強(qiáng)電磁干擾下全電子引信通信孔的可靠性分析

陳 瑾，李 明，彭志凌，夏 禹

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中國船舶集團(tuán)有限公司， 北京 100097)

1 引言

全電子引信即電子安全與解除保險(xiǎn)裝置，其工作原理是升壓變壓器經(jīng)邏輯電路控制在短時(shí)間內(nèi)給儲能電容器充電，接收起爆信號后，高壓開關(guān)導(dǎo)通，起爆回路中會快速形成脈沖大電流大電壓，引發(fā)沖擊片雷管爆炸。電磁脈沖武器作為當(dāng)今電子戰(zhàn)常用武器，其輻射頻譜可達(dá)30 MHz至100 GHz，脈沖峰值電壓可達(dá)數(shù)萬伏每米，脈沖峰值功率可達(dá)10 GW，并且可通過多種途徑，如電源、線纜、引信體、孔縫等方式耦合進(jìn)入引信內(nèi)部，這給全電子引信系統(tǒng)的安全性帶來了巨大的危害，對全電子引信在強(qiáng)電磁干擾下的可靠度提出了很高的要求。

針對在脈沖型電磁干擾下導(dǎo)彈早炸問題，將通過對某型全電子引信殼體上通信孔的研究，探究在外部強(qiáng)電磁干擾下其對電子安全系統(tǒng)起爆模塊可靠性的具體影響，該方法具有良好的可行性，并可用來探究其他因素對電子安全系統(tǒng)的影響。

2 全電子引信起爆模塊概述

某型全電子引信起爆部分由高壓儲能發(fā)火電容、高壓開關(guān)、沖擊片雷管組成，在收到彈上解保信號后，儲能電容快速充電至2 kV電壓，此時(shí)反饋電路監(jiān)測電容兩端電壓，等電容經(jīng)泄放電阻自然放電至1.9 kV后，芯片控制動態(tài)開關(guān)再次將電容充電至2 kV電壓，觸發(fā)信號到來后，觸發(fā)電路控制高壓開關(guān)導(dǎo)通，高壓儲能電容發(fā)火快速引爆沖擊片雷管。起爆模塊的等效電路圖如圖1。

圖1 全電子引信起爆模塊的等效電路圖Fig.1 Schematic diagram of full electronic fuse initiating module

然而，實(shí)際在強(qiáng)電磁干擾測試中，會出現(xiàn)已經(jīng)充電的高壓電容疊加脈沖電磁干擾耦合在電路中的電壓，造成高壓開關(guān)兩端電壓過高，引起高壓開關(guān)的自擊穿，從而導(dǎo)致戰(zhàn)斗部早炸。

3 強(qiáng)電磁干擾下引信仿真

3.1 近似模型建立

由于涉密問題，該引信結(jié)構(gòu)不具體展示，直接在ANSYS Electronic Desktop 軟件中的HFSS模塊下對彈體和引信進(jìn)行近似建模。以彈體底面圓心為參考點(diǎn)，本文中將復(fù)雜的彈體簡化為空心圓柱體、圓錐體，并模擬天線連接彈體。將引信簡化為圓柱腔體，腔體內(nèi)有簡化的電路板及環(huán)形和矩形微帶線。

該型全電子引信上端蓋開了一個(gè)半徑為1.5 mm，制造公差0.01 mm的通信孔，由于全電子引信將彈體作為接地平面，故引信內(nèi)電路有導(dǎo)線作為接地線連接至彈體，該導(dǎo)線是電磁干擾耦合進(jìn)引信內(nèi)部的重要因素之一，將該導(dǎo)線進(jìn)行近似建模。同時(shí)彈體內(nèi)一般有傳感器的線纜通過該通信孔進(jìn)入引信內(nèi)部電子電路，因此該通信孔是引信必不可少的結(jié)構(gòu)，而該通信孔的尺寸與強(qiáng)脈沖電磁波的波長相差的數(shù)量級不大，該通信孔破壞了引信結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，是造成脈沖電磁干擾耦合進(jìn)引信內(nèi)部的重要途徑，因此其制造公差引起的尺寸大小是本文重點(diǎn)研究對象。在近似模型的建立過程中，將該通信孔的大小參數(shù)化。

將強(qiáng)脈沖電磁干擾近似為平面波，脈沖幅值為150 kV·m，頻段為1～10 GHz，沿軸負(fù)方向入射，為模擬開放的電磁環(huán)境，將邊界定為圓柱體輻射邊界。設(shè)置引信腔體內(nèi)部接近電路板一點(diǎn)為場強(qiáng)參考點(diǎn)。總體近似模型和引信近似模型如圖2和圖3所示。

圖2 總體模型示意圖Fig.2 Overall approximate model

圖3 引信近似模型示意圖Fig.3 Approximate fuse model

3.2 仿真結(jié)果

仿真中將通信孔參數(shù)化，使其半徑1.49～1.51 mm每隔0.001 mm進(jìn)行一次仿真，在1～10 GHz掃頻下，參考點(diǎn)場強(qiáng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 強(qiáng)電磁干擾下不同通信孔大小的引信內(nèi) 參考點(diǎn)場強(qiáng)仿真曲線Fig.4 Field intensity diagrams of reference points in fuse with different communication hole sizes under strong electromagnetic interference

為下一步研究需要，提取各個(gè)通信孔半徑下場強(qiáng)峰值及其對應(yīng)的峰值頻率，如表1所示。

表1 各通信孔條件下場強(qiáng)峰值及對應(yīng)頻率Table 1 Peak field strength and corresponding frequency under the conditions of each communication hole

從表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著通信孔尺寸的增大，引信腔體內(nèi)參考點(diǎn)的峰值場強(qiáng)呈現(xiàn)小幅范圍內(nèi)波動上升趨勢，峰值頻率集中在6.3 GHz和8.7 GHz等2個(gè)頻率點(diǎn)，經(jīng)分析認(rèn)為很大可能是由于電磁波在引信腔體空間內(nèi)的這2個(gè)頻率點(diǎn)出現(xiàn)電磁諧振導(dǎo)致的，其對引信起爆模塊的具體影響將在本文后續(xù)進(jìn)行計(jì)算。

4 起爆模塊可靠度

4.1 無干擾時(shí)儲能電容兩端電壓

高壓儲能電容充電時(shí)的等效電路圖如圖5。

圖5 電容充電等效電路圖Fig.5 Capacitor charging equivalent circuit diagram

假設(shè)引信在彈藥飛行1 s后解除保險(xiǎn)，高壓儲能電容開始充電，在經(jīng)歷2個(gè)完整的自然放電—反饋充電的周期后，于第7 s時(shí)觸發(fā)信號到來，高壓儲能電容放電，通過Multisim軟件，仿真出高壓儲能電容兩端電壓如圖6所示。

圖6 電容兩端電壓曲線Fig.6 Voltage across capacitor

假設(shè)電容經(jīng)過5 RC充滿電，由于電容自然放電時(shí)最低電壓為1.9 kV，為計(jì)算方便視為2 kV，因此高壓儲能電容兩端電壓可近似表示為：

(1)

4.2 有干擾下儲能電容兩端電壓

在PCB印制電路板中，信號從源驅(qū)動端出發(fā)，傳輸?shù)截?fù)載端，再從負(fù)載端將信號回流傳回至源端，形成信號電流閉環(huán)，即每個(gè)信號的傳送都包含一個(gè)環(huán)路。當(dāng)外界的電磁場穿過此環(huán)路時(shí)，就會在這個(gè)環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，原理如圖7所示。

圖7 外界電磁場穿過環(huán)路產(chǎn)生感應(yīng)電壓原理圖Fig.7 The external electromagnetic field passes through the loop to generate an induced voltage

平面波穿過環(huán)路時(shí)，環(huán)路中也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其計(jì)算公式為：

=××48

(2)

式(2)中：為感應(yīng)電壓，V；為回路面積，m；為電場強(qiáng)度，V ·m；為電場的頻率,MHz。

某型電子安全與解保裝置起爆模塊測試電路實(shí)物如圖8所示，測得其充電回路面積約為2 cm。

圖8 起爆模塊測試電路實(shí)物圖Fig.8 The physical diagram of the test circuit of the initiating module

根據(jù)式(2)可計(jì)算出強(qiáng)電磁干擾下不同通信孔條件下充電回路感應(yīng)電壓，如表2所示。

表2 各通信孔條件下充電回路感應(yīng)電壓Table 2 Induced voltage of the charging circuit under the conditions of each communication port

由電磁干擾引起的感應(yīng)電壓相位任意，其與原電容兩端的疊加電壓如圖9所示，電容兩端疊加的電壓可表示為：

圖9 疊加電壓示意圖Fig.9 Schematic diagram of superimposed voltage

=sin+()

(3)

4.3 起爆模塊可靠度計(jì)算

某型全電子引信所用高壓開關(guān)為冷陰極觸發(fā)管，其自擊穿電壓為3.5 kV，即電容兩端的疊加電壓大于3.5 kV時(shí)，起爆模塊視為不可靠。假設(shè)由電磁脈沖彈形成的電磁脈沖為瞬時(shí)電磁脈沖，在某一特定通信孔條件下，特定時(shí)間點(diǎn)發(fā)生不可靠事件的概率()可表示為：

(4)

以通信孔半徑為1.490 mm為例，在Matlab軟件中繪制出-曲線如圖10所示。

圖10 通信孔半徑為1.490 mm時(shí)P-t曲線Fig.10 P-t image when the communication hole radius is 1.490 mm

因此，通信孔半徑為1.490 mm時(shí)，起爆模塊的總不可靠度可表示為：

(5)

通過Matlab軟件計(jì)算，可得出通信孔半徑為1.490 mm時(shí)總不可靠度為0.169 6。若干擾源為長電磁脈沖，依據(jù)式(4)、式(5)，其不可靠度將有所增加。使用同樣的計(jì)算方法，可得到所有通信孔起爆模塊的不可靠度如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，在強(qiáng)電磁脈沖的干擾下，全電子引信孔的尺寸僅僅因?yàn)橹圃旃顚?dǎo)致的波動，在無其他屏蔽條件或輔助降低電磁干擾的電路設(shè)計(jì)手段時(shí)，對起爆模塊的可靠度影響較大，其尺寸越小，即與線纜貼合的越緊密，可靠度就越高。

表3 各通信孔條件下起爆模塊的不可靠度Table 3 The unreliability of the initiating module under the conditions of each communication port

5 結(jié)論

1) 仿真計(jì)算得出，引信外殼上的通信孔對引信電子安全與解除保險(xiǎn)裝置的起爆電路造成巨大影響。

2) 本文中以電磁脈沖彈形成的瞬時(shí)短脈沖為環(huán)境干擾背景，在實(shí)際復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中，長脈沖電磁干擾會降低武器系統(tǒng)的可靠度，同時(shí)在某些特定相位下引起反饋模塊的誤動作；在連續(xù)波干擾下，出現(xiàn)局部的焦耳熱引起引信的其他降低可靠性問題。

3) 本文方法可為計(jì)算其他參數(shù)對全電子引信可靠度的影響提供借鑒，也為全電子引信的電磁兼容性設(shè)計(jì)如引信外殼尺寸設(shè)計(jì)、制造公差的安排等提供了依據(jù)。