超寬譜電磁脈沖與無(wú)線電引信的耦合模式與作用機(jī)理

超寬譜電磁脈沖與無(wú)線電引信的耦合模式與作用機(jī)理

國(guó)際能源委員會(huì)（iec）的77個(gè)分支機(jī)構(gòu)將入射電流強(qiáng)超過(guò)100vm-1的電磁環(huán)稱為高功率電磁環(huán)。通常，討論高功率微波時(shí)，微波源的最大值功率超過(guò)100mw。超寬譜(UWS)電磁脈沖是高功率微波的一種,其上升前沿陡、脈寬窄、相對(duì)頻譜寬、瞬時(shí)功率高、干擾能力強(qiáng),可以干擾的引信種類多,能夠?qū)o(wú)線電引信進(jìn)行全壽命期干擾。因此研究無(wú)線電引信在強(qiáng)電磁環(huán)境,特別是在高功率微波條件下的輻照效應(yīng)和防護(hù)加固具有重要的意義。1超寬譜電磁脈沖關(guān)于無(wú)線可靠性的耦合模型分析1.1gs/s防護(hù)墻及電纜墻實(shí)驗(yàn)所用裝置和儀器包括:超寬譜電磁脈沖源、TDS7404B數(shù)字存儲(chǔ)示波器(美國(guó)TEK公司,采樣速率為20GS/s)、TEM天線、防護(hù)用吸波屏蔽墻、屏蔽電纜、60dB衰減器以及某型無(wú)線電引信。其中超寬譜電磁脈沖源采用GW級(jí)超寬譜電磁脈沖輻射系統(tǒng)(如圖1所示),該系統(tǒng)主要有三部分組成:緊湊型Tesla初級(jí)脈沖功率源,Peaking-Chopping型高功率超寬譜亞ns脈沖產(chǎn)生器和拋物反射面超寬帶輻射天線。1.2超寬譜電磁脈沖源波動(dòng)造成的誤差的原因首先,用超寬譜電磁脈沖源、TEM天線、屏蔽電纜、60dB的衰減器對(duì)不同距離處超寬譜電磁脈沖的輻射場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量,每處測(cè)量10次,取平均值,以減小超寬譜電磁脈沖源波動(dòng)造成的誤差。其次,為了確定超寬譜電磁脈沖對(duì)無(wú)線電引信的能量耦合模式,對(duì)以下5種無(wú)線電引信進(jìn)行對(duì)比輻照實(shí)驗(yàn),其中A代表完整且未屏蔽任何模塊的引信,B代表去掉自差機(jī)天線的引信;C代表屏蔽了裝定開(kāi)關(guān)的引信;D代表屏蔽了電源模塊的引信;E代表屏蔽了低頻電路模塊的引信。實(shí)驗(yàn)中超寬譜電磁脈沖源與引信的距離不小于5m,即實(shí)驗(yàn)中的輻照是在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行的。1.3信號(hào)的屏蔽情況為了確定超寬譜電磁脈沖對(duì)無(wú)線電引信的能量耦合模式,對(duì)上述5種未配用彈體的無(wú)線電引信進(jìn)行對(duì)比輻照實(shí)驗(yàn),輻照結(jié)果如表1所示。通過(guò)表1可以看出:A,B,C,E4種引信的輻照結(jié)果基本一致,因此可以排除引信自差機(jī)天線、裝定開(kāi)關(guān)、低頻電路模塊是超寬譜電磁脈沖能量的主要耦合模式的可能性。但是屏蔽了電源模塊的無(wú)線電引信D與其它4種引信的輻照結(jié)果相比有了很大變化,在輻射場(chǎng)強(qiáng)小于等于63.6kV·m-1時(shí),屏蔽了電源模塊的引信D基本不發(fā)火,而其它4種引信在場(chǎng)強(qiáng)小于等于58.2kV·m-1時(shí)才基本不發(fā)火。所以可以看出引信D對(duì)超寬譜電磁脈沖的抗干擾能力明顯改善,因此可以確定引信的電源模塊是超寬譜電磁脈沖能量與無(wú)線電引信的主要耦合通道。2引流意外響應(yīng)為了研究超寬譜電磁脈沖對(duì)無(wú)線電引信的作用機(jī)理,對(duì)引信執(zhí)行電路(如圖2所示)和引信低頻電路(如圖3所示)進(jìn)行了分析,其中圖2中的電源由電源模塊輸出,發(fā)火信號(hào)由增幅速率比較電路輸出,C1為儲(chǔ)能電容,SCR為晶閘管,R1為充電電阻,R2為分壓電阻,LD為電雷管,A點(diǎn)表示晶閘管SCR陽(yáng)極的結(jié)點(diǎn)。執(zhí)行電路的作用過(guò)程是:在發(fā)火信號(hào)到來(lái)之前,電源通過(guò)電阻R1對(duì)電容C1充電,當(dāng)發(fā)火信號(hào)達(dá)到晶閘管的觸發(fā)電平時(shí),晶閘管導(dǎo)通,電容C1經(jīng)晶閘管向電雷管LD放電使電雷管起爆。通過(guò)對(duì)引信執(zhí)行電路作用過(guò)程的分析,發(fā)現(xiàn)引信意外發(fā)火有兩種可能:(1)執(zhí)行電路中的發(fā)火信號(hào)端意外輸出信號(hào)使晶閘管導(dǎo)通,儲(chǔ)能電容對(duì)電雷管放電使引信意外發(fā)火;(2)執(zhí)行電路中的電源端產(chǎn)生波動(dòng),使晶閘管導(dǎo)通,儲(chǔ)能電容對(duì)電雷管放電使引信意外發(fā)火。通過(guò)圖3可以看出:引信電源模塊向引信自差機(jī)、低頻電路模塊、執(zhí)行電路供電,其中低頻電路模塊包括濾波放大電路、整流積分電路、增幅速率比較電路、抗干擾支路。所以電源模塊因超寬譜電磁脈沖引起的電源波動(dòng)會(huì)對(duì)引信自差機(jī)、低頻電路模塊、執(zhí)行電路產(chǎn)生影響。但是前面輻照實(shí)驗(yàn)已經(jīng)排除了引信自差機(jī)和低頻電路模塊是超寬譜電磁脈沖能量的主要耦合模式的可能性,所以執(zhí)行電路中的發(fā)火信號(hào)端不可能輸出信號(hào),由此得出引信意外發(fā)火是屬于第二種情況。可以初步確定超寬譜電磁脈沖對(duì)無(wú)線電引信的作用機(jī)理是:超寬譜電磁脈沖耦合到引信電源模塊使電源模塊的輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng),從而使晶閘管導(dǎo)通,儲(chǔ)能電容對(duì)電雷管放電,引信意外發(fā)火。3地位電提取與防護(hù)加固根據(jù)超寬譜與無(wú)線電引信的作用機(jī)理,又因?yàn)槌瑢捵V電磁脈沖是上升沿和下降沿很陡的高功率微波,而且是通過(guò)無(wú)線電引信的電源對(duì)引信的執(zhí)行機(jī)構(gòu)起作用的,從而導(dǎo)致引信意外發(fā)火,所以采用在引信執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源端加入一電感(L)的方法對(duì)引信進(jìn)行防護(hù)加固,電路見(jiàn)圖4,其中,R1,C1,R2,LD,A為晶閘管陽(yáng)極的結(jié)點(diǎn),電源由引信電源模塊供給。為了驗(yàn)證防護(hù)加固措施是否有效,對(duì)引信執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造,用電池作為執(zhí)行電路的電源,以替代引信電源模塊的輸出,對(duì)防護(hù)加固前后的引信的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比輻照,每個(gè)距離處輻照10次,記錄電雷管的發(fā)火次數(shù),結(jié)果見(jiàn)表2。從表2的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,改進(jìn)后引信執(zhí)行電路抗UWS-EMP干擾的場(chǎng)強(qiáng)從58kV·m-1提高到130kV·m-1,對(duì)UWS-EMP防護(hù)能力明顯提高,說(shuō)明對(duì)引信的防護(hù)加固措施是有效的,也證明了對(duì)超寬譜電磁脈沖與無(wú)線電引信作用機(jī)理的分析是正確的。4信號(hào)仿真研究為了驗(yàn)證無(wú)線電引信與超寬譜的耦合模式和作用機(jī)理,以及引信防護(hù)加固措施的有效性和可靠性,采用ORCADPSpiceA/D9.2程序?qū)σ胚M(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究。4.1超寬譜電磁脈沖在引信自差機(jī)和低頻電路模塊耦合下的工作原理在自差機(jī)輸出信號(hào)端加入超寬譜電磁脈沖信號(hào),對(duì)超寬譜電磁作用于引信低頻電路模塊(電路如圖2所示)的過(guò)程進(jìn)行了仿真,仿真波形如圖5所示,其中曲線1表示超寬譜電磁脈沖通過(guò)引信濾波放大電路后的波形,曲線2表示超寬譜電磁脈沖通過(guò)引信整流積分電路后的波形。由此可以看出超寬譜電磁脈沖在經(jīng)過(guò)整流積分電路后已經(jīng)基本被抑制,從而驗(yàn)證了超寬譜電磁脈沖不能通過(guò)引信自差機(jī)和低頻電路模塊耦合使引信意外發(fā)火這一結(jié)論。另外,對(duì)電源模塊輸出電壓波動(dòng)導(dǎo)致引信意外發(fā)火進(jìn)行了仿真,將發(fā)火信號(hào)端懸空,同時(shí)引信處于待發(fā)狀態(tài),對(duì)執(zhí)行電路(見(jiàn)圖3)進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析。通過(guò)仿真波形(如圖6所示)可以看出,晶閘管陽(yáng)極A點(diǎn)的電壓隨著電源對(duì)儲(chǔ)能電容的充電慢慢升高,當(dāng)超寬譜電磁脈沖到達(dá)引信執(zhí)行電路時(shí),晶閘管A點(diǎn)電壓急劇下降到5V左右,而電雷管兩端的電壓急劇下降到-10V左右,所以可以判斷,此時(shí)晶閘管被導(dǎo)通,儲(chǔ)能電容C1開(kāi)始放電,引信意外發(fā)火。4.2超寬譜放電后的仿真為了進(jìn)一步驗(yàn)證防護(hù)加固措施的有效性,對(duì)防護(hù)加固前后的引信的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如圖3、圖4所示)進(jìn)行了仿真,仿真波形分別如圖7、圖8所示。從圖6、圖7防護(hù)加固前后執(zhí)行電路晶閘管A點(diǎn)和電雷管的電壓仿真波形可以看出:改進(jìn)前執(zhí)行電路的晶閘管陽(yáng)極A點(diǎn)的電壓在超寬譜輻照時(shí)急劇下降,電雷管兩端的電壓也從0下降到-10V左右。因此根據(jù)晶閘管的參數(shù)特性可以得出晶閘管此時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通。而改進(jìn)后執(zhí)行電路的晶閘管A點(diǎn)的電壓和電雷管的電壓在超寬譜輻照時(shí)幾乎沒(méi)有變化,因此根據(jù)晶閘管的參數(shù)特性可以得出:在對(duì)執(zhí)行電路改進(jìn)(即加入電感)后,晶閘管沒(méi)有導(dǎo)通。通過(guò)仿真進(jìn)一步證明了防護(hù)加固措施具有良好的效果,而且也證明了超寬譜電磁脈沖與無(wú)線電引信作用機(jī)理分析的正確性。為了研究在加入電感后是否會(huì)影響引信的效能,對(duì)加固后的整個(gè)引信進(jìn)行仿真,其中發(fā)火信號(hào)和電雷管發(fā)火時(shí)兩端的波形如圖8、圖9所示。加固前引信正常發(fā)火時(shí)的波形見(jiàn)圖10。根據(jù)與加固前引信的仿真波形和引信正常發(fā)火時(shí)的波形對(duì)比可以看出加固前后電容C1對(duì)電雷管的放電幅值和時(shí)間基本一致,放電幅值都在27V左右,放電時(shí)間都在15ms左右。同時(shí)對(duì)改進(jìn)前后的引信執(zhí)行電路進(jìn)行輻照,電雷管都能正常發(fā)火。因此可以得出:引信的加固措施對(duì)引信的效能沒(méi)有影響。5超寬譜電磁脈沖防護(hù)測(cè)試結(jié)果分析通過(guò)對(duì)5種無(wú)線電引信的輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):超寬譜電磁脈沖與無(wú)線電引信的作用主要是通過(guò)引信的電源模塊的耦合,引起電源輸出電壓波動(dòng),使晶閘管導(dǎo)通,導(dǎo)致引信意外發(fā)火。在對(duì)無(wú)線電引信與超寬譜電磁脈沖耦合模式和作用機(jī)理研究的基礎(chǔ)上對(duì)引信進(jìn)行了防護(hù)加固,并對(duì)防護(hù)加固后的引信進(jìn)行了超寬譜