正弦波辐照对无线电引信的作用机理研究

费支强 魏光辉 耿利飞

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄050003;2.中国人民解放军78469部队,四川成都610005)

1.引 言

无线电引信的出现是引信发展史上的一次重大技术革命,它利用目标回波所携带的位置、速度等信息确认目标,比触发引信更能有效地发挥弹丸对目标的毁伤效能,被称为是现代武器系统终端效能的倍增器,它的主要缺点之一是易受电磁干扰[1]。随着各种集成电路尤其是引信专用集成电路(ASIC)在现代引信中的广泛应用和战场电磁环境的日趋复杂,无线电引信战斗效能的发挥受到严重威胁[2]。引信电磁环境效应问题的研究已成为引信抗干扰研究新的发展方向,世界各军事强国都制订了引信方面的有关军标,以确保引信在电磁环境中的安全性和可靠性[3-4]。

军械工程学院深入研究了雷电电磁脉冲(LEMP)[5]、高功率微波(HPM)[6]、超宽带(UWB)[7]强电磁源对无线电引信的电磁辐照效应与相应防护措施。但是连续波是构成复杂电磁环境的最普遍的电磁波,无线电引信在其全寿命过程中时刻都受到各种频率连续波的辐照威胁,而等幅正弦波是最基本的连续波,研究其对无线电引信的辐照效应,分析确定能量耦合通道和作用机理,对提出复杂电磁环境中降低无线电引信意外发火、瞎火概率的防护对策,为新型引信研制和现役引信改造提供电磁防护技术保障,从根本上增强我军无线电引信的抗电磁毁伤能力,具有重大意义。

2.实验装置与方法

所用实验装置有：SMR20微波信号发生器、200T1G3AM5功率放大器、双通道功率计、喇叭天线、EMR-200电磁辐射场强测试仪及TDS7404B数字存储示波器等。信号发生器产生一定频率的等幅正弦波信号,用200T1G3AM5功率放大器进行功率放大,通过双向耦合器由喇叭天线辐射等幅正弦波,对被试无线电引信进行辐照。通过调节信号发生器的输出电平、功率放大器的增益倍数或被试无线电引信与辐射天线之间的距离,可以任意调节辐照强度。电磁辐射场强测试仪用来测量引信的辐照强度,示波器用来观测引信发火信号、执行级电路控制电位及检波电压,通过上述数据及现象来分析研究被试无线电引信的辐照效应。

辐照实验结果表明[8]：辐射场强低于200 V/m的等幅正弦波辐照对无线电引信的勤务处理安全性没有影响,不会对引信电子部件造成损伤;等幅正弦波辐照能使处于工作状态的引信意外发火,辐照频率不同,发火场强不同;弹体轴线与辐射场传播方向一致,自差机天线两个管脚连线与辐射场电场方向一致时,被试无线电引信对等幅正弦波电磁辐照最敏感,为能量最佳耦合方向;引信存在敏感频点,在辐照频率与引信本振频率差值(Δf)为0～0.08 GHz、0.90～0.91 GHz和0.97～1.09 GHz之间时,引信意外发火时辐射场强较小,在25～50 V/m之间,变化较小。

因此,在研究正弦波与引信能量耦合通道及意外发火作用机理时,实验中将引信按能量最佳耦合方向放置,选择引信发火敏感频点辐照频率进行研究,即选择辐照频率与引信本振频率差值为0 GHz、0.01 GHz、0.02 GHz、0.99 GHz、1 GHz、1.01 GHz几种辐照频率。

3.能量耦合通道研究

电磁能量对设备的耦合方式有两种：传导耦合和辐射耦合。传导耦合必须在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感设备;辐射耦合是通过空间电磁场的耦合[9]。显然,这里研究的正弦波能量对无线电引信的耦合方式属于辐射耦合。当孔缝的尺寸大于入射电磁波波长的1/8时,入射电磁波90%以上的能量都可以通过孔缝耦合进入系统内部[10]。

实验用引信主要组成部分包括防潮帽、环天线、高频电路、低频电路、装定环、电源模块、引信体等。引信防潮帽为非金属材质,这种材料使引信天线暴露于电磁环境中,连续波能量可以通过天线接收而进入引信电路。被试引信在空中飞行时依靠流经顶部进气道的高速气流推动涡轮发电机工作,因此高频组件和低频组件均被顶部进气道贯穿,电磁波能量可通过顶部进气道直接作用于引信高、低频电路。引信低频电路外壳开有装定环孔,电磁波能量能够通过该孔进入引信壳体内。涡轮发电机位于引信顶部进气道内,和引信电源模块一起采用塑封形式,不能有效屏蔽电磁波,而引信所有电路均由电源模块供电,所以电磁波能量有可能通过电源模块耦合进入引信电路。引信电路的地线与引信外壳相连,引信外壳又与弹体通过螺纹旋接,暴露于电磁场中可能会在弹体上耦合出较大的电流和感应电动势,通过共地连接的地线进入引信工作电路。通过以上引信结构的分析得出连续波辐照对无线电引信的能量耦合通道可能有：天线、弹体、电源模块、装定环孔和顶部进气道。

实验选用5发各项参数正常的引信,对其正常状态和屏蔽电源模块、屏蔽装定环孔和顶部进气道、去掉弹体、改变自差机天线参数(将自差机天线一个管脚焊掉,与自差机高频电路板离开一定距离,目的是改变高频电路选频网络中的电容值)两种情况,分别在选择的敏感辐照频点,进行辐照实验,测量引信意外发火时辐射场强。5发实验数据规律相似,取其中1发实验结果进行分析,如表1所示。

表1 能量耦合通道实验结果

分析实验结果数据可以看出：(1)屏蔽电源模块、屏蔽装定环孔和顶部进气道前后,引信在相同频率辐照下,考虑系统及测量误差,意外发火时辐射场强没有明显变化;(2)去掉弹体前后的引信在接近引信工作频率的正弦波辐照下,意外发火时辐射场强有一定降低,而在其它敏感频点的正弦波辐照下意外发火时辐射场强有所升高,但变化幅度都小于30%,说明弹体的存在会对引信意外发火时辐射场强产生一定影响,造成这种现象可能有两个方面原因：一是弹体存在引起引信周围电磁场畸变,二是引信高频电路以弹体为地线,去掉弹体一定程度上改变了引信自差机参数;(3)改变自差机天线参数后,在引信工作频率附近的辐射场下,引信意外发火时辐射场强增幅不小于300%,在其它敏感频点辐射场下,引信意外发火时辐射场强也有约100%的增幅。

从以上分析可以确定电源模块、装定环孔和顶部进气道不是引信意外发火的主要能量耦合通道,天线及弹体是造成引信意外发火的主要能量耦合通道。

4.作用机理研究

4.1 引信发火原因分析

引信发火动作过程是由执行电路完成的,其电路如图1所示,其中为储能电容,SCR为晶闸管,为电源模块对储能电容进行充电的限流电阻,R2为晶闸管控制极电阻,EED为电点火头。

分析执行电路作用过程可以看出引信发火有两种可能：(1)执行电路中的晶闸管控制极得到发火控制信号Sf(高电平)使SCR导通,储能电容C1对EED放电使引信发火;(2)执行电路中的电源电路上产生剧烈电压波动,使SCR导通,储能电容C1对EED放电使引信发火[11]。

图1 执行电路图

辐照实验中每次检测到发火信号,都能同步检测到执行级电路晶闸管控制极控制信号,如图2所示,从而排除了电源电压剧烈波动是正弦波辐照导致引信意外发火的原因。因此,引信意外发火原因只能是正弦波辐照作用于引信高、低频电路,导致引信执行级电路得到控制信号而发火。

图2 发火信号与执行级电路控制信号

4.2 作用机理分析

引信低频电路中有带通滤波和频带放大电路,该电路的选频作用主要是：让与多普勒信号频率相近的信号通过并放大,而对过高或过低频率的信号进行大幅衰减。辐照试验选用的正弦波频率比多普勒信号频率高得多,其能量将被大幅衰减,不能作用于引信低频电路中的后续电路,可以推断正弦波能量是作用于引信高频电路导致引信起爆,为此对去掉高频电路的引信进行了辐照实验。结果显示：在选择的敏感辐照频率,场强从10 V/m增加到200 V/m,引信均不能起爆。因此可以断定正弦波能量是作用于引信高频电路导致引信起爆。

引信高频电路主要由自差收发机构成,由天线、振荡器、检波和直流偏置电路组成。其中,检波电路通过一个电感电容滤波器 (LC滤波器),实现高频屏蔽与滤波,滤去自差机本振高频信号以及其它高频信号。

正弦波能量作用于引信高频电路,高频电路工作状态必然会发生改变,为了确定高频电路在正弦波辐照下的工作状态,我们测量了引信输出起爆信号时引信高频电路的输出信号 (检波电压),发现引信输出起爆信号时引信检波电压升高,且存在波动的现象,峰值约为0.35 V,如图3所示,波形前段为没有干扰信号时检波电压波形,后段为引信受干扰意外起爆时检波电压波形。

图3 检波电压线输出信号

正常工作引信检波电压约为0.7 V,多普勒信号为毫伏量级。为了使检波电压波动不影响引信低频电路,我们对引信高频电路进行了改进,在检波电压线与地线之间连接一个稳压二极管,检波电压线连接二极管正级。当检波电压升高而出现波动时,二极管起稳压作用,处于稳压状态,可以使检波电压的波动不影响低频电路,由于二极管阻抗较高,多普勒信号可以作用于低频电路与发火系统,使引信正常发火。改进后用引信参数检测系统与目标模拟器检测〔12〕,引信工作参数振荡频率、检波直流电压、工作电流、灵敏度无明显变化,说明改进措施不会影响引信正常工作性能。对改进后的引信进行辐照实验,在选择的敏感辐照频率,辐照场强从10 V/m至200 V/m,引信不再有起爆信号输出。从而确定引信检波电压波动是导致引信输出起爆信号的原因,等幅正弦波辐照导致引信意外发火的作用机理是：引信天线及弹体接收干扰信号,使得引信高频电路工作状态变化,引起检波电压波动,导致引信误动作。

5.结 论

一定强度等幅正弦波辐照可以使处于工作状态的无线电引信意外发火,不同辐照频率下,发火场强不同。天线及弹体是造成引信意外发火的主要能量耦合通道,引起其作用的机理是：引信天线及弹体接收干扰信号,引起引信高频电路工作状态变化,检波电压波动导致引信误动作。选择合适的稳压器件,限制检波电压波动,可以有效防止引信等幅正弦波辐照下意外发火。

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