統及測量誤差,意外發火時輻射場強沒有明顯變化;(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,意外發火時輻射場強有一定降低,而在其它敏感頻點的正弦波輻照下意外發火時輻射場強有所升高,但變化幅度都小于30%,說明彈體的存在會對引信意外發火時輻射場強產生一定影響,造成這種現象可能有兩個方面原因：一是彈體存在引起引信周圍電磁場畸變,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參數;(3)改變自差機天線參數后,在引信工作頻率附近的輻射場下,引信意外發火時輻射場強增幅不小于300%,在其它敏感頻點輻射場下,引信意外發火時輻射場強也有約100%的增幅。

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

4.作用機理研究

4.1 引信發火原因分析

引信發火動作過程是由執行電路完成的,其電路如圖1所示,其中為儲能電容,SCR為晶閘管,為電源模塊對儲能電容進行充電的限流電阻,R2為晶閘管控制極電阻,EED為電點火頭。

分析執行電路作用過程可以看出引信發火有兩種可能：(1)執行電路中的晶閘管控制極得到發火控制信號Sf(高電平)使SCR導通,儲能電容C1對EED放電使引信發火;(2)執行電路中的電源電路上產生劇烈電壓波動,使SCR導通,儲能電容C1對EED放電使引信發火[11]。

圖1 執行電路圖

輻照實驗中每次檢測到發火信號,都能同步檢測到執行級電路晶閘管控制極控制信號,如圖2所示,從而排除了電源電壓劇烈波動是正弦波輻照導致引信意外發火的原因。因此,引信意外發火原因只能是正弦波輻照作用于引信高、低頻電路,導致引信執行級電路得到控制信號而發火。

圖2 發火信號與執行級電路控制信號

4.2 作用機理分析

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：讓與多普勒信號頻率相近的信號通過并放大,而對過高或過低頻率的信號進行大幅衰減。輻照試驗選用的正弦波頻率比多普勒信號頻率高得多,其能量將被大幅衰減,不能作用于引信低頻電路中的后續電路,可以推斷正弦波能量是作用于引信高頻電路導致引信起爆,為此對去掉高頻電路的引信進行了輻照實驗。結果顯示：在選擇的敏感輻照頻率,場強從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致引信起爆。

引信高頻電路主要由自差收發機構成,由天線、振蕩器、檢波和直流偏置電路組成。其中,檢波電路通過一個電感電容濾波器 (LC濾波器),實現高頻屏蔽與濾波,濾去自差機本振高頻信號以及其它高頻信號。

正弦波能量作用于引信高頻電路,高頻電路工作狀態必然會發生改變,為了確定高頻電路在正弦波輻照下的工作狀態,我們測量了引信輸出起爆信號時引信高頻電路的輸出信號 (檢波電壓),發現引信輸出起爆信號時引信檢波電壓升高,且存在波動的現象,峰值約為0.35 V,如圖3所示,波形前段為沒有干擾信號時檢波電壓波形,后段為引信受干擾意外起爆時檢波電壓波形。

圖3 檢波電壓線輸出信號

正常工作引信檢波電壓約為0.7 V,多普勒信號為毫伏量級。為了使檢波電壓波動不影響引信低頻電路,我們對引信高頻電路進行了改進,在檢波電壓線與地線之間連接一個穩壓二極管,檢波電壓線連接二極管正級。當檢波電壓升高而出現波動時,二極管起穩壓作用,處于穩壓狀態,可以使檢波電壓的波動不影響低頻電路,由于二極管阻抗較高,多普勒信號可以作用于低頻電路與發火系統,使引信正常發火。改進后用引信參數檢測系統與目標模擬器檢測〔12〕,引信工作參數振蕩頻率、檢波直流電壓、工作電流、靈敏度無明顯變化,說明改進措施不會影響引信正常工作性能。對改進后的引信進行輻照實驗,在選擇的敏感輻照頻率,輻照場強從10 V/m至200 V/m,引信不再有起爆信號輸出。從而確定引信檢波電壓波動是導致引信輸出起爆信號的原因,等幅正弦波輻照導致引信意外發火的作用機理是：引信天線及彈體接收干擾信號,使得引信高頻電路工作狀態變化,引起檢波電壓波動,導致引信誤動作。

5.結 論

一定強度等幅正弦波輻照可以使處于工作狀態的無線電引信意外發火,不同輻照頻率下,發火場強不同。天線及彈體是造成引信意外發火的主要能量耦合通道,引起其作用的機理是：引信天線及彈體接收干擾信號,引起引信高頻電路工作狀態變化,檢波電壓波動導致引信誤動作。選擇合適的穩壓器件,限制檢波電壓波動,可以有效防止引信等幅正弦波輻照下意外發火。

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