窄带电磁辐射对无线电引信的作用规律

魏光辉， 潘晓东， 孙永卫， 万浩江， 李新峰

(军械工程学院 电磁环境效应国家重点实验室，河北，石家庄 050003)



窄带电磁辐射对无线电引信的作用规律

魏光辉， 潘晓东， 孙永卫， 万浩江， 李新峰

(军械工程学院 电磁环境效应国家重点实验室，河北，石家庄 050003)

针对无线电引信电磁防护性能试验评估的技术需求，提出了连续波电磁辐射效应试验方法和操作程序. 试验研究了某型分米波无线电引信的单频、扫频和调幅电磁辐射效应，确定了不同调制方式下的临界起爆场强变化规律. 结果发现：单频电磁辐射导致无线电引信起爆的场强存在上限值；单频、扫频、调幅电磁辐射导致无线电引信意外起爆的能力依次增强，最小临界起爆场强仅为0.38 V/m，以此为基础，分析了连续波电磁辐射对无线电引信的干扰机理，提出了无线电引信电磁防护加固方法和高效干扰方法.

电磁辐射；效应规律；作用机理；防护方法；无线电引信

未来信息化战争将是诸军兵种联合作战，战场电磁环境日趋恶劣，不仅包括雷达、通信、电子对抗等用频装备激发的电磁辐射和雷电、静电放电等自然电磁辐射，还可能存在超宽带、高功率微波等电磁脉冲武器激发的强电磁辐射[1]，这种复杂电磁环境对武器装备正常发挥战技性能将产生严重影响.

无线电引信利用目标回波携带的位置、速度等信息确认目标，比触发引信更能有效发挥弹药的毁伤效能，是信息化弹药能否发挥战斗效能的关键部件，被称为现代武器系统终端效能的倍增器. 它本身是一部小型雷达，由大量电子部件构成，其主要缺点之一是易受电磁干扰，复杂电磁环境对其战场生存能力和战技性能的正常发挥提出了严峻挑战. 因此，引信电磁辐射效应已成为引信抗干扰研究的发展方向，西方军事强国相继制定了引信电磁防护的军用标准，以确保引信在战场电磁环境中的安全性和可靠性[2].

美军从20世纪60年代开始研究军械装备的电磁危害问题，并逐步将研究内涵由“射频对军械的危害问题”扩展到目前的“装备电磁环境效应”，在概念和研究范围上不断更新和发展[3]. 20世纪从80年代初，开始系统研究包括主战坦克、飞机、卫星及电子装备在内的电磁辐射效应问题，相继给出了试验程序和评估方法[4-5]. 与此同时，开始关注电子元器件的电磁脉冲损伤效应[6]，美空军装备司令部太空与导弹系统中心组织开展了GaAs FETs和HEMTs高功率微波损伤阈值的研究工作[7]，美国海军水面作战中心对EX419多功能引信单片微波集成电路电磁易损性进行了试验研究. 但是，受保密因素的影响，有关具体装备电磁辐射效应规律与作用机理方面的文献鲜有报道.

中国自20世纪80年代后期开始重视电磁兼容性和电磁辐射对武器装备的危害问题研究，在静电放电、雷电电磁脉冲、核电磁脉冲、高功率微波和超宽带电磁脉冲对武器装备的辐射效应方面做了深入的研究工作[8-10]，揭示了典型装备电磁辐射干扰通道、效应机理和电子器件电磁脉冲损伤规律，对提高装备的电磁防护性能发挥了重要作用，但研究工作的系统性还不够强.

在前期研究工作的基础上[11-14]，系统报道了典型无线电引信的窄带电磁辐射效应规律，揭示干扰无线电引信正常工作的电磁辐射能量耦合通道及作用机理，提出电磁防护加固对策，为新型无线电引信研制和现役引信改造提供电磁防护技术保障，对提高无线电引信的战场复杂电磁环境生存能力具有重大的实用价值和军事效益.

1 电磁辐射效应试验方法

连续波电磁辐射实验系统构成如图1所示，利用射频或微波信号发生器产生所需的连续波信号，经相应的宽带功率放大器进行功率放大后由双向耦合器给辐射天线馈电. 功率计经双向耦合器准确测量宽带功率放大器的前向输出功率和后向反射功率，监视实验系统的工作状态. 被试无线电引信置于辐射天线正前方，试验区域的辐射电场强度由光纤场强计测量，均匀度优于3 dB. 根据实验目的，通过内部或外部调制信号对信号发生器的输出进行调制，方便地实现调幅、调频功能，研究不同类型的辐射信号对无线电引信的作用规律.

由于高功率微波电磁辐射难以直接引爆引信中的电爆装置，电磁辐射导致引信误炸是其电子部件误动作造成的. 为了保证实验研究的安全性和效率，在不改变引信工作性能的原则下对引信进行如下改装：

① 去掉引信传爆管和保险机构等机械部件；去掉引信电点火头，用等阻值的电阻代替；

② 去掉使引信执行级电路中电点火头处于短路状态的远解控制开关，使电点火头处于正常点火状态；

③ 被试引信安装在没有装药的教学弹上，将弹体尾部钻一个直径约为2 cm的洞，使测量引信起爆信号的屏蔽电缆从中通过；

④ 为尽可能模拟真实飞行状态的引信，实验中采用高压氮气吹动涡轮发电机对引信进行供电.

试验方法与操作程序如下：

步骤1 为尽快逼近误炸干扰场强的临界值，提出并采用辐射场强“变步长升降法试验程序”进行试验研究：首先固定电磁波的极化方向、辐射频率，选择某一辐射场强进行试验，若试验过程中被试无线电引信没有起爆信号输出，则把辐射场强升高约50%继续进行试验；若输出端出现起爆信号，则降低辐射场强，且以后的实验步长均逐次降低约50%. 根据试验结果提高或降低辐射场强，重复上述实验步骤，直至实验步长小于要求的实验误差为止. 以上述实验过程中被试无线电引信不出现起爆信号的最大辐射场强作为其在该实验状态下的临界起爆场强.

步骤2 改变电磁波的极化方向或被试引信在辐射场中的放置方式，重复步骤1，确定被试无线电引信在不同极化方向的临界起爆场强，分析被试引信在电磁场中的最敏感的放置方式.

步骤3 选取最低实验频率和最高实验频率，在这两个频率中间每间隔一定频率选取一个频点，被试引信以最敏感放置方式置于电磁场中，重复步骤1，确定不同频率下无线电引信的临界起爆场强.

2 电磁辐射对无线电引信的作用规律

2.1 单频电磁辐射对无线电引信的作用规律

通过对10发引信进行单频电磁辐射敏感度试验发现：一定频率的单频连续波电磁辐射能使受试无线电引信意外起爆，其临界起爆场强变化规律、各种实验现象均相似. 当配试弹体轴线与辐射场传播方向一致且受试引信自差机天线两个管脚连线与辐射场电场极化方向一致时，被试无线电引信对单频连续波电磁辐射最敏感. 其中一发被试引信的临界起爆场强值随电磁波辐射频率的变化关系如图2所示，图2(a)给出了20 MHz～18 GHz范围内，临界起爆场强低于200 V/m的全景图，辐射频率高于引信本振频率3倍以后，在200 V/m的辐射场强作用下，被试引信均能正常工作；图2(b)为引信本振频率上下20 MHz范围内的临界起爆场强变化图，辐射频率与引信本振频率接近时，200 V/m的辐射场强作用也不能使引信意外起爆.

图中：Δf为电磁波辐射频率f与引信本振频率f0的差值；E为被试引信的临界起爆场强. 为作图方便，对于引信未能意外起爆的试验频点，其临界起爆场强用最大辐射场强试验值200 V/m表示.

分析图2试验数据可以得出如下结论：

① 辐射频率处于引信本振频率及其倍频附近时，被试无线电引信对单频连续波电磁辐射比较敏感. 但是，当辐射频率与引信本振频率几乎相同时，被试引信在200 V/m的辐射场作用下仍能够正常工作.

② 当辐射频率高于引信本振频率3倍以上时，在200 V/m以下的辐射场强作用下，被试无线电引信不再出现意外起爆.

③ 在引信本振频率及其倍频点附近，若辐射频率差值相同，辐射频率低于引信本振频率时引信对电磁辐射作用更敏感，在倍频点附近这一现象更明显.

④ 当辐照频率低于被试引信本振频率时，随辐射频率降低，被试引信的临界起爆场强几乎单调升高. 偏差为1 MHz时，临界起爆场强为2.6 V/m；偏差大于120 MHz时，在200 V/m以下的辐照场强作用下，被试无线电引信不再出现意外起爆.

进一步试验研究发现：单频电磁辐射导致引信意外起爆不仅存在临界起爆场强的下限值，而且存在上限值. 辐射场强高于临界起爆场强上限值后，200 V/m以下的单频电磁辐射不再导致被试无线电引信意外起爆. 单频电磁辐射临界起爆场强范围与辐射偏差的关系如表1所示. 由表1可知，在引信本振频率及其倍频附近，不仅临界起爆场强下限降低，而且起爆场强区间范围相对较宽.

表1 单频电磁辐射临界起爆场强范围

Tab.1 Critical firing field of fuze for single-frequency radiation

频差/MHz起爆场强区间/(V·m-1)-1019.8～35.81037.3～65.83046.2～83.55089.4～99.67096.3～125.317079.5～95.060083.1～108.480095.2～145.7100045.2～76.81030167.2～169.7

2.2 扫频电磁辐射对无线电引信的作用规律

按最敏感能量耦合状态放置好引信及弹体，将连续波电磁辐射实验系统中的信号发生器设置为扫频输出状态，每个实验点扫频跨度10 MHz、选定频点驻留时间10 ms、扫频步长10 kHz，按照前述试验方法调整辐射场强，逐步确定被试引信的扫频电磁辐射临界起爆场强. 与单频电磁辐射敏感度试验类似，10发被试引信的试验现象、临界起爆场强变化规律基本相同，图3给出了其中1发引信的试验结果：在20 MHz～18 GHz的试验频段范围内，仅辐射频率处于引信本振频率的0.58～3.60倍、场强在200 V/m以下的扫频辐射能够导致被试引信意外起爆，除引信本振频率附近外，临界起爆场强约为50 V/m，如图3(a)所示；与单频电磁辐射不同，扫频电磁辐射不存在临界起爆场强上限；频率覆盖引信本振频率时，扫频电磁辐射不仅能使被试引信意外起爆，而且最为敏感，临界起爆场强仅为1.8 V/m，如图3(b)所示.

分析图3实验数据可以得出以下结论：

① 被试引信对其本振频率附近的电磁辐射最敏感，临界起爆场强值仅为1.8 V/m，辐射偏差大于-0.03～+0.04倍引信本振频率后，临界起爆场强迅速上升到20 V/m以上；

② 辐射干扰频率低于被试引信本振频率时，随着扫频频段与引信本振频率偏移量的增加，临界起爆场强值呈波动式增大的趋势；辐射频率低于引信本振频率0.58倍时，200 V/m以下的扫频电磁辐射不再导致被试无线电引信意外起爆；

③ 辐射干扰频率高于被试引信本振频率时，被试无线电引信的临界起爆场强值随辐射频率的增加急剧波动，在引信本振频率的2.0，3.0倍频点附近相对比较敏感；辐射频率高于2.2倍引信本振频率时，被试无线电引信的临界起爆场强值均高于50 V/m；辐射频率高于3.6倍引信本振频率时，200 V/m以下的扫频电磁辐射不再导致被试无线电引信意外起爆.

进一步试验研究发现：扫频辐射导致引信意外起爆存在最小扫频步长和最大频点驻留时间，否则扫频的影响难以体现，临界起爆场强与单频电磁辐射相同. 表2所示为频点驻留时间10 ms，扫频频段1 020～1 030 MHz不变的情况下，扫频步长对引信临界起爆场强的影响情况；表3为扫频步长50 kHz，扫频范围1 025～1 026 MHz时，频点驻留时间对引信临界起爆场强的影响情况. 由此可见，被试引信扫频辐射的最小扫频步长为5～6 kHz，最大频点驻留时间为31～32 ms.

表2 扫频步长对临界起爆场强的影响

表3 频点驻留时间对临界起爆场强的影响

2.3 调幅电磁辐射对无线电引信的作用规律

无线电引信接收的多普勒信号频率一般为几百赫兹，进行调幅电磁辐射效应研究时，利用50 Hz正弦波信号对频率为700 Hz的载波进行调幅，调幅深度选为80%，模拟多普勒信号. 利用上述信号对辐射信号进行调制，产生具有调幅特性的电磁辐射. 辐射频率处于被试引信本振频率0.3～1.1倍范围内的调幅电磁辐射效应试验结果如图4所示，调幅辐射频率与其本振频率相差小于10%以内时，干扰临界场强值均低于5 V/m，最小临界起爆场强值仅为0.38 V/m. 随着辐照频率与引信本振频率偏移量的增加，误炸干扰临界场强值呈振荡增大的趋势；干扰频率低至0.3倍本振频率时，误炸干扰临界场强值仍然低于90 V/m.

进一步试验研究发现：与单频等幅电磁辐射效应规律不同，电磁辐射强度高于被试引信临界起爆场强后，继续增大辐射场强直至200 V/m，引信都会发生误炸，不存在临界起爆场强上限值.

3 辐射效应规律比较与作用机理分析

综合分析单频、扫频和调幅电磁辐射对无线电引信的辐射效应规律，可以发现3个方面的不同之处：

① 在相同辐射频段，3种辐射方式下引信的临界起爆场强大小相差数倍，调幅波最小、扫频辐射次之、单频辐射最大. 为便于比较，图5给出了同一发被试无线电引信在辐射频率处于0.9～1.1倍引信本振频率范围内时，3种辐照方式下临界起爆场强的变化规律，3种辐射方式下被试引信的最敏感频率并不完全相同.

② 在最大辐射场强为200 V/m情况下，3种辐射方式能够导致引信误炸的干扰频段范围差别很大. 单频电磁波干扰频段范围最小，主要分布0.89～2.02倍本振频率和3.0倍频点附近的窄带内；扫频干扰频段区间较大，在0.58～3.60倍本振频率之间；由于条件限制，仅在0.30～1.10倍本振频率频段进行了调幅波辐射效应研究，被试引信的临界起爆场强均小于100 V/m，可以断定调幅波干扰频段区间最大.

③ 干扰机理不同：单频电磁辐射导致引信检波电压不稳定并剧烈波动，属于大信号干扰机理[11]，临界起爆场强不仅有下限值，而且存在上限值；而扫频、调幅电磁辐射导致引信高频电路分别输出方波脉冲串和模拟多普勒信号，经低频电路放大，推动执行级电路导致引信意外起爆，临界起爆场强不存在上限值.

4 结 论

综上所述，无论电磁波的调制方式如何，在一定的频率范围内、一定强度的电磁辐射均能对被试无线电引信形成干扰，导致被试无线电引信发生误炸. 而现役无线电引信的有效工作带宽不足1 kHz，若通过带通滤波等技术措施阻止工作频带之外的电磁辐射信号进入引信内部电路，则可大幅度提高引信的抗电磁干扰能力. 根据上述理论分析和试验结论，提出无线电引信综合防护加固方法和应用对策：

① 同一批引信本振频率应尽量分散，尤其是战术运用时，齐射的弹药引信本振频率更应尽量分散，即使遭遇敌方的电磁干扰，也只能引爆少部分引信；② 根据引信检波电压设计指标，在检波电压线与地线之间连接稳压值略高于检波电压值的稳压二极管，可有效提高无线电引信的抗连续波干扰能力[11]；③ 改变引信高频电路设计，在天线与自差收发机振荡电路间增加带通滤波电路，对引信本振频率1 kHz以外的信号急剧衰减.

与之相对应，为提高干扰无线电引信的成功率，可采用一种综合干扰方法，即设计模拟多普勒信号对高频载波进行调制，并且使载波频率在一定带宽范围内来回扫描，扫频步长取10 kHz以上、频点驻留时间小于2 ms(可进一步研究其下限值)，同时尽量增大辐射功率，可大大提高干扰引信的概率.

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(责任编辑：刘雨)

Effect Laws of Narrowband Electromagnetic Radiation on Radio Fuze

WEI Guang-hui， PAN Xiao-dong， SUN Yong-wei， WAN Hao-jiang， LI Xin-feng

(National Key Laboratory on Electromagnetic Environment Effects，Ordnance Engineering College， Shijiazhuang， Hebei 050003， China)

In order to evaluate the electromagnetic protection performance of radio fuze, an experimental method and operation process were proposed for continuous wave electromagnetic radiation effect. The radiation effect was studied experimentally for a kind of decimeter-wave radio fuze in different radiation ways, including single-frequency radiation, sweep frequency radiation and amplitude-modulated radiation. The change laws of the critical firing field were obtained for the fuze in three radiation ways, and the interference mechanisms were also analyzed. The results show that, there is an upper limit in the firing field of radio fuze induced by single-frequency electromagnetic radiation, and a sudden firing possibility of the radio fuze can enhance by single-frequency radiation, sweep frequency radiation and amplitude-modulated radiation in turn, the least critical firing field is 0.38 V/m merely. Based on the above results and the interference mechanism of continuous wave electromagnetic radiation, an electromagnetic reinforcement method for radio fuze and an efficient interference method to radio fuze are put forward.

electromagnetic radiation; effect law; mechanism; reinforcement method; radio fuze

2014-10-14

国家安全重大基础研究计划项目(6131380301)

魏光辉(1964—)，男，教授，博士生导师，E-mail:wei-guanghui@sohu.com.

TM 15; TN 97

A

1001-0645(2016)06-0593-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.008