簡 勛， 張希軍， 熊久良， 楊 潔

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護研究所， 河北 石家莊 050003)

無線電引信連續(xù)波輻照效應(yīng)及能量耦合通道研究

簡 勛， 張希軍， 熊久良， 楊 潔

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護研究所， 河北 石家莊 050003)

為了研究無線電引信的連續(xù)波輻照效應(yīng)，以A型無線電引信為研究對象,開展了單一頻率等幅正弦波和掃頻連續(xù)波輻照效應(yīng)試驗。試驗結(jié)果表明：連續(xù)波輻照可使引信意外發(fā)火，引信對掃頻連續(xù)波更敏感；引信上連續(xù)波能量耦合通道為天線部分；連續(xù)波輻照下引信意外發(fā)火的根本原因是連續(xù)波使引信內(nèi)部自差式收發(fā)機工作狀態(tài)產(chǎn)生異常。

無線電引信； 連續(xù)波輻照效應(yīng)； 能量耦合通道； 意外發(fā)火； 自差式收發(fā)機

無線電引信的出現(xiàn)是引信發(fā)展歷史上的一次重大技術(shù)革命，它利用目標自身攜帶的位置、速度等信息來感覺目標，大大提高了彈藥的毀傷效能。然而,以微電子技術(shù)為核心的無線電引信很容易受到戰(zhàn)場電磁環(huán)境的干擾。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中用頻設(shè)備越來越多，其工作時產(chǎn)生的電磁波導(dǎo)致現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益惡劣，而其中戰(zhàn)場通信設(shè)備最具代表性，其工作時產(chǎn)生的電磁波以連續(xù)波為主[1-4]。為了研究無線電引信在連續(xù)波能量下的輻照效應(yīng)，評估無線電引信的抗電磁干擾能力，筆者通過對工作狀態(tài)下的引信開展連續(xù)波電磁輻照效應(yīng)試驗，探索連續(xù)波電磁能量對已經(jīng)裝備部隊的A型無線電引信輻照效應(yīng)規(guī)律，確定引信電磁脈沖能量耦合通道，探究連續(xù)波作用下引信意外發(fā)火的原因，為進一步研究針對連續(xù)波的防護加固方法提供有益參考。

1 連續(xù)波輻照效應(yīng)試驗

1.1 單一頻率等幅正弦波輻照結(jié)果

取 3發(fā)引信樣品在GTEM室中進行試驗，試驗結(jié)果呈現(xiàn)一致性，表1為其中一發(fā)樣品的單一頻率等幅正弦波輻照試驗結(jié)果，其中頻差Δf為輻照頻率與引信本振頻率f0的差值。

國軍標規(guī)定無線電引信應(yīng)當(dāng)能承受的電場強度在200 V/m以下[5]，但是隨著大功率用頻裝備的增多，現(xiàn)代戰(zhàn)場可能遭遇的電場強度早就超過了該值。因此，在輻照試驗中，將輻照的最高電場強度設(shè)定為 500 V/m，使試驗結(jié)果更符合現(xiàn)實情況。

表1 單一頻率等幅正弦波輻照試驗結(jié)果

從表1可以看出：1)單一頻率等幅正弦波會引起引信意外發(fā)火，且存在頻率敏感點，當(dāng)輻照頻率在f0附近或其倍頻附近(0.03 MHz<|Δf|≤2 MHz)時，發(fā)火電場強度在500 V/m以內(nèi)；2) 當(dāng)|Δf|≤0.03 MHz或|Δf|>2 MHz時，在輻照電場強度≤500 V/m的條件下引信不會意外發(fā)火。

1.2 掃頻連續(xù)波輻照結(jié)果

以f0為掃頻頻段中心，掃頻頻帶寬度≤3 MHz，對3發(fā)樣品進行試驗，試驗結(jié)果同樣呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。某樣品其中一部分掃頻正弦波輻照試驗結(jié)果如表2所示，所有受試引信發(fā)火全部發(fā)生在接近于f0(Δf≤0.5 MHz)的頻點處。

從表2可以看出：1)在掃頻步長<150 kHz和駐留時間<80 ms的情況下，只有當(dāng)掃頻頻段包含f0或掃頻頻段上限/下限接近f0(Δf≤0.5 MHz)時，才可能導(dǎo)致引信意外發(fā)火，并且發(fā)火頻點在f0附近；2)若不能同時滿足1)中要求的掃頻波，當(dāng)輻照電場強度在500 V/m內(nèi)時，則不會引起引信意外發(fā)火。

對比表1、2可以看出：在相近的頻點上，掃頻波輻照下的最小發(fā)火電場強度明顯較低，表明掃頻波更容易導(dǎo)致該型引信意外發(fā)火。

表2 掃頻正弦波輻照試驗結(jié)果

2 連續(xù)波耦合通道

為了研究無線電引信在連續(xù)波輻照下意外發(fā)火的原因，首先必須明確連續(xù)波能量在無線電引信上的耦合通道。

A型無線電引信天線采用環(huán)狀縫隙加載天線，其最大特點是天線方向圖幾乎不受彈體影響，向空間輻射能量非常均勻。由于試驗中輻射能量信號較大，正弦波能量很有可能通過天線耦合進入引信內(nèi)部，因此天線可能是連續(xù)波輻照導(dǎo)致引信起爆的主要能量耦合通道。

引信結(jié)構(gòu)上不可避免地會產(chǎn)生一定的縫隙，這為輻射能量的進入提供了可能。另外，在引信體上，開有4個直徑約為3 mm的圓孔，輻射能量也可以通過此圓孔耦合進入引信電路，這也可能是一條能量耦合通道。

由于引信電路電源地線是與引信外殼相連的，而引信外殼又與彈體通過螺紋旋接，因此彈體也與引信電路電源地線連接。由于彈體結(jié)構(gòu)較大，它暴露于輻射場中會耦合出較大的電流，感應(yīng)電流可能沿著地線進入引信電路，造成引信電路誤動作。

根據(jù)筆者所在實驗室前期的無線電引信電磁脈沖輻照試驗結(jié)果可推斷：單一頻率等幅正弦波和掃頻波能量耦合通道是相同的[6]。為判斷連續(xù)波輻照時主要的能量耦合通道，筆者設(shè)計了一組單一頻率等幅正弦波輻照對比試驗(引信樣本量 3 發(fā)，經(jīng)檢測各項性能指標正常)。

第1組試驗：將整個引信天線部分用金屬筒進行有效屏蔽，對其進行單一頻率等幅正弦波輻照試驗，測量最小發(fā)火電場強度，并將試驗結(jié)果與相應(yīng)的未屏蔽時輻照試驗結(jié)果進行對比。各發(fā)引信試驗數(shù)據(jù)結(jié)果相似，其中一發(fā)引信天線屏蔽前后輻照試驗結(jié)果對比如表3所示。

表3 引線天線屏蔽前后輻照試驗結(jié)果對比

從表3可以看出：對引信天線進行屏蔽后，抗等幅正弦波干擾能力大大增強，在大部分輻照頻率點上，即使輻照場強達到500 V/m，引信也不會出現(xiàn)意外發(fā)火現(xiàn)象，表明天線確實是連續(xù)波輻照時主要的能量耦合通道。

第2組試驗：將引信上所有的孔縫進行有效屏蔽，對其進行單一頻率等幅正弦波輻照試驗，測量其最小發(fā)火電場強度，并將試驗結(jié)果與相應(yīng)的未屏蔽時輻照試驗結(jié)果進行對比。各發(fā)引信試驗數(shù)據(jù)結(jié)果相似，其中一發(fā)引信孔縫屏蔽前后輻照試驗結(jié)果對比如表4所示。

表4 引信孔縫屏蔽前后輻照試驗結(jié)果對比

從表4可以看出：將引信上所有的孔縫進行有效屏蔽后，引信最小發(fā)火電場強度并沒有發(fā)生明顯變化，表明孔縫并不是連續(xù)波輻照時主要的能量耦合通道。

第3組試驗：分別為引信配用2種不同類型的仿真彈體，對其進行單一頻率等幅正弦波輻照試驗，測量其最小發(fā)火電場強度，并將不同彈體下相應(yīng)試驗結(jié)果進行對比。各發(fā)引信試驗數(shù)據(jù)結(jié)果相似，其中一發(fā)引信配用不同彈體后輻照試驗結(jié)果對比如表5所示。

表5 配用不同彈體引信輻照試驗結(jié)果對比

從表5可以看出：配用不同的彈體確實對引信最小發(fā)火電場強度有一定的影響，但變化幅度較小，發(fā)火電場強度最大變化約為8.3%，因此不能認為彈體是連續(xù)波輻照時主要的能量耦合通道。

綜合以上試驗結(jié)果可知：連續(xù)波主要的能量耦合通道為天線。

3 引信意外發(fā)火原因分析

通過對引信能量耦合通道的分析，發(fā)現(xiàn)引信意外發(fā)火的可能原因如下：

1) 連續(xù)波能量通過天線耦合至引信內(nèi)部，作用于后端起爆電路誤動作而發(fā)火；

2) 連續(xù)波能量作用于引信前端電路，導(dǎo)致引信執(zhí)行電路得到控制信號而發(fā)火。

為了確定連續(xù)波能量作用部位，對引信發(fā)火時的控制信號和發(fā)火信號進行了觀測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在單一頻率等幅正弦波和掃頻連續(xù)波輻照試驗中，每次在示波器上觀測到發(fā)火信號的同時均觀測到執(zhí)行電路控制信號，如圖1所示，表明連續(xù)波能量作用位置不是引信后端起爆電路，而是引信前端電路。

圖1 控制信號和發(fā)火信號

3.1 引信前端電路分析

引信前端電路主要包括自差式收發(fā)機和信號處理電路。引信的自差式收發(fā)機是引信與目標相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)，一方面，它本身是一個自激振蕩器，屬于非線性、非自持的振蕩系統(tǒng)，干擾信號對自差式收發(fā)機的作用相當(dāng)于在振蕩回路中加入了一個信號源(外部交變電動勢)，在輻照試驗中，由于輻照場強較大，耦合到自差式收發(fā)機振蕩器上的干擾信號(外加電動勢)可能較強，會對自差式收發(fā)機振蕩頻率、發(fā)射信號大小等工作狀態(tài)造成很大影響；另一方面，天線接收到信號后，接收信號與振蕩信號通過振蕩管產(chǎn)生差拍頻率，即多普勒頻率，經(jīng)過檢波電路后，以檢波電壓的形式傳遞給信號處理電路。因此，當(dāng)輻照頻率和輻照場強不同時，自差式收發(fā)機必然處于不同的工作狀態(tài)中，最終產(chǎn)生的檢波電壓必然有所差別[7]。

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檢波電壓進入信號處理電路的兩路通道，經(jīng)過處理后形成了幅度檢測以及增幅速率上、下限檢測，和與非門共同作用形成了幅度/增幅速率檢測門。在引信正常工作的情況下，只有滿足了幅度/增幅速率檢測門判決門限的回波信號，才可以使引信前端輸出控制信號，使引信起爆。

3.2 引信前端電路連續(xù)波作用機理

在掃頻連續(xù)波輻照時，頻率變化使自差式收發(fā)機的工作狀態(tài)發(fā)生躍變，導(dǎo)致檢波電壓始終處于變化中。如果掃頻連續(xù)波滿足一定的條件，就可使檢波電壓的波動超過增幅速率檢測門判決門限，引起處理電路誤判。結(jié)合掃頻連續(xù)波輻照試驗結(jié)果，滿足3個條件的掃頻波，即掃頻頻段包含f0，掃頻步長<150 kHz，以及駐留時間<80 ms，可引起信號處理電路誤判，產(chǎn)生控制信號，從而導(dǎo)致引信發(fā)火。

在單一頻率等幅正弦波輻照時，由于信號頻率和幅值固定，從表面上看并不能使自差式收發(fā)機工作狀態(tài)發(fā)生變化，因此需要進一步分析。

一般規(guī)定[8]：當(dāng)干擾能量在引信天線上耦合的能量遠小于回波信號時，定義為對引信的弱信號干擾；當(dāng)干擾能量在引信天線上耦合的能量與回波信號相當(dāng)時，定義為對引信的小信號干擾；當(dāng)干擾能量在引信天線上耦合的能量遠大于回波信號時，定義為對引信的大信號干擾。大、小、弱信號不是絕對的，與干擾信號本身的頻率、幅值以及引信天線的特性有密切關(guān)系。

自差式收發(fā)機在接收時是一個非自持、非線性的振蕩系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的非線性關(guān)系，在受到外加周期干擾信號時，系統(tǒng)會出現(xiàn)與外加信號同步共振及非同步共振2種振蕩[9]。

在同步共振狀態(tài)下，引信中自差式收發(fā)機受外加信號干擾，會出現(xiàn)頻率牽引現(xiàn)象，自差式收發(fā)機接收到的多普勒信號與外加干擾信號發(fā)生頻率牽引，導(dǎo)致自差式收發(fā)機接收到的多普勒信號的相位和頻率均發(fā)生改變[10]。

而在非同步共振狀態(tài)下，系統(tǒng)的定常振蕩可表示為強迫振蕩與自由振蕩2項之和，根據(jù)外加信號不同，則可能出現(xiàn)如下3種振蕩狀態(tài)[11]：1)弱信號使自由振蕩項趨于一個非0的定常振幅；2)大信號使自由振蕩項衰減為0，發(fā)生抑制；3)小信號使某些頻率區(qū)域中的振蕩情況更復(fù)雜，自差式收發(fā)機工作狀態(tài)不穩(wěn)定。

綜上所述，單一頻率等幅正弦波對自差式收發(fā)機可能存在如下2種形式的干擾機制。

1) 單一頻率等幅正弦波經(jīng)過調(diào)制，變成類似于引信工作時產(chǎn)生的多普勒信號的干擾信號，使自差式收發(fā)機處于同步共振狀態(tài)，形成類似目標回波信號的多普勒信號，導(dǎo)致引信意外發(fā)火。

2) 干擾信號使自差式收發(fā)機處于非同步共振狀態(tài)。

在單一頻率等幅正弦波輻照試驗中，正弦波信號沒有經(jīng)過任何形式的調(diào)制，顯然不符合第1種機制，因此單一頻率等幅正弦波對自差式收發(fā)機的干擾只能屬于第2種機制。在第2種干擾機制下，引信自差式收發(fā)機如果工作在大信號或弱信號干擾情況下，自差式收發(fā)機工作狀態(tài)比較穩(wěn)定，輸出的檢波電壓也處于穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足信號處理電路幅度/增幅速率檢測門判決門限，引信不會意外發(fā)火。因此，只有引信自差式收發(fā)機工作在小信號干擾情況下，即在特定的輻照頻率與電場強度干擾下，才導(dǎo)致自差式收發(fā)機工作狀態(tài)不穩(wěn)定，輸出的檢波電壓出現(xiàn)波動，一旦達到信號處理電路的判決門限，就能推動執(zhí)行電路使引信意外發(fā)火。

4 結(jié)論

通過對A型無線電引信開展一系列單一頻率等幅正弦波以及掃頻連續(xù)波電磁輻照試驗，得到該型引信連續(xù)波輻照效應(yīng)規(guī)律，確定了連續(xù)波能量在該型引信上的耦合通道，分析了該型引信在連續(xù)波輻照下意外發(fā)火的原因，為完善無線電引信電磁脈沖防護設(shè)計提供有益參考。然而，本文僅從定性的角度分析了連續(xù)波對無線電引信中自差式收發(fā)機的干擾作用，缺少直接的試驗驗證，下一步將專門對此進行試驗研究。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Research on the Constant Wave Radiation Effect and Energy Coupling Entryway to a Radio Fuze

JIAN Xun, ZHANG Xi-jun, XIONG Jiu-liang, YANG Jie

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

In order to get the constant wave radiation effect of radio fuze, model A radio fuze is taken as the research object, the fixed-frequency sine wave and sweeping-frequency constant wave radiation tests are carried out. The test results show that: the radiation of constant wave can lead accidental fire of fuze and the fuze is much more sensitive to sweeping-frequency constant wave; the constant wave energy coupling entryway to radio fuze is antenna; the reason of accidental explosion is the autodyne in the fuze works abnormally under the constant wave irradiation.

radio fuze; constant wave radiation effect; energy coupling entryway; accidental explosion; autodyne

1672-1497(2015)06-0044-05

2015-09-13

軍隊科研計劃項目

簡 勛(1990-)，男，碩士研究生。

TJ43+4.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.009