無線電引信電磁輻射能量耦合路徑研究

楊潔，王彪，王書平，張希軍

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無線電引信電磁輻射能量耦合路徑研究

楊潔，王彪，王書平，張希軍

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

目的為了確定外界電磁能量究竟如何進(jìn)入到引信電路內(nèi)部，針對(duì)無線電引信的電磁能量耦合路徑進(jìn)行系統(tǒng)研究。方法通過對(duì)多種引信進(jìn)行不同形式的連續(xù)波、強(qiáng)電磁脈沖電磁輻照效應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)比引信天線、孔縫、彈體、電源模塊等部位的能量耦合可能性。分析連續(xù)波、強(qiáng)電磁脈沖電磁環(huán)境對(duì)無線電引信作用的耦合規(guī)律。結(jié)果確定了電磁信號(hào)類型和引信接地結(jié)構(gòu)是影響電磁能量耦合通道的關(guān)鍵因素，揭示了前門耦合是連續(xù)波電磁輻射環(huán)境的最主要方式。結(jié)論彈體或引信前端與電路共地的金屬部件是強(qiáng)電磁脈沖輻射環(huán)境的主要能量路徑，從而為無線電引信抗電磁性能加固的實(shí)施提供了有益參考。

無線電引信；電磁輻射；能量耦合；連續(xù)波；強(qiáng)電磁脈沖

無線電引信是指利用無線電波感知目標(biāo)的近炸引信，它處于戰(zhàn)爭(zhēng)“生與死”對(duì)抗的最前沿，被稱為現(xiàn)代武器系統(tǒng)終端效能的倍增器，但其主要缺點(diǎn)之一就是易受電磁干擾[1—2]。因此，對(duì)于無線電引信的電磁敏感度、干擾機(jī)理與防護(hù)措施的研究一直都是各國爭(zhēng)相研究的重點(diǎn)[3—4]。我國在這方面也做了大量深入的科學(xué)研究，并且制定了相應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)[5—6]。

在電磁輻射環(huán)境中，外部的電磁能量耦合進(jìn)入無線電引信電路內(nèi)部，帶來的危險(xiǎn)不容忽視。干擾源、耦合路徑與敏感體是電磁干擾形成的三要素，切斷電磁耦合路徑是防止電磁干擾形成的主要手段之一，因此，認(rèn)清無線電引信的電磁能量耦合路徑，系統(tǒng)分析引信電磁能量耦合規(guī)律意義重大。文中在連續(xù)波電磁輻射和強(qiáng)電磁脈沖電磁輻射環(huán)境中，研究了不同體制無線電引信的能量耦合路徑及其規(guī)律，為提高無線電引信的使用可靠性和安全性提供了有益借鑒。

1 連續(xù)波電磁輻射能量耦合路徑研究

連續(xù)波電磁輻射能量耦合試驗(yàn)中，利用射頻微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的連續(xù)波信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)的寬帶功率放大器放大后由雙向耦合器給輻射天線饋電。功率計(jì)經(jīng)雙向耦合器準(zhǔn)確測(cè)量功率放大器的前向輸出功率和后向反射功率，監(jiān)視電磁能量輻射系統(tǒng)的工作狀態(tài)。被試無線電引信置于輻射天線正前方固定位置，擺放姿態(tài)始終保持引信發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)最小的最佳耦合姿態(tài)，試驗(yàn)區(qū)域的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度由光纖場(chǎng)強(qiáng)計(jì)測(cè)量，受試引信的發(fā)火信號(hào)用專門研制的電光-光電轉(zhuǎn)換器引入示波器進(jìn)行測(cè)量。

為了對(duì)比引信天線、彈體、孔縫、電源模塊以及天線前端模塊對(duì)連續(xù)波電磁輻射能量的耦合作用，分別開展下列對(duì)比試驗(yàn)：利用金屬屏蔽罩對(duì)引信前端進(jìn)行全屏蔽，對(duì)比分析引信天線對(duì)電磁能量耦合作用的影響；利用鋁箔對(duì)引信孔縫進(jìn)行屏蔽，對(duì)比分析孔縫對(duì)電磁能量耦合作用的影響；屏蔽電源模塊，對(duì)比分析電源模塊對(duì)電磁能量耦合作用的影響；利用相同引信配用不同彈體，對(duì)比分析彈體大小對(duì)電磁能量耦合作用的影響；配用相同彈體情況下焊掉引信天線，對(duì)比分析引線天線前端未加屏蔽的器件、電路或?qū)w的影響。通過對(duì)上述不同狀態(tài)的無線電引信進(jìn)行連續(xù)波輻照效應(yīng)試驗(yàn)，從不同引信臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試結(jié)果可以分析出連續(xù)波電磁能量耦合進(jìn)入無線電引信電路內(nèi)部的主要能量耦合通道。

選取兩種不同型號(hào)的受試引信各1發(fā)，按照上述方案對(duì)不同狀態(tài)的引信進(jìn)行不同頻率下的調(diào)幅波輻照對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試得到引信處于不同狀態(tài)時(shí)的臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)，具體結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 1#引信臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)與頻差關(guān)系

對(duì)于1#引信，由于屏蔽天線和焊掉天線后引信的臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)大于500 V/m，所以在圖1中沒有體現(xiàn)。從圖1中可以看出，相較于配用A2，A1彈體和屏蔽孔縫時(shí)引信的臨近干擾場(chǎng)強(qiáng)，屏蔽天線和焊掉天線后，在500 V/m的場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)，1#引信在試驗(yàn)頻點(diǎn)上不再出現(xiàn)意外發(fā)火。可得出結(jié)論：天線是導(dǎo)致1#引信意外發(fā)火的一條主要能量耦合通道。同時(shí)，對(duì)比屏蔽天線和焊掉天線結(jié)果可知，引信前端未屏蔽的器件、電路或?qū)w的存在并不影響引信臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)。因此，引信前端未屏蔽的器件、電路或?qū)w不是引信的主要能量耦合通道。

對(duì)比配用A2（152 mm）彈體和屏蔽孔縫（同樣配用A2彈體）情況下引信的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)可知，屏蔽所有孔縫后，引信在同一輻照頻率下的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)沒有明顯改變，其測(cè)量值的波動(dòng)主要來源于測(cè)量誤差。從而可知，孔縫不是導(dǎo)致1#引信意外發(fā)火的主要能量耦合通道。

對(duì)比不同彈體情況下的試驗(yàn)結(jié)果可知，配用大彈體A2情況下的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)要比配用小彈體A1（130 mm）下的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)略大。可見，配用大彈體時(shí)引信的接收能力要略低于配用小彈體時(shí)引信的接收能力。這主要是由于彈體與引信天線共地連接，使得引信天線接收能力產(chǎn)生微弱變化導(dǎo)致。整體來看，臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)值變化不大，說明彈體雖會(huì)影響引信對(duì)輻照能量的接收能力，但影響程度有限，不是引信的主要能量耦合通道。綜上所述，1#引信對(duì)連續(xù)波的主要能量耦合通道為天線。

圖2 2#引信臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)與頻差關(guān)系

B1（130 mm）彈體為2#引信試驗(yàn)中正常配用的彈體。從圖2中可以看出，對(duì)比正常配彈引信，屏蔽引信天線后，2#引信臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)增大接近50%，可見，引信天線是2#引信一條重要的能量耦合通道。對(duì)比正常配彈情況，屏蔽天線和去掉天線狀態(tài)臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)變化程度基本相同，可見，引信前端未屏蔽的器件、電路或?qū)w的存在并不影響引信臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)。因此，引信前端未屏蔽的器件、電路或?qū)w不是引信主要能量耦合通道。

屏蔽所有縫隙后，相較正常配彈結(jié)果，引信臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)沒有明顯改變，考慮測(cè)試誤差的影響，可以確定孔縫不是引信的主要能量耦合通道。對(duì)比正常配彈狀態(tài)，無彈體情況下受試引信臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)的增幅最大超過了200%，可見，彈體影響著引信對(duì)輻照能量的耦合強(qiáng)度，即彈體也是引信一條重要的能量耦合通道。對(duì)比無彈體試驗(yàn)結(jié)果與屏蔽天線試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，彈體對(duì)輻照能量耦合能力的影響程度要大于天線。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是，受試引信為彈體天線，彈體作為天線的主要部分影響輻射能量的接收能力。綜上所述，2#引信對(duì)連續(xù)波的主要能量耦合通道為天線和彈體。

選擇第三種型號(hào)的無線電引信（記為3#引信），通過等幅正弦波電磁輻照效應(yīng)試驗(yàn)來分析其主要電磁能量耦合通道，結(jié)果見表1。可以看出，改裝天線（將天線一個(gè)管腿斷開）后，在同樣的電磁輻照環(huán)境中，引信的臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)增大了5倍左右，可見，天線是導(dǎo)致引信起爆的主要能量耦合通道之一。屏蔽裝定環(huán)孔和頂部進(jìn)氣道后，引信在同一電磁輻照環(huán)境下的臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)沒有明顯改變，表明裝定環(huán)孔和頂部進(jìn)氣道不是主要能量耦合通道。屏蔽電源模塊后的引信在相同等幅正弦波輻照下，臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)也只有少量浮動(dòng)，可見電源模塊耦合能量對(duì)無線電引信的臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)影響不大，即不是主要耦合路徑。去掉彈體后的引信在相同頻率等幅正弦波輻照下，臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)明顯增大，增幅達(dá)到40%以上，說明彈體是等幅正弦波耦合入無線電引信內(nèi)部的主要通道之一。綜上所述，3#引信對(duì)連續(xù)波的主要能量耦合通道也是天線和彈體。

表1 改裝前后3#引信臨界發(fā)火場(chǎng)強(qiáng)試驗(yàn) V/m

1#，2#，3#引信均為自差式連續(xù)波多普勒引信，在電氣結(jié)構(gòu)上其天線與彈體采用“共地”連接（即彈體與電源地端以及信號(hào)處理電路地端連通）。彈體作為引信整體等效天線的組成部分之一，其尺寸的變化會(huì)改變引信天線的等效結(jié)構(gòu)和尺寸大小，造成天線接收電磁能量效能的明顯變化，進(jìn)而表現(xiàn)出彈體對(duì)電磁輻射能量耦合的影響作用。鑒于1#，2#，3#三種受試引信采用了不同的天線結(jié)構(gòu)，彈體在各引信中發(fā)揮的等效天線作用有大有小，故在試驗(yàn)中彈體對(duì)電磁能量耦合的影響作用表現(xiàn)得有強(qiáng)有弱。可見，在連續(xù)波電磁輻照環(huán)境中，連續(xù)波電磁能量耦合入自差式連續(xù)波多普勒內(nèi)部的主要“窗口”就是引信的“天線”（此天線為大天線內(nèi)涵，指的是引信整個(gè)等效天線結(jié)構(gòu)）。

為進(jìn)一步驗(yàn)證天線是否無線電引信對(duì)連續(xù)波電磁能量耦合的主要通道，對(duì)調(diào)頻引信（4#）同樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。將未改裝引信和焊掉天線后的引信進(jìn)行同一條件下的掃頻連續(xù)波電磁輻照試驗(yàn)，典型場(chǎng)強(qiáng)下的試驗(yàn)結(jié)果見表2。可見，掃頻波不能使摘除天線后的調(diào)頻引信意外發(fā)火，說明掃頻波干擾主要是通過引信的天線耦合進(jìn)入受試引信的高頻電路。故調(diào)頻引信的“天線”同樣是連續(xù)波電磁能量的主要耦合通道。

表2 改裝前后4#引信試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，在連續(xù)波電磁輻照環(huán)境中，無線電引信的“天線”是外界電磁能量耦合入引信內(nèi)部電路、引發(fā)引信意外發(fā)火的主要通路。

2 強(qiáng)電磁脈沖電磁輻射能量耦合路徑研究

為了確定強(qiáng)電磁脈沖電磁輻射環(huán)境中無線電引信的主要能量耦合路徑，選擇利用超寬帶電磁脈沖（UWB EMP）、雷電電磁脈沖（LEMP）作為典型的強(qiáng)電磁脈沖來開展試驗(yàn)研究。將不同狀態(tài)下的2#—4#引信置于強(qiáng)電磁脈沖輻照環(huán)境中，通過引信發(fā)火率的變化來分析引信各部位對(duì)外界電磁能量的耦合作用大小。

取正常受試引信和焊掉天線的引信、屏蔽天線前端部件的引信、屏蔽孔縫的引信以及更換配用彈體的引信分別進(jìn)行UWB EMP輻照對(duì)比試驗(yàn)。采用單次觸發(fā)方式，每個(gè)場(chǎng)強(qiáng)下進(jìn)行10次試驗(yàn)，記錄各狀態(tài)引信的意外發(fā)火率，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同條件下引信發(fā)火率

圖4 不同條件下4#引信發(fā)火率

從圖3可以看出，焊掉引信天線或是屏蔽孔縫、屏蔽天線前端部件后，同一強(qiáng)度的UWB EMP輻照作用下，受試引信的發(fā)火率未出現(xiàn)明顯變化。可見，天線、孔縫以及引信前端部件均不是UWB EMP耦合入無線電引信的主要通道。配小彈體時(shí)引信的測(cè)量結(jié)果要比配用大彈體時(shí)高出近33%，說明彈體是UWB EMP輻照下無線電引信的主要能量耦合通道。綜上所述，2#，3#引信在UWB EMP輻照作用下的主要能量路徑是彈體。

從圖4可以看出，屏蔽孔縫或配用不同彈體的情況下，引信的發(fā)火率基本沒有變化，可知孔縫、彈體均不是主要能量耦合通道。焊掉天線后，不同場(chǎng)強(qiáng)下引信的發(fā)火率都出現(xiàn)小幅度降低，說明天線的存在對(duì)UWB輻射能量的耦合產(chǎn)生了一定程度的影響，但這種影響并不大。完全屏蔽天線前端后，引信不再出現(xiàn)意外發(fā)火，說明引信前端未屏蔽的圓柱腔體是UWB輻射能量作用于引信具體電路的主要途徑。綜上所述，4#引信在UWB EMP輻照作用下的主要能量路徑是引信前端未屏蔽的圓柱腔體。

對(duì)比上述結(jié)論，2#，3#，4#引信的UWB EMP能量耦合主要通道不同，究其原因是由于受試引信接地結(jié)構(gòu)不同造成的。2#，3#引信的天線與彈體共地，而4#引信采用浮地連接，其T型平面天線直接焊接在圓柱腔體表面，引信高低頻電路則全部屏蔽于圓柱腔體內(nèi)部，而圓柱腔體被風(fēng)帽材料覆蓋且與彈體“浮接”。一方面，試驗(yàn)用UWB EMP主頻與受試引信的工作頻率相差較遠(yuǎn)，引信天線對(duì)UWB輻射能量的接收能力較弱。另一方面，對(duì)于共地連接的引信而言，耦合到彈體上的能量能夠通過公共地端作用到電源或信號(hào)處理電路，影響引信的正常工作。對(duì)于不共地連接的引信，彈體上耦合的電磁能量無法作用到引信內(nèi)部電路，故僅有通過與內(nèi)部電路地端相連的引信前端金屬圓柱腔體耦合外部的強(qiáng)電磁脈沖能量，從而導(dǎo)致內(nèi)部電路無法正常工作。

為驗(yàn)證上述結(jié)論的適用范圍，在LEMP輻照環(huán)境下同樣對(duì)引信主要能量耦合通道進(jìn)行試驗(yàn)研究。取1#引信，以最強(qiáng)能量耦合姿態(tài)置于LEMP輻照?qǐng)鲋校M(jìn)行電磁脈沖能量耦合通道的對(duì)比試驗(yàn)。選取5.4/70 μs波形開展LEMP輻照試驗(yàn)，在同一場(chǎng)強(qiáng)下進(jìn)行10次輻照試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)各場(chǎng)強(qiáng)下受試引信的發(fā)火率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同條件下引信發(fā)火率

從圖5中可以看出，引信焊掉天線和屏蔽孔縫后，在相同LEMP輻照?qǐng)鰪?qiáng)下的發(fā)火率基本沒有變化，說明引信天線和孔縫都不是主要能量耦合通道。完全屏蔽引信前端后，引信的發(fā)火率以及耦合到發(fā)火信號(hào)端耦合電壓均出現(xiàn)小幅度下降，也就是說，引信前端會(huì)在一定程度上影響引信對(duì)輻照能量的耦合強(qiáng)度。對(duì)比配用不同彈體的情況，很明顯配用大彈體A2時(shí)引信的發(fā)火率或發(fā)火信號(hào)端耦合電壓明顯高于配用小彈體A1的情況，可見在LEMP輻照下，引信配用大彈體更容易發(fā)火。即彈體是LEMP輻照下引信的主要能量耦合通道。

綜上所述，在強(qiáng)電磁脈沖輻照環(huán)境中，彈體是采用“共地”連接電氣結(jié)構(gòu)無線電引信的主要能量耦合通道，引信前端與內(nèi)部電路共地的金屬屏蔽腔體是采用“浮地”連接電氣結(jié)構(gòu)無線電引信的主要能量耦合通道。

3 結(jié)論

在電磁輻射環(huán)境中，無線電引信的天線、彈體、孔縫以及其他未屏蔽的電路部分都是外部電磁能量進(jìn)入其內(nèi)部電路的通道/途徑。每一條通路都有自己的限制條件，對(duì)于不同的電磁信號(hào)，經(jīng)過每個(gè)通道進(jìn)入引信內(nèi)部的能量大小各不相同。引信內(nèi)部電路中干擾信號(hào)的形成是電磁能量通過多個(gè)通道進(jìn)入內(nèi)部電路后的綜合作用結(jié)果。外部電磁能量的輻射特性不同，其進(jìn)入引信內(nèi)部電路的途徑也就有主次之分，通過理論和試驗(yàn)分析，可以得出以下相關(guān)結(jié)論。

1）天線、彈體以及引信前段與天線共地的未屏蔽金屬腔體都可能是外界電磁能量進(jìn)入無線電引信的主要能量耦合通道。

2）外界電磁信號(hào)類型以及無線電引信的接地結(jié)構(gòu)是影響電磁能量耦合通道的關(guān)鍵因素。

3）在連續(xù)波電磁輻照環(huán)境中，前門耦合是外界電磁能量進(jìn)入引信內(nèi)部電路的主要耦合方式。

4）在強(qiáng)電磁脈沖電磁輻照環(huán)境中，后門耦合是外界電磁能量進(jìn)入引信內(nèi)部電路的主要耦合方式。

5）對(duì)于彈體和內(nèi)部電路共地的引信，“彈體”是電磁能量耦合的主要途徑（或之一）。

6）對(duì)于彈體與內(nèi)部電路不共地的引信，與內(nèi)部電路共地的“金屬腔體”是強(qiáng)電磁脈沖電磁能量耦合的主要途徑。

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Energy Coupling Path of Radio Fuze under the Electromagnetic Radiation Conditions

YANG Jie, WANG Biao, WANG Shu-ping, ZHANG Xi-jun

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

Objective To determine the method for electromagnetic energy to enter the fuze circuit and carry out systematic research on the electromagnetic energy coupling path of radio fuze. Methods Through the continuous wave and EMP radiation examinations, different types of fuzes were tested and researched. The coupling probability, such as the fuze antenna, empty seam, elastomer and power module, were compared. The coupling rules of the radio fuze under the electromagnetic radiation were analyzed. Results The type of electromagnetic signal and the structure of fuze grounding were determined to be key factors affecting the coupling path of electromagnetic energy. The front door coupling was the main mode in continuous wave electromagnetic radiation environment. Conclusion The elastomer or the front metal parts, which was connected with the fuze grounding structure just after the antenna is the main path in the intense electromagnetic pulse environment. It could be more helpful in improving the electromagnetic resistance of the radio fuze.

radio fuze; electromagnetic radiation; energy coupling; continuous wave; intense electromagnetic pulse

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.005

TJ430.1；TM154.2

A

1672-9242(2017)04-0021-05

2016-10-26；

2016-11-26

楊潔（1980—），女，河北人，主要研究方向?yàn)殡姶欧雷o(hù)理論與技術(shù)。