超宽带电磁脉冲对无线电引信辐照效应研究

󰀁󰀁文章编号:1008-2956(2010)03-0013-05

超宽带电磁脉冲对无线电引信辐照效应研究

陈亚洲,丁潇,陈嵩

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄󰀁050003)

摘要:为了研究无线电引信在强电磁环境下的安全性和可靠性,利用频带很宽的超宽带电磁脉冲(UWB)源对某型无线电引信系统进行了辐照实验。对不同姿态的无线电引信系统的UWB辐照试验表明,当无线电引信系统的轴线方向与超宽带辐射场极化方向一致时,电磁能量耦合最强,最易于受到超宽带电磁辐射场的干扰;在无线电引信系统不加电情况下,UWB辐照基本不会使无线电引信起爆,也不会对其产生明显影响;但是较强的UWB辐射场会使处于加电工作状态下无线电引信意外起爆,但经过辐照后整个无线电引信系统内在性能参数不会产生明显变化。

关键词:无线电引信;超宽带;电磁效应

中图分类号:TJ43;O441󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

ResearchonRadiationEffectsofUltra󰀂WideBand

ElectromagneticPulseonRadioFuze

CHENYa󰀂zhou,DINGXiao,CHENSong

(InstituteofElectricity&ElectromagneticProtection,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang󰀁050003,China)

Abstract:Inordertoresearchthesecurityandreliabilityofradiofuzeunderthestrongelectromagnetic

pulseenvironmen,ttheEMPradiationtestofatypeofradiofuzehasbeendonebyuseofUWBEMPgen󰀂erator.TheradiationtestofUWBEMPontheradiofuzeofdifferentattitudeswasconducted,andthere󰀂sultsshowthatthefuzeismosteasilyinterferedwithandtheelectromagneticenergycouplingisstrongestwhiletheaxialdirectionoftheradiofuzesystemandthepolarizeddirectionofUWBEMPareinconcord󰀂ance.Thetestindicatesthatthepower󰀂offradiofuzecannotbeexplodedorbeinfluencedbytheradiationofUWBEMP.HoweverthestrongerUWBEMPmayinitiatetheradiofuzeintheworkingstateunexpect󰀂edly,andtheperformanceoftheradiofuzesystemhasnoobviouschangeafterbeingradiatedbyUWBEMP.

Keywords:radiofuze;UWB;electromagneticeffect󰀁󰀁随着现代微电子技术的发展,无线电引信专用集成电路获得了广泛应用,引信内部电路对电磁信号的敏感程度也越来越高,但控制引信触发的电磁信号往往非常弱。如果采取的防护措施不完善,引信很可能会因受到各种意外电磁信号的干扰而不能正常发挥其战斗效能

[1-2]

脉冲效应受到越来越多的重视。许多研究者对无线

[3-6]

电引信的强电磁脉冲效应进行了研究。超宽带电磁脉冲作为一种重要的电磁脉冲干扰源,其脉宽非常窄,上升沿很陡,频带很宽,所含频谱极其丰富,可以覆盖多种目标系统的响应频率,对无线电引信等电子系统具有非常大的威胁,能够对无线电引信进行全寿命周期干扰。笔者利用UWB辐射源对某型无线电引信的电磁环境效应进行研究。

,因此无线电引信的电磁

收稿日期:2009󰀂11󰀂18;修回日期:2010󰀂01󰀂11

项目来源:国家优秀博士学位论文作者专项基金资助项目

(2004󰀂55)

作者简介:陈亚洲(1975󰀂),男,博士,副教授.

14

军械工程学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010󰀁

1󰀁实验设备和系统设计

实验选用GW级超宽带电磁脉冲辐射系统作为UWB电磁脉冲辐射源。该系统主要由三部分组成:紧凑Tesla型初级脉冲功率源、Peaking󰀂Chopping型高功率超宽谱亚纳秒脉冲产生器和抛物反射面超宽带辐射天线。脉冲功率源用于产生脉宽为纳秒量级的高压脉冲;亚纳秒脉冲产生器将纳秒电脉冲进行压缩和陡化,形成脉冲前沿为亚纳秒量级的电磁脉冲;辐射天线将高功率超宽谱亚纳秒脉冲产生器产生的超宽谱电磁脉冲辐射出去,形成在空间传播的UWB电磁辐射,系统结构如图1所示。

󰀁󰀁该UWB源可产生脉冲宽度0󰀁5ns~4󰀁5ns连续可调、脉冲上升前沿为320ps、电场极化方向为垂直方向的UWB电磁脉冲,频谱范围可从50MHz延伸到2GHz,其产生的峰值功率达到1GW。该辐射源不但可以输出单个UWB脉冲,还可以产生重复频率达100Hz的UWB电磁脉冲串,它的辐射天线主轴方向辐射场波束宽度约8 ,具备辐射方向调节功能,可作360 水平旋转和90 俯仰。

超宽带电磁脉冲对无线电引信辐照实验设计方案示意图,如图2所示。无线电引信与炮弹配合后放于非金属支架上,其高度与UWB源的抛物面辐射天线轴线高度一致。抛物面辐射天线的对称轴线指向无线电引信所在方向,弹体可以分三种姿态放置,分别为与UWB电磁脉冲场的极化方向相同或正交。UWB辐射源标配的监测天线放于引信后一定距离,实时接收UWB辐射场信号,并通过标配的微波屏蔽电缆把信号传送到位于屏蔽室内的数字示波器。

2󰀁UWB对无线电引信的辐照效应实验

利用UWB源产生的不同强度的辐射场对处于

不同姿态、不加电和正常工作状态的引信进行辐照实验,研究引信的UWB辐照效应。可以将引信系统看作等效天线置于UWB辐射场中,天线姿态不同时,所耦合的能量会有很大的差异。为了找出引信系统与UWB能量耦合最强时引信的姿态,首先进行UWB对不同姿态无线电引信的辐照效应实验。2󰀁1󰀁UWB对不同姿态无线电引信的辐照效应

实验中,无线电引信系统分别以A,B,C三种姿态置于辐射场中,研究引信处于不同辐照强度时的辐照效应。

姿态A:弹体与引信紧密结合,弹体轴向与UWB辐射场的电场极化方向一致,引信竖直朝上。姿态B:弹体与引信紧密结合,弹体轴向垂直于UWB辐射场的电场极化方向,且垂直于电磁波的传播方向。

姿态C:弹体与引信紧密结合,引信和弹体的轴线与UWB脉冲传播方向保持一致,引信指向UWB源。

选取5枚各项参数正常的引信依次装配在弹体上,引信和弹体一起置于支架上,用电池为引信供电,引信按照A,B,C三种姿态放置。然后进行超宽带辐照实验,统计同一电场强度下引信发火次数。实验中,首先测得UWB辐射场脉宽为2󰀁24ns。由于每次UWB源辐射的电场强度可能会有差异,辐照实验时,先利用单次脉冲辐照3次,然后利用20次/s󰀁第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁陈亚洲等:超宽带电磁脉冲对无线电引信辐照效应研究

15

重复脉冲串辐照,最后利用100次/s脉冲串辐照。如果引信能起爆,即算一次发火,辐照结果见表1。

表1󰀁超宽带电磁脉冲对不同姿态引信的辐照结果

辐射场强/(kV!m-1)

81100123152

引信起爆次数姿态A0255

姿态B0001

姿态C0000

对不同姿态引信的辐照实验结果可知,实验装置垂

直于地面放置时,引信最容易受到干扰。实验装置垂直于地面放置,点火头接在引信的发火引线上,将用于测试UWB辐射场强的TEM天线置于引信旁边,实时测试该点电场强度。实验用超宽带源的脉冲宽度在0󰀁5ns~4󰀁5ns之间,为使引信受到辐照的效应比较明显,选定一个合适的脉宽,大约2ns左右,该脉宽信号高频成分丰富,对引信的干扰比较明显。首先通过屏蔽电缆,用示波器测得UWB电磁脉冲的实际脉宽为2󰀁24ns。

3)进行UWB电磁脉冲辐照实验。辐照时,先利用单次脉冲辐照3次,然后利用20次/s重复脉冲串辐照,最后利用100次/s脉冲串辐照。如果辐照过程中电点火头起爆,则停止该引信的实验,更换引信,同时,记录该引信的标号。在完成5发引信的样本量后,检测辐照后引信的技术指标并记录辐照效应结果。

在对加电引信进行尝试性辐照实验时,发现引信在距离UWB辐射源大约10m左右就会有起爆信号,所以进行实验时弹体和引信竖直置于距离辐射源大约14m处以2m的步长由远及近进行辐照,即辐照场强由小到大,直到离辐射源4m处,电场强度峰值达到了170kV/m。实验发现,无论距离多远,在引信不加电时,UWB电磁脉冲并不能使引信起爆,引信系统距离辐射源4m处实验结果见表2。由于引信的工作频率是一项保密参数,频率参数统一缩小x倍。

通过表2可以得出:

1)实验条件下电场强度为170kV/m以下的UWB辐射场不能使未加电的无线电引信输出起爆信号。

2)实验条件下电场强度为170kV/m以下的UWB辐射场对引信的各项技术指标没有明显影响,对引信不能产生硬损伤。

同时,对经过超宽带电磁脉冲辐照的引信进行检测,引信电子部件性能参数没有明显变化,重新加电后引信仍能正常工作。

从实验结果可以看出:在弹体与引信紧密结合的情况下弹体(含引信)轴线与UWB辐射场电场极化方向一致时,引信更容易被UWB辐照而输出起爆。在姿态B和姿态C时,引信受UWB辐照效果不明显,只是当辐射场强达到152kV/m时,才有一发处于B状态的引信起爆。

实战状态下受到超宽带辐照的引信可能处于各种姿态,基于安全性和可靠性的考虑,需要找到能量耦合最强的姿态。引信和弹体轴线与UWB辐射场电场极化方向一致时,可以耦合更多的电场能量,因此这个姿态时耦合能力最强,引信最容易受到干扰。下述实验中引信系统都将按照该姿态进行放置。2󰀁2󰀁UWB对勤务处理状态下无线电引信的辐照效应

无线电引信出厂后大部分时间是处于储存、运输和修理等勤务处理状态,引信的电路是不供电的。对勤务处理状态下的无线电引信辐照效应实验步骤如下:

1)首先检测引信的各项技术指标并记录。利用引信性能检测装置对引信性能进行检测。

2)将引信安装于弹体上,引信不加电,由UWB

16

军械工程学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010󰀁

2󰀁3󰀁UWB对工作状态下无线电引信的辐照效应

该型引信配用某型榴弹弹体,利用蓄电池对引信进行供电,模拟其工作状态。蓄电池置于炮弹壳体内,以利用弹体的屏蔽性能降低UWB电磁脉冲辐射场对电源部分的影响;弹体垂直于地面放置,与UWB辐射场极化方向一致,引信加电;辐照实验的条件、步骤和实验样本量同不加电的引信实验一样。引信与UWB电磁脉冲辐射源不同距离时的实验结果见表3󰀂5。

引信距离UWB辐射源12m处,测得UWB电磁脉冲辐射场强为81kV/m,辐照实验结果见表3。通过表3可以看出:没有发现有引信输出起爆信号。辐照实验后,利用无线电引信检测系统检测引信,引信的技术指标在辐照前后并没有发生明显变化。这说明当UWB电磁脉冲辐照场强为81kV/m

时,并不能对处于工作状态的引信产生干扰。

引信距离辐射源10m处,测得UWB电磁脉冲辐射场强为100kV/m。辐照实验结果见表4。通过表4可以看出:01号引信被UWB单次脉冲触发起爆,04号引信在频率20Hz的重复脉冲串辐照下起爆,其余3发引信未受到影响。实验后,利用无线电引信检测系统检测,引信的技术指标在辐照前后并没有发生明显变化。这说明在辐射场强100kV/m左右时,UWB对无线电引信有一定的影响,可能会使引信意外起爆,但不能使引信产生硬损伤。

引信距离辐射源8m处,测得UWB电磁脉冲辐射场强为123kV/m,辐照实验结果见表5。

通过表5可以看出:01号、04号引信被UWB单次脉冲触发起爆,02号、03号、05号引信在频率100Hz的重复脉冲串辐照下起爆。实验后,利用无线电

󰀁第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁陈亚洲等:超宽带电磁脉冲对无线电引信辐照效应研究

17

引信检测系统检测,引信的技术指标在辐照前后并没有发生明显变化。这说明在UWB电磁脉冲辐射场强达到123kV/m,UWB对无线电引信的影响已经很明显了,能使引信全部出现意外起爆。

引信距离辐射源6m处,测得辐射场强为152kV/m。辐照实验结果表明:01󰀂05号引信均被UWB电磁脉冲单次脉冲触发起爆。实验后,利用无线电引信检测系统检测,引信的技术指标在辐照前后并没有发生明显变化。这说明在辐射场强达到152kV/m左右时,UWB能使该型号的无线电引信均意外起爆,但经过辐照后整个无线电引信系统的性能不会产生明显变化。

为了得到使引信起爆的精确阈值,后来对03号引信进行了步进更小的测试,但是由于实验时,超宽带源每次辐射场强不是完全一致,会有一定的误差,并且是以被试引信出现误炸为控制条件,难以精确确定引信的损伤阈值。通过综合比较,可以大致确定被试引信的最大不发火阈值在90kV/m左右。在此基础上,改变UWB脉冲宽度对无线电引信进行了辐照试验,实验结果表明在不同宽度UWB辐照下的引信起爆阈值和UWB的宽度基本成线性正比关系。

干扰;在无线电引信系统不加电情况下,对UWB电磁辐照不敏感,即使UWB达到170kV/m也不能使无线电引信早爆,对引信的安全性和可靠性没有明显影响;在无线电引信系统加电工作情况下,对UWB电磁辐照比较敏感,当UWB辐照场强达到90kV/m以上时,会使处于加电工作状态下无线电引信意外起爆,但不能使引信产生硬损伤,该型引信的最大不发火阈值为90kV/m;当辐射场强达到152kV/m左右时,UWB能使处于工作状态的无线电引信全部意外起爆,但经过辐照后整个无线电引信系统的性能不会产生明显变化;引信起爆阈值和UWB电磁脉冲宽度基本成线性正比关系,UWB带宽越窄,引信起爆阈值越小。

参考文献:

[1]钱振林.无线电近炸引信抗干扰电路研究[J].航天电子

对抗,2002(1):7󰀂9.

[2]简金蕾,任宏滨.数字信号处理器在无线电引信抗干扰

中的应用研究[J].电讯技术,1998,38(6):76󰀂77.[3]黄久生.典型电磁危害源分析及无线电引信电磁辐照效

应的实验研究[D].石家庄:军械工程学院,1997.[4]李宏建.典型电引信强电磁脉冲效应实验研究[D].石

家庄:军械工程学院,1998.

[5]陈亚洲.雷电电磁场理论计算及对电引信的辐照效应实

验[D].石家庄:军械工程学院,2002.

[6]魏光辉,陈亚洲,孙永卫.微波辐照对无线电引信的影响

与作用机理[J].强激光与粒子束,2005,17(1):88󰀂92.

(责任编辑:陈北宁)

3󰀁结论

利用UWB源对某型无线电引信进行了电磁脉冲辐照试验。实验结果表明,当无线电引信系统的

轴线方向与超宽带系统辐射场极化方向一致时,电磁能量耦合最强,最易于受到超宽带电磁辐射场的