舰船短波天线对火工品安全影响

张 旭，吕晓峰，姚洪志，王伟亚

（1.海军航空大学，山东烟台264001；2.中国兵器工业第213研究所，西安710061）

大型舰船通常携载有大量的反舰和防空导弹装备，由舰载雷达、通信及各种微波源构成的舰船复杂电磁环境，对弹上电火工品安全造成潜在的威胁和风险。由于舰船电磁场的复杂性和遂行任务的多样性，舰船电磁场对电火工品安全性影响缺少针对性的研究，研究成果也相对较少，使电火工品使用存在一定的盲目性和安全隐患。

本文以舰船短波天线为单一辐射源，以简化的舰船模型研究为基础，采用FEKO、ANSYS HFSS电磁仿真软件，从单一因素入手，建立舰船电磁环境，着重分析舰船电磁环境对电火工品作用过程，确定典型风险状态和参数，给出仿真分析结果。对多因素、多任务条件下复杂舰船电磁环境对电火工品安全性影响研究有一定的借鉴作用。

1 舰船短波电磁环境

短波通信是历史最为久远的无线电通信，也是舰船通信网的重要组成部分。短波通信具有设备简单、机动灵活、成本低廉、发射功率小而作用距离远等突出特点，长期以来，一直是舰船重要的通信手段。

常用的舰船天线有单根或多根导线组成的斜天线、鞭状天线、宽频带天线和定向天线等。海上短波无线电通信使用频率范围为1.65～25.6 MHz[1]。为了保证在短波范围内利用空间波进行可靠通信，舰船用短波天线通常工作在宽频带。考虑在舰船上使用短波天线的经验和安装可能性，选择天线长度为10～12 m[2]。宽频带天线工作频率范围：在无匹配装置时为 4.06～25.6 MHz，有匹配装置时为1.65～25.6 MHz。另外，宽频带天线通常采用自立式结构，以保证天线参数与舰船类型及其尺寸无关。

设舰船配置有10副短波单鞭天线。其中，右前侧3副，舰岛3副，左后侧4副，选取10 m单鞭天线进行仿真计算。在FEKO的POSTFEKO环境中建立简化舰船模型[3]，天线在舰船上布置如图1所示。

为确定单鞭天线方向图特性，在FEKO POSTFEKO环境中建立一只单鞭天线模型，单鞭天线仿真模型如图2所示。采用Wire port导线端口电压源作为天线激励源[4]。模型参数设置如表1所示。

表1 模型参数设置Tab.1 Model parameter setting

改变单边天线激励源工作频率以观察其方向图变化。选择4个典型频率点，分别是1.65 MHz、7.5 MHz、16.5 MHz、20.5 MHz，不同频率点天线工作方向图如图3所示。

由图3可以看出，在设定连接面为无限大理想导电平面的前提下，随着工作频率的增加，单鞭天线的方向图变化很大，会出现多瓣效应，主瓣峰值产生偏移，因而在舰面产生的辐射场强也将随之发生变化。当频率为7.5 MHz，天线水平方向辐射强度最强。

为了分析短波单鞭天线在舰面产生的辐射场的典型分布特性，本文选取天线发射功率为10 kW（每根天线平均1 kW），并选择天线水平方向辐射强度最强时的频率值7.5 MHz为工作频率。

由于舰船具有电大尺寸和特电大尺寸三维目标特性，本文采用多层快速多极子技术（MLFMM）进行天线电磁环境仿真。

MLFMM技术是电磁场仿真软件FEKO的核心算法[5]，也是水面舰艇短波电磁环境仿真预测的理论基础。

快速多极子方法的数学基础是矢量加法定理，其原理是将目标表面离散得到子目标分组，根据任意两个子目标间互耦关系的不同，自身组和相邻组采用直接矩量法计算，非相邻组采用聚合-转移-配置方法计算。

多层快速多极子方法（MLFMM）则是快速多极子方法在多层级结构中的推广应用。采用多层分区计算，逐层聚合、逐层转移，逐层配置、嵌套递推。对于三维结构，用一个立方体包围目标，第一层得到8个子立方体。随着层数增加，每个子立方体再细分为8个更小的子立方体，直到最细层满足要求为止。

多层快速多极子技术（MLFMM）基于分层的数组算法，能比矩量法（MOM）更快地解决复杂的高频问题，具有计算内存少、精度高、收敛较快等特点[6]，因此，本文船体采用MLFMM法求解混合积分方程（CFIE）进行计算。

取网格边长为λ/25，线单元长λ/35。通过计算仿真，得到10根单鞭天线工作在7.5 MHz频率时在舰面产生辐射场分布特性。3D电磁场分布结构如图4所示，甲板水平方向分布如图5所示。

为了解10副短波单鞭天线在舰面区域场强分布情况，对单鞭天线7.5 MHz频率信号进行了近场分析。由于右舷前甲板电磁场分布密集且强度较大，本文仅列出了该部位水平面典型位置场强分布值。短波单鞭天线工作时舰面近场电场分布如图6所示。

由以上仿真结果可以看出，舰上10副单鞭天线全部工作时，右前侧鞭天线附近区域场强值较高，0.5 m处场强值最大可达到16.625 kV/m，但随着半径范围增加，场强也随之急剧下降，2 m处场强降至218.33 V/m。从场强值总体分布来看，半径3 m以外，场强会降至300 V/m以下。

GJB 786-89《预防电磁场对军械危害的一般要求》中规定的军械系统允许工作的电磁环境要求见表2[7]。

表2 军械系统允许工作的电磁环境Tab.2 Electromagnetic environment permitting the ordnance system to work

对比分析可知，距舰面单鞭天线核心点半径3 m以内的甲板区域内，电场强度会高于国军标规定的界限值，对处于该区域火工品构成安全威胁。而半径3 m以外区域，除个别点外，大部分场强值在200 V/m以下，场强值符合安全要求。故当单鞭天线工作时，武器装备与天线之间安全距离应大于3 m。在开展短波天线对火工品安全影响分析时，则应以7.5 MHz、场强值不小于1 kV/m作为火工品电磁信号照射源，重点研究其对电火工品作用机理，并进行风险评估。

2 电磁环境对电火工品作用机理

电火工品主要由管壳、加强帽、电极塞、桥丝、起爆药和猛炸药等组成[8]。电磁波对电火工品的影响主要以电流的形式通过脚线作用于桥丝换能元件，使桥丝换能元件产生感应电流导致热积累[9]。

从电磁环境对火工品的作用过程来看，当不同状态的火工品处于电磁场中时，火工品的引线起到天线（通常为窄带天线）的作用，可从电磁环境中拾取一定的电磁能量。引线拾取的能量通过火工品电极塞馈入到火工品换能元，换能元获得的电能通过能量转换成火工药剂的化学能，当此化学能足够大时就会导致火工品作用[10]。电磁环境中火工品响应过程见图7。

火工品引线端在电磁场中起到接收天线的作用，并从环境电磁场中拾取电磁辐射能量。火工品接收电磁辐射能量的大小，与电磁辐射场场强和火工品线路所形成的天线结构、天线的取向以及火工品与天线发射机之间的距离等几个因素有关。

根据天线理论中的弗里斯传输方程[11]：

式（1）中：Pr为接收天线接收到的电磁辐射功率/W；Pt为发射天线的输出功率/W；Aer为接收天线的有效孔径/m2；Aet为接收天线的有效孔径/m2；d为发射天线与接收天线间的距离/m；λ为发射天线辐射电磁波的波长/m。

式中，为接收天线处的平均功率密度/（W/m2）。

从式（2）可知，将火工品等效成一定结构的天线，就可得到电热火工品拾取的电磁辐射功率。为简化分析过程，将电火工品等效成图8所示结构[12]。

等效天线有效孔径表达式为：

当L/λ＜1/2时，

当L/λ≥1/2时，

式（3）、（4）中：A为环路面积/m2；RT为火工品电磁辐射阻抗的电阻分量/Ω；λ为电磁波波长/m。

火工品最大接收频率（谐振频率）与脚线长度L有关[13]，并按式（5）计算：

发射机天线在火工品接收天线处所成电磁辐射场的功率密度为[14]：

式（6）中：Pt为发射机输出功率/W；Gt为发射天线的增益；d为电火工品与发射机天线之间距离/m；为电火工品所在位置的功率密度/（W/m2）。

电火工品脚线两种典型放置方式简化结构如图9所示[15]。图9中，L是脚线长度，d是脚线直径，a是脚线间距，b是换能元距壳体表面距离，E是电场方向，θ是电场方向夹角。

在仿真分析模型建立中，火工品脚线结构按实际几何模型进行建模，由于换能元尺度很小，其具体几何模型暂不考虑，在仿真计算中考虑其阻抗效应，将其简化为有一定电阻的元件。

3 电火工品电磁模型及仿真分析

本文选择某通用型电火工品为建模对象，在充分了解火工品组成、结构、材料等特征的基础上，首先建立物理模型，并依据电磁特性参数（相对介电常数和磁导率等）构建火工品电磁模型。对电火工品组件在频率范围0.1 MHz～40 GHz内电磁响应进行仿真分析，获得了频率与桥丝电响应曲线。

3.1 火工品电磁模型建立

某通用型电火工品由本体组件、点火药柱、发火头组件、电连接器组件、电发火头、焊桥电极塞、滤波器、壳体、保护帽、导线等部分组成，结构相对复杂。

火工品部件物理建模示意如图10所示。基于材料阻抗分析仪以及矢量网络分析仪，对涉及的材料进行电磁特性的测量。测量研究的布置见图11。依据电火工品结构参数以及材料电磁参数，基于ANSYS HFSS电磁场仿真软件建立相关材料的数据库，同时获得电火工品的仿真模型[16]。

3.2 电磁响应仿真分析

基于ANSYS HFSS仿真软件建立的仿真模型，同时建立仿真的边界范围[17]。由于本文采用外部激励场建立最终桥丝电流响应的方式。因此在仿真边界条件设置的过程中采用的是辐射边界条件[18]。外部激励设置如图12所示。

外部激励设置为在边界上垂直极化的电场，计算频率范围从0.1 MHz～40 GHz，通过仿真观测每个频率点下电火工品桥丝上感应电流情况。

通过仿真获得了电火工品在频率范围0.1 MHz～40 GHz内其内部桥丝感应电流情况如图13所示。

4 结论

综合上述分析可知，外部激励场为1 V/m时，桥丝上感应最大电流达到7.5 mA，大部分频率点感应电流都在2.5 mA以下。感应电流较大频率范围主要在4.5～7.5 GHz以及30～40 GHz频率范围内。

短波天线频段为1.65～.25.6 MHz，单位激励场感应电流不大于2.5 mA，但在天线附近3 m半径范围内，局部仍会有1 kV/m以上电场分布，并在电火工品上产生大于2 A以上的感应电流，对电火工品安全构成影响。

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