連續(xù)波多普勒引信單頻連續(xù)波輻照效應規(guī)律分析*

熊久良，武占成，孫永衛(wèi)，程二威

(軍械工程學院 靜電與電磁防護研究所，石家莊050003)

1 引 言

目前，引信裝置電磁環(huán)境效應問題已經(jīng)成為國內(nèi)外學者研究的熱點［1－5］。整體來看，電磁干擾可以分為信息型干擾和能量型干擾［6－7］，目前對引信裝置電磁干擾效應的研究也集中在這兩個方面。文獻［8－13］深入研究了強電磁脈沖環(huán)境對某型分米波無線電引信裝置的電磁輻照效應，對其效應規(guī)律、作用機理以及防護方法進行了綜合分析。文獻［1，14－16］對連續(xù)波輻照下某型無線電引信裝置的電磁輻照效應進行了研究，得到該型引信裝置的效應規(guī)律及失效機理。然而，縱觀以上研究成果仍存在以下兩個方面的問題:一是不同引信裝置電路結(jié)構(gòu)、工作特點不同，文獻僅針對某型分米波無線電引信裝置進行了研究，缺乏其他種類引信裝置效應分析;二是文獻中的研究結(jié)論僅對受試引信裝置適用，是否有普適的效應規(guī)律需要進一步補充和研究。

針對以上問題，本文以典型連續(xù)波多普勒引信裝置為研究對象，開展其在單頻連續(xù)波下的輻照效應試驗，分析受試引信裝置的能量耦合通道和失效機理。在以上研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻［1］研究成果，提出了單頻連續(xù)波輻照下連續(xù)波多普勒引信裝置普適的效應規(guī)律。研究成果不僅對本文受試引信裝置提高防護能力有實用價值和軍事效益，而且對提高同類引信裝置及他類引信裝置電磁防護能力具有重要的指導意義。

2 試驗裝置與方法

為方便與文獻［1］結(jié)論進行對比，本文采用與文獻［1］相同的試驗系統(tǒng)方法:利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的等幅正弦波信號，由功率放大器放大后通過雙向耦合器由喇叭天線輻射等幅正弦波，對被試無線電引信裝置進行輻照。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出電平、功率放大器的增益倍數(shù)或被試無線電引信裝置與輻射天線之間的距離來調(diào)節(jié)輻照強度。

本文以兩種連續(xù)波多普勒引信裝置為研究對象(分別記為A 型引信裝置和B 型引信裝置)，其中A型引信裝置為分米波引信裝置，B 型引信裝置為米波引信裝置。參照文獻［1］的方法對受試引信裝置進行適應性改裝。摸底試驗表明:低于200 V/m的單頻連續(xù)波對非加電狀態(tài)下受試引信裝置的安全性沒有影響，但能使加電狀態(tài)的引信裝置意外發(fā)火。因此，本文主要對正常加電狀態(tài)引信裝置進行研究。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 最佳能量耦合方向試驗結(jié)果與分析

文獻［1］研究結(jié)果表明，引信裝置受試姿態(tài)會影響引信裝置臨界干擾場強。為此，定義(x，y，z)代表(水平角度，俯仰角度，自轉(zhuǎn)角度)，如圖1所示。根據(jù)受試引信裝置結(jié)構(gòu)特點，規(guī)定A 型引信裝置(0，0，0)姿態(tài)為:引信裝置正對天線，彈體軸線與輻射場傳播方向一致，三角環(huán)天線平面平行于水平面，裝定口垂直向上。B 型引信裝置(0，0，0)姿態(tài)為:引信裝置裝定孔正對天線，彈體軸線與輻射場傳播方向垂直，引信裝置豎直向上。利用研制的試驗臺［17］對不同姿態(tài)下的受試引信裝置進行輻照試驗。根據(jù)文獻［1，15］研究結(jié)論，調(diào)幅波對引信裝置的作用效果最為明顯，并且引信裝置的最佳能量耦合方向與連續(xù)波輻照源類型無關(guān)。因此，為方便測試，本文采用文獻［15］中調(diào)幅波對不同姿態(tài)下的受試引信裝置進行試驗，以確定最佳能量耦合方向。典型姿態(tài)下A 型引信裝置與B 型引信裝置試驗結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖1 引信裝置姿態(tài)示意圖Fig.1 Sketch map of fuze's pose

圖2 不同姿態(tài)下A 型引信裝置試驗結(jié)果Fig.2 Experiment results of A fuze in different pose

圖3 不同姿態(tài)下B 型引信裝置試驗結(jié)果Fig.3 Experiment results of B fuze in different pose

圖2和圖3為不同輻照頻率下典型姿態(tài)時受試引信裝置臨界干擾場強，圖中橫坐標為輻照頻率f與受試引信裝置本振頻率f0的頻差值。

從圖2中可以看出，不論何種姿態(tài)，彈體自轉(zhuǎn)90°后的姿態(tài)對能量的耦合能力要強于0°姿態(tài)。按姿態(tài)(0，0，90)放置時，引信裝置臨界干擾場強僅約為其他姿態(tài)臨界干擾場強值的25%。因此，此姿態(tài)為A 型引信裝置最佳能量耦合方向。從圖3中可以看出，不論何種姿態(tài)，0°姿態(tài)對能量的耦合能力要強于90°姿態(tài)。按姿態(tài)(0，0，0)放置時，引信裝置臨界干擾場強最小，而按姿態(tài)(0，90，0)放置時，引信裝置臨界干擾場強約為(0，0，0)姿態(tài)時的10 倍。因此，(0，0，0)姿態(tài)為B 型引信裝置最佳能量耦合方向。

3.2 能量耦合通道試驗結(jié)果與分析

從受試引信裝置結(jié)構(gòu)來看，電磁波能量作用于兩種受試引信裝置的可能耦合通道都包括前端未屏蔽的天線、連接過程中不可避免的孔縫以及彈體。為確定主要能量耦合通道，選取各項參數(shù)正常的受試引信裝置，對引信裝置正常狀態(tài)、屏蔽天線狀態(tài)、屏蔽孔縫狀態(tài)以及去掉彈體狀態(tài)四種情況進行調(diào)幅波輻照對比試驗，測試相同輻照頻率不同條件下受試引信裝置臨界干擾場強。典型試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 不同條件下A 型引信裝置試驗結(jié)果Fig.4 Experiment results of A fuze in different condition

圖5 不同條件下B 型引信裝置試驗結(jié)果Fig.5 Experiment results of B fuze indifferent condition

從圖4中可以看出:

(1)A 型引信裝置天線屏蔽后，在200 V/m的場強范圍內(nèi)，不再出現(xiàn)意外發(fā)火。與正常狀態(tài)引信裝置輻照情況相比，引信裝置臨界干擾場強出現(xiàn)了較大的改變，因此可以得出結(jié)論:天線是一條導致引信裝置起爆的主要能量耦合通道;

(2)對比正常輻照情況和屏蔽孔縫情況臨界干擾場強可知，屏蔽所有孔縫后，引信裝置在同一輻照頻率下的臨界干擾場強沒有明顯改變，其測量值的波動主要來源于測量誤差。從而可知，孔縫不是導致引信裝置起爆的主要能量耦合通道;

(3)對比正常輻照情況和無彈體情況臨界干擾場強可知，配彈引信裝置臨界干擾場強比無彈體引信裝置臨界干擾場強略大，最大增加約9%。但整體來看，臨界干擾場強值變化不大，說明彈體會影響引信裝置對輻照能量的接收能力，但影響程度有限，不是引信裝置的主要能量耦合通道。同時，此試驗結(jié)果也證明了A 型引信裝置天線可以配用不同彈體，具有較好的通用性。這一結(jié)論也與引信裝置廠家設(shè)計結(jié)論一致。

從圖5中可以看出:

(1)對比正常狀態(tài)引信裝置，屏蔽引信裝置天線后，B 型引信裝置臨界干擾場強增大超過了50%，可見，引信裝置天線影響引信裝置對輻照能量的耦合強度，是B 型引信裝置一條重要的能量耦合通道;

(2)屏蔽所有縫隙后，相較正常狀態(tài)結(jié)果，引信裝置臨界干擾場強沒有明顯改變，考慮測試誤差的影響，可知孔縫不是引信裝置的主要能量耦合通道;

(3)對比無彈體情況可知，無彈體受試引信裝置臨界干擾場強比有彈體臨界干擾場強值增幅超過了300%，可見，彈體影響著引信裝置對輻照能量的耦合強度，即彈體也是引信裝置一條重要的能量耦合通道;

(4)對比無彈體試驗結(jié)果與屏蔽天線試驗結(jié)果還可以看出，彈體對輻照能量耦合能力的影響要大于引信裝置天線的影響。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是:受試引信裝置為彈體天線，彈體作為天線的一部分影響輻射能量的接收能力。綜上所述，B 型引信裝置的主要能量耦合通道為天線和彈體。

3.3 效應規(guī)律試驗結(jié)果與分析

為研究受試引信裝置臨界干擾場強隨輻照頻率的變化規(guī)律，確定受試引信裝置敏感頻段，分別選取5 發(fā)改裝好的受試引信裝置，以最佳能量耦合姿態(tài)置于單頻連續(xù)波輻射場中進行輻照試驗，輻照場強最高值為200 V/m。試驗發(fā)現(xiàn)各引信裝置試驗現(xiàn)象相似，取其中一發(fā)引信裝置(主頻為f0)試驗數(shù)據(jù)進行分析，A、B 引信裝置臨界干擾場強與頻率系數(shù)(n =f/f0，f為輻射頻率)的關(guān)系分別如圖6和圖7所示。

圖6 A 型引信裝置臨界干擾場強與頻率系數(shù)關(guān)系圖Fig.6 Relationship between threshold interference field and frequency coefficient of A fuze

圖7 B 型引信裝置臨界干擾場強與頻率系數(shù)關(guān)系圖Fig.7 Relationship between threshold interference field and frequency coefficient of B fuze

A 型引信裝置試驗中輻照頻率f0/2～3f0，輻照頻率涵蓋了引信裝置三倍頻范圍。從試驗結(jié)果可以看出:

(1)一定頻率單頻連續(xù)波輻照能使處于工作狀態(tài)的A 型引信裝置意外發(fā)火，輻照頻率不同，引信裝置臨界干擾場強不同;

(2)A 引信裝置存在輻照敏感頻點和敏感頻段。在200 V/m場強范圍內(nèi)，A 型引信裝置僅在頻率約為2.944f0的頻點以及2.986f0～2.997f0的頻段范圍內(nèi)出現(xiàn)意外發(fā)火，而在其他頻點處無發(fā)火現(xiàn)象;

(3)引信裝置具有“倍頻效應”，即在倍頻附近引信裝置容易出現(xiàn)意外發(fā)火，且臨界干擾場強較小。對A 型引信裝置來說，200 V/m范圍內(nèi)引信裝置在三倍頻附近的最低場強小于100 V/m;

(4)A 型引信裝置具有較強的抗單頻連續(xù)波干擾的能力。

分析圖7中B 型引信裝置輻照效應結(jié)果可以看出:

(1)一定頻率單頻連續(xù)波輻照能使處于工作狀態(tài)的B 型受試引信裝置意外發(fā)火，輻照頻率不同，引信裝置臨界干擾場強不同;

(2)受試引信裝置存在輻照敏感頻點和敏感頻段?？梢钥闯?，在200 V/m 輻照場強范圍內(nèi)，在0.625f0～2.313f0及3f0～3.438f0的輻照頻率內(nèi)引信裝置較易發(fā)火，而2.75f0～2.938f0的輻照頻率內(nèi)，引信裝置沒有出現(xiàn)發(fā)火現(xiàn)象;

(3)B 型引信裝置也具有“倍頻效應”，本振頻率附近引信裝置臨界干擾場強小于6 V/m，在二倍頻附近引信裝置臨界干擾場強小于21 V/m，三倍頻附近引信裝置臨界干擾場強小于61 V/m;

(4)B 型引信裝置抗單頻連續(xù)波干擾的能力要比A 型引信裝置差。

4 討論

本文兩種受試引信裝置與文獻［1］受試引信裝置同為連續(xù)波多普勒引信裝置，對比分析三種引信裝置單頻連續(xù)波輻照效應結(jié)果可知:

(1)引信裝置存在最佳能量耦合方向，不同引信裝置最佳能量耦合方向與引信裝置的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。影響引信裝置能量耦合能力的因素包括彈體方向、天線方向、輻射波傳播方向等，其中彈體對引信裝置能量耦合能力的影響程度也決定了引信裝置的通用性，從本文的研究結(jié)果可以看出，A 型引信裝置通用性最好，B 型引信裝置通用性最差;

(2)無論何種引信裝置，其可能的能量耦合通道都包括天線、彈體、孔縫以及其他暴露在空氣中的部分［1］。由于引信裝置上面的孔縫較小且非人為預留，一般孔縫不是主要的能量耦合通道。天線為單頻連續(xù)波主要能量耦合通道，而彈體作為天線的一部分會影響整個引信裝置對輻射能量的接收能力。彈體對天線的影響程度越強，單頻連續(xù)波通過彈體產(chǎn)生影響的比重越大;

(3)試驗中發(fā)現(xiàn)，200 V/m 場強下，無論單頻連續(xù)波輻照頻率多大，都不會對非加電工作狀態(tài)的受試引信裝置產(chǎn)生影響;

(4)一定頻率單頻連續(xù)波輻照能使處于工作狀態(tài)的引信裝置意外發(fā)火，輻照頻率不同，引信裝置臨界干擾場強不同;

(5)引信裝置存在輻照敏感頻點和敏感頻段，即引信裝置在特定輻射頻率下臨界干擾場強較小;

(6)引信裝置存在“倍頻效應”，即引信裝置在本振頻率及倍頻附近其臨界干擾場強較小。在本振頻率附近，引信裝置的臨界干擾場強可達幾V/m;

(7)同一輻照頻率下，不同引信裝置臨界干擾場強有較大的差別，即引信裝置具有不同的抗單頻連續(xù)波干擾的能力。從本文研究結(jié)果可以看出，A型引信裝置抗單頻連續(xù)波干擾能力最強，文獻［1］中受試引信裝置次之，B 型引信裝置最弱。

5 結(jié)束語

本文以連續(xù)波多普勒引信裝置為研究對象，提出了普適的連續(xù)波多普勒引信裝置單頻連續(xù)波輻照效應規(guī)律，其研究結(jié)論對于其他引信裝置的效應研究及防護加固具有重要的指導意義。然而，應該提到的是，本文的結(jié)論是在三種連續(xù)波多普勒引信裝置輻照效應的基礎(chǔ)上提出的，由于引信裝置的部分規(guī)律與引信裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，下一步的研究中還需增加試驗對象，對連續(xù)波多普勒引信裝置效應規(guī)律進行擴展和驗證。

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