摘 要：針對長距離條件下武器系統(tǒng)對能量和信息的高效同步傳輸要求，為解決感應(yīng)裝定傳輸距離短以及射頻裝定和激光裝定中能量傳輸效率低等問題，結(jié)合磁共振耦合理論，建立了磁共振裝定模型。同時，利用公式推導(dǎo)論證了磁共振技術(shù)的可行性。設(shè)計了基于磁共振技術(shù)的引信無線能量與信息同步傳輸工作系統(tǒng)。最后，利用OrCAD軟件對傳輸系統(tǒng)進行了頻域和時域的仿真分析。

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關(guān)鍵詞：長距離； 磁共振； 引信； 同步傳輸；仿真

中圖分類號：

TN911.7-34； TJ43 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0020-03

Research on magnetic resonance setting technology of fuze

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ZHAO Jie， LI Hao-jie， LI Chang-sheng

(School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)

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Abstract：

In order to meet the requirements that energy and information should be transmitted synchronously with high-efficiency for long-distance weapon system， and to solve the problem of short transmission in electromagnetic inductive setting mode and the matter of the low efficiency in RF or laser transmission， a new transmission model is established combining with the theory of coupled magnetic resonance. Meanwhile， the feasibility of this technology is verified by derivation of the formulas. Based on the technology of magnetic resonance， the working system is designed for achieving wireless power and information synchronous transmission between setter and fuze. At last， transmission characteristics of the system in frequency domain and time domain are analyzed by the simulation of OrCAD.

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Keywords： long-distance; magnetic resonance; fuze; synchronous transmission; simulation

收稿日期：2011-07-18

0 引 言

無線傳輸技術(shù)是一種利用特殊設(shè)備將能量和信息在無需電線連接的情況下直接進行傳輸?shù)募夹g(shù)。無線傳輸技術(shù)大致分為三類：第一類是通過電磁感應(yīng)耦合方式進行短距離傳輸，其有效傳輸距離最多只有幾個厘米；第二類以電磁波非輻射性諧振形式即磁共振形式進行中程傳輸，有效傳輸距離可達幾十厘米到幾米；第三類是以微波或激光形式進行遠(yuǎn)程傳輸，其傳輸距離可超過幾千米。無線傳輸已在引信裝定技術(shù)上得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)技術(shù)較為成熟的是電磁感應(yīng)裝定，它是靠兩個距離較近線圈的感應(yīng)耦合實現(xiàn)能量和信息的同步傳輸。射頻裝定和光學(xué)裝定也在引信上得到了應(yīng)用，其工作原理就是利用安裝在裝定器和引信上的發(fā)射線圈和接收線圈，以微波或激光為載體，實現(xiàn)信息傳輸。

電磁感應(yīng)裝定技術(shù)存在的問題是傳輸距離較短。在一些武器系統(tǒng)中，要求進行長距離的(米級)信息和能量傳輸時，其就不再適用了。射頻裝定和光學(xué)裝定，傳輸距離遠(yuǎn)，但系統(tǒng)穩(wěn)定性差，傳輸效率低。在外彈道裝定時，主要是信息的傳輸，而且引信需要自身配備電源供電。目前，在一些特殊場所，如海岸、島礁或高原等一些無人值守的武器系統(tǒng)，迫切需要能量和信息能夠達到長距離的同步傳輸。磁共振傳輸技術(shù)與電磁感應(yīng)方式相比，雖然采用的磁場弱，但可以實現(xiàn)更長距離的傳輸；與微波或激光傳輸方式相比，能量損耗較小，傳輸效率高，傳輸性能更穩(wěn)定?；诖殴舱窭碚?，提出利用一對處于磁共振耦合狀態(tài)的線圈實現(xiàn)裝定器與彈藥引信間的無線能量供給與信息同步傳輸?shù)难b定技術(shù)[1]。

1 磁共振傳輸模型

對于磁共振耦合技術(shù)，其理論依據(jù)在于：如果兩個振蕩電路具有相同的頻率，那么在波長范圍內(nèi)它們是通過近場瞬逝波方式耦合的。發(fā)射線圈產(chǎn)生的駐波在小于損耗時間的情況下，允許能量高效地從一個物體傳輸?shù)搅硪粋€物體。不同于遠(yuǎn)場的輻射損耗，它屬于近場無損非輻射共振耦合，雖然發(fā)射線圈和接收線圈之間的共振耦合隨兩者距離有所衰減，但從理論上說，未被負(fù)載吸收的能量會返回發(fā)射線圈，從而不會對效率影響太大[2]。根據(jù)上述磁共振理論，建立如圖1所示的磁共振無線傳輸系統(tǒng)模型。此模型主要包括兩部分：能量發(fā)射模塊和能量接收模塊。能量發(fā)射模塊包括驅(qū)動電路、驅(qū)動線圈A和發(fā)射線圈S；能量接收模塊包括接收線圈D、拾取線圈B和負(fù)載電路。其工作原理是：驅(qū)動電路產(chǎn)生高頻交流信號輸入驅(qū)動線圈A中，發(fā)射線圈S利用電磁感應(yīng)從A中獲取能量，接收線圈D與發(fā)射線圈S具有相同的頻率而發(fā)生諧振，從而實現(xiàn)能量傳輸，拾取線圈B通過感應(yīng)從D中獲取能量。隨著能量不斷聚集，經(jīng)過后續(xù)電路即可供給負(fù)載。發(fā)射線圈S和接收線圈D的工作頻率可以通過接入外部電容調(diào)節(jié)到相同的頻率。

圖1 磁共振無線傳輸系統(tǒng)模型

2 磁共振模型理論分析

運用模式耦合理論，磁共振無線傳輸系統(tǒng)可以用如下場強公式表示 ［3]：

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am(t)=(iωm－Γm)am(t)+∑n≠miκnman(t)－Fm(t)

(1)



若a1(t)和a2(t)分別表示發(fā)射線圈S和接收線圈D對應(yīng)的場強，則可以通過如下方程組確定[4]：

da1dt=－j(ω1－jΓS)a1+jκa2

da2dt=－j(ω2－jΓD)a2+jκa1

(2)

式中:ΓS，ΓD是發(fā)射線圈S和接收線圈D的固有損耗，為電路中衰減時間常數(shù)的倒數(shù)；ω1，ω2是發(fā)射線圈S和接收線圈D的特征頻率；κ為兩線圈間場的耦合系數(shù)，κ越大，耦合越強。

假設(shè)線圈的耦合系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻尼的情況下(即κΓS，D)，兩個線圈滿足諧振的條件即ω1=ω2，且接收線圈的初始能量為零，則發(fā)射線圈S中能量隨時間變化的表達式為[3-4]：

Q1=a1(t)2=a1(0)21+cos 2κt2

(3)

接收線圈D中能量隨時間變化的表達式為：

Q2=a2(t)2=a1(0)21－cos 2κt2

(4)

根據(jù)式(3)，式(4)可知，當(dāng)裝定的兩個線圈耦合系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線圈的固有損耗時，諧振線圈的能量傳輸近乎是完美的，傳遞周期是π/κ?？梢詫⑿畔⒄{(diào)制在此載波上，實現(xiàn)能量和信息的同步傳輸。

3 引信磁共振裝定系統(tǒng)設(shè)計

引信能量和信息非接觸同步傳輸理論屬于引信與武器系統(tǒng)信息交聯(lián)的研究領(lǐng)域。磁共振裝定技術(shù)基于磁共振理論，利用裝定器發(fā)送線圈和引信接收線圈之間在某一特定頻率下發(fā)生共振耦合，實現(xiàn)能量和信息從裝定器到引信的非接觸傳輸技術(shù)。此過程中，能量和信息非接觸傳輸技術(shù)包括能量非接觸傳輸和信息非接觸傳輸兩個方面。其中，前者為引信電路提供電能，后者實現(xiàn)引信信息裝定。兩者之間是按一種時序進行運作的，即系統(tǒng)只有在獲得足夠的能量后，才能進行信息傳輸。

引信磁共振能量和信息非接觸同步傳輸原理框圖如圖2所示。首先，高頻信號發(fā)生電路產(chǎn)生驅(qū)動信號，經(jīng)過功率放大電路和發(fā)射模塊傳輸能量，為引信電路工作提供電能?；鹂赜嬎銠C或裝定器自身鍵盤作為輸入設(shè)備輸入裝定信號給裝定器微處理器，微處理器將輸入信號進行編碼后發(fā)送給調(diào)制器，調(diào)制器對裝定信號進行調(diào)制，已調(diào)信號經(jīng)過功率放大器放大后通過發(fā)射線圈發(fā)送出去。引信控制電路包括能量接收電路和信息接收電路，能量接收電路由整流電路、儲能電容和DC/DC(直流/直流轉(zhuǎn)換芯片)組成，信息接收電路包括調(diào)制解調(diào)電路和引信微控制器。引信控制電路在能量非接觸傳輸過程中接收到的能量通過儲能電容儲存起來，在接下來的信息傳輸過程中為引信電路供能，在某些情況下，甚至可以對彈丸進行全彈道供電。為了保證裝定正確，引信控制電路需要將接收到的裝定信號反向傳輸給裝定器，并在顯示屏上顯示，以確定裝定的正確性。信息反饋電路中的引信控制處理單元將接收到的裝定信號經(jīng)調(diào)制解調(diào)器反向發(fā)送出去，裝定器電路中的解調(diào)電路對接收到的反饋信號處理后發(fā)送給微處理器，微處理器驅(qū)動顯示屏顯示出反饋信號，從而判定裝定是否正確[5]。

圖2 引信磁共振能量和信息非接觸同步傳輸原理框圖

3.1 磁共振耦合模塊的設(shè)計

在利用磁共振技術(shù)實現(xiàn)裝定的武器系統(tǒng)中，驅(qū)動線圈和發(fā)射線圈可設(shè)置在裝定器上，拾取線圈設(shè)置在引信體上。至于接收線圈的位置，可以根據(jù)實際裝定的方式進行設(shè)計。當(dāng)采用膛內(nèi)裝定時，接收線圈可設(shè)置在炮管底部，亦可設(shè)置在引信體上；若裝定的方式為炮口裝定，接收線圈應(yīng)位于炮管出炮口處；當(dāng)采用膛外裝定時，接收線圈應(yīng)設(shè)置在引信體上。

處于諧振的兩個線圈，共振頻率一般設(shè)置在0.05～50 MHz之間。共振頻率越高，傳輸效率越高。但是在實際應(yīng)用過程中，頻率越高對電路器件要求相對也就越高，故一般選取頻率不宜超過10 MHz；在位置上，兩諧振線圈的中軸線應(yīng)盡量在同一條線上，這樣共振耦合的效率更高；對于線圈本身，其工作頻率接近半波長的整數(shù)倍時傳輸效率會提高，且線圈的直徑加大也會提高線圈的效率；至于傳輸距離，不要超過感應(yīng)線圈的8倍遠(yuǎn)，否則由于感應(yīng)磁場不夠強，相同振動頻率的線圈就無法高效地接收電能。對于磁共振裝定過程，可以按照這一原則結(jié)合實際情況進行設(shè)計[6]。

3.2 信息調(diào)制和解調(diào)的方法

根據(jù)數(shù)字信號控制載波參量的不同可以將調(diào)制方法分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種方式。信號的解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)包括頻帶寬度、設(shè)備復(fù)雜程度、誤碼率等。

調(diào)制系統(tǒng)的頻帶寬度方面，調(diào)相方式和調(diào)幅方式中頻帶寬度相同，而調(diào)頻方式的頻帶寬度要大于兩者，頻帶利用率低。設(shè)備復(fù)雜程度方面，三種調(diào)制方法的發(fā)送設(shè)備差不多，但是其接收設(shè)備的復(fù)雜程度與調(diào)制和解調(diào)方式有很大關(guān)系。對于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)的設(shè)備要比非相干解調(diào)的設(shè)備復(fù)雜。同為非相干解調(diào)時，調(diào)相方式的設(shè)備最復(fù)雜，調(diào)頻方式次之，調(diào)幅方式最簡單。在誤碼率方面，同種解調(diào)方式和誤碼率要求下，調(diào)相技術(shù)要求信噪比最高，其次是調(diào)頻技術(shù)，調(diào)幅技術(shù)要求最低。

引信控制電路的體積小，要求接收設(shè)備簡單，故在引信裝定中采用非相干解調(diào)，因為相干解調(diào)接收設(shè)備要比非相干解調(diào)復(fù)雜得多。磁共振裝定技術(shù)中發(fā)射線圈和接收線圈工作在同一特定的頻率下，系統(tǒng)對工作頻率的變化較為敏感，故調(diào)制不能采用調(diào)頻方式。同時，由于引信裝定器中功率放大器的開關(guān)頻率較敏感，為了保證功放始終工作在最佳狀態(tài)下，開關(guān)頻率應(yīng)保持穩(wěn)定。調(diào)幅方式相對于調(diào)相方式，載波頻率穩(wěn)定，適宜能量和信息的傳輸。通過綜合比較，引信磁共振裝定中信息調(diào)制可采用調(diào)幅方式，信息接收采用非相干解調(diào)[5]。對于信息的反向傳輸，可以采用負(fù)載調(diào)制技術(shù)，通過改變次級回路的負(fù)載大小實現(xiàn)初級線圈端電壓的變化，通過對負(fù)載調(diào)制信號進行解調(diào)就可獲得反饋信息。

3.3 基帶信號編碼

數(shù)字信號的編碼分為信源編碼和信道編碼兩種。信源編碼側(cè)重于信息的有效性，信道編碼側(cè)重于信息的可靠性。裝定過程要求：信息傳輸過程中盡最大可能保證裝定器到引信板的能量供給；編碼和解碼方式要安全可靠；盡可能提高傳輸效率，提高頻帶利用率。根據(jù)上述要求，磁共振裝定仍可以采用目前在感應(yīng)裝定中應(yīng)用比較成熟的編碼技術(shù)——占空比。二進制編碼中，采用“50%”的高電平代表邏輯“0”，采用“75%”的高電平代表邏輯“1”。目前，這一編碼方式已經(jīng)成為北約惟一的、標(biāo)準(zhǔn)的和強制性的大口徑電子引信感應(yīng)裝定的編碼方式。

4 仿真分析

對圖1磁共振的無線傳輸系統(tǒng)建立仿真模型，并采用OrCAD軟件進行仿真分析。圖3為磁共振系統(tǒng)等效電路仿真模型。因驅(qū)動線圈A與D，B距離相對較遠(yuǎn)，耦合比較弱，故可忽略A與D，B間的直接耦合作用，同理B與A，S間的直接耦合也忽略。驅(qū)動線圈輸入的是交流信號，線圈可以等效為電阻和電感串聯(lián)。

圖3 磁共振系統(tǒng)等效電路模型

仿真中，激勵電源為sin ωt，幅值為1 V；各線圈等效電阻和電感的大小如圖3所示。圖中，C2，C3為調(diào)節(jié)發(fā)射線圈S和接收線圈D工作在共振頻率時的外接電容，其值取3 pF；負(fù)載為R4，阻值為50 Ω。線圈A與S，S與D以及D和B的耦合系數(shù)取值分別為：M12=0.4，M23=0.005，M34=0.4。對無線能量傳輸系統(tǒng)在頻域和時域內(nèi)的傳輸特性仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4 負(fù)載電流輸出幅值隨系統(tǒng)工作頻率變化圖

圖5 系統(tǒng)振蕩時負(fù)載電流幅值隨時間變化圖

圖4中，負(fù)載R4中電流輸出幅值隨系統(tǒng)工作頻率的變化十分明顯，而且工作頻率在共振頻率為7.090 MHz時， 電流輸出最大。因此，在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)盡量使系統(tǒng)的工作頻率與共振頻率接近，從而可以提高系統(tǒng)的能量傳輸效率。系統(tǒng)在共振頻率為7.090 MHz工作條件下，負(fù)載R4中電流輸出幅值隨時間的變化如圖5所示。圖中清晰地顯示了系統(tǒng)振蕩時負(fù)載R4中電

流變化十分規(guī)則。故可采用調(diào)幅方式將裝定的信息加載到能量波中，實現(xiàn)信息和能量的同步傳輸。仿真結(jié)果充分論證了磁共振裝定技術(shù)的可行性[1]。

5 結(jié) 論

本文基于磁共振無線傳輸理論，建立了無線傳輸模型，設(shè)計了基于磁共振技術(shù)的引信無線能量和信息同步傳輸系統(tǒng)。引信磁共振裝定技術(shù)可以實現(xiàn)長距離能量和信息的高效傳輸，而且其阻礙小，可以穿過不同的障礙物而不影響傳輸效率。磁共振不但在引信裝定技術(shù)上具有十分重要的應(yīng)用價值，而且在機器人、電器無線供能、電動汽車等方面具有光明的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻

［1］李長生，張合.基于磁共振的引信用能量和信息無線同步傳輸技術(shù)［J］.兵工學(xué)報，2011，32(5)：537-542.

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［2］閆卓，陳海燕，楊慶新，等.磁共振無線傳能技術(shù)及其應(yīng)用探討［C］//天津市電機工程學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集.天津：天津市電機工程學(xué)會，2009:98-99.

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［3］KURS Andre， KARALIS Aristeidis. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J]. Science， 2007， 317: 83-86.



［4］朱春波，劉凱，于春來，等.磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置：中國，200810064667.2［P］.2008-12-03.



［5］楊會軍.多管火箭彈感應(yīng)裝定技術(shù)與飛行時間修正方法［D］.南京:南京理工大學(xué)，2004.



［6］楊成英，陳勇.中程距離無線輸電的實現(xiàn)［J］.科技信息，2009(3):410-411.



［7］王玲，賈志軍.激光引信新技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(7)：23-25.



［8］王蕓，劉時進，王正強.基于小波變換的核磁共振圖像去噪方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(14):63-64.

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作者簡介：

趙 杰 男，1987年出生，山東濰坊人，在讀研究生。主要研究方向為智能探測與控制技術(shù)。

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