陳凱柏，劉少華，畢軍建，高敏，周曉東

（1.陸軍工程大學石家莊校區(qū) a.導彈工程系 b.電磁環(huán)境效應國家級重點實驗室 c.彈藥工程系，石家莊 050003；2. 陸軍裝備部，北京 100089）

無線電引信通過無線電波獲取目標信息，能夠在預定位置起爆，被稱為是現(xiàn)代武器系統(tǒng)終端效能的倍增器[1-3]。毫米波引信由于具有定距精度高、體積小、抗干擾能力強等特點，被視為無線電引信發(fā)展的重點[4]。然而，毫米波引信包含大量電子元器件，特別是引信近炸探測器，往往由高度集成的電路結構或芯片組成，在超寬帶電磁脈沖輻照下易受干擾，嚴重影響彈藥毀傷效能。因此，亟需開展相關研究切實提高近炸探測器的電磁防護能力[5]。

引信的超寬帶輻照效應機理是防護加固技術研究的前提，相關研究成果集中在仿真分析[6-14]和試驗研究[15-25]2 個方面。文獻[6]研究了引信殼體對電磁脈沖的屏蔽效能，并通過實驗驗證了殼體的防護效果。文獻[7]建立了引信殼體及其電路板模型，分析了電磁脈沖與殼體孔縫的耦合規(guī)律。文獻[8-9]建立了引信貼片天線模型和射頻前端電路，對前門耦合通道進行了詳盡分析。文獻[10]對地雷引信內部線纜建模，計算了超寬帶環(huán)境下的線纜感應電流，驗證了屏蔽盒的屏蔽效果。文獻[11]利用電磁拓撲理論分析了電磁脈沖和微帶線耦合效應，其研究結果可為引信的電磁脈沖耦合響應分析提供一定參考。文獻[12]通過仿真軟件，對某引信配用彈體的諧振頻點、耦合增強區(qū)域等進行了研究。文獻[13]研究了在強電磁脈沖環(huán)境下引信腔體的屏蔽效能，通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，脈沖上升時間對限幅器泄漏電壓峰值的影響最大。文獻[14]利用多物理場分析軟件，對電點火頭的主要組成器件N 型晶體管的電磁損傷機理進行了分析。文獻[15-18]通過輻照試驗，發(fā)現(xiàn)超寬帶電磁脈沖可通過后門耦合進入引信電源模塊，導通執(zhí)行電路中的晶閘管，使引信意外發(fā)火，并通過加入電感的方法增強了執(zhí)行電路的抗干擾能力。文獻[15,19]通過試驗發(fā)現(xiàn)，超寬帶電磁脈沖可通過后門耦合作用干擾無線電引信的正常工作，執(zhí)行電路是引信的敏感部位，脈沖的脈寬越窄，對執(zhí)行電路的影響越大，該結論與文獻[13]中的仿真結果相似。對執(zhí)行電路加固后，引信的效應閾值顯著增強。文獻[20-23]發(fā)現(xiàn)超寬帶電磁脈沖可直接作用于引信天線和圓柱屏蔽腔體，或是通過彈體耦合引起共地電位的不正常波動，使引信發(fā)火。文獻[24]對某引信近炸探測器進行了輻照試驗，確定了探測器的最敏感姿態(tài)，但是并未對引信的發(fā)火原因做進一步分析。

總結以上文獻可知，目前成果多以分米波和米波引信為研究對象，對毫米波引信的超寬帶電磁脈沖效應研究不足。對引信執(zhí)行電路研究充分，提出了可行的防護措施，但對近炸探測器的輻照效應機理和防護加固研究不足。因此，本文以毫米波引信近炸探測器為研究對象，通過輻照試驗明確了其輻照效應及受損部位，并提出針對性加固措施，大幅提高了受試探測器的效應閾值，有效降低了其效應等級。研究結論可為毫米波引信的電磁防護設計提供參考。

1 試驗

1.1 輻照試驗裝置

輻照試驗裝置如圖1 所示。試驗時，超寬帶輻照源正對受試探測器及配彈發(fā)射電磁脈沖，探測器的觸發(fā)信號輸出端通過同軸屏蔽線纜和光纖轉換器連接至示波器。彈體旁放置場強監(jiān)測天線，用以記錄每次發(fā)射的脈沖波形。為保護實驗室儀器設備，同時也避免超寬帶脈沖信號因為反射造成質量下降，試驗在室外開闊場地進行。

圖1 輻照試驗裝置組成Fig.1 Composition of irradiation test setup

超寬帶輻照源的結構如圖2 所示，主要由控制系統(tǒng)、脈沖功率源和拋物面天線3 部分組成。其中，脈沖功率源是產(chǎn)生電磁脈沖的關鍵部分。儲能電源充電完畢后，控制系統(tǒng)輸出控制信號，對脈沖變壓器放電，繼而在脈沖形成線上形成初級脈沖。初級脈沖由火花隙開關轉化為超寬帶強電磁脈沖，通過拋物面天線向外發(fā)射。

圖2 超寬帶輻照源結構Fig.2 Composition of the ultra-wideband source generator

利用場強監(jiān)測天線對輻照場強進行測試，場強隨距離的變化關系如圖3 所示。可以看出，脈沖最大輻照場強可達436 kV/m。試驗中，該輻照源可產(chǎn)生水平傳播、垂直極化的超寬帶電磁脈沖，脈沖上升前沿小于1 ns，脈沖寬度約為5 ns，能量集中在500 MHz 內。

圖3 輻照場強–距離關系曲線Fig.3 Relation of radiation field strength to distance

1.2 受試探測器工作原理

受試探測器電路結構如圖4 所示。探測器工作時，信號處理模塊向鎖相環(huán)回路發(fā)送同步控制信號，控制其產(chǎn)生周期調頻信號，再由倍頻器將該信號變換至毫米波段。在定向耦合器的作用下，毫米波信號一部分作為本振信號，另一部分作為天線發(fā)射信號。回波信號經(jīng)過濾波混頻放大后，送至信號處理模塊，經(jīng)算法處理獲取彈目距離信息。當距離達到預設門限值時，探測器輸出觸發(fā)控制信號。

圖4 受試探測器結構Fig.4 Structure of detector under test

1.3 試驗方法

前期試驗現(xiàn)象表明，受試探測器在豎直狀態(tài)下最易受到干擾，超寬帶電磁脈沖對非加電無線電引信沒有影響[15]。因此，本文僅對加電探測器的輻照效應進行研究，受試姿態(tài)為豎直狀態(tài)。根據(jù)試驗現(xiàn)象，定義效應等級為以下3 類：0 級，無任何影響；1 級，探測器出現(xiàn)死機現(xiàn)象，能夠通過設備重啟恢復；2 級，探測器在輻照后出現(xiàn)探測失效，不能輸出觸發(fā)信號，該現(xiàn)象無法通過設備重啟恢復。輻照試驗方法如下：

1）按文獻[22]中所述方法改裝受試探測器，使其能與配彈裝配，測試探測器是否能夠正常工作。

2）測試受試探測器的工作狀態(tài)，將受試探測器與配彈置于輻照場中，將各裝置放置在相應位置處。

3）連接各個裝置，通過配彈內的電源對探測器加電。不斷調整脈沖發(fā)射參數(shù)和探測器受試距離，每次試驗后測試探測器的工作狀態(tài)，觀察示波器的顯示情況。

4）記錄試驗數(shù)據(jù)，分析失效機理。

2 結果與分析

2.1 輻照試驗現(xiàn)象

對2 枚相同的探測器A、B 進行試驗，分別使用單脈沖、5 Hz/1 s、25 Hz/1 s、25 Hz/5 s、25 Hz/10 s各5 次的觸發(fā)方式進行輻照試驗，記錄效應試驗現(xiàn)象。探測器A B 的效應等級如圖5 所示。可以看出，在豎直狀態(tài)下，該探測器的效應閾值在50～80 kV/m。在超寬帶電磁脈沖輻照下，探測器A 一共出現(xiàn)死機和硬損傷2 種輻照效應現(xiàn)象，其中死機現(xiàn)象可以通過設備重啟恢復。當輻照場強達到436 kV/m 時，探測器A 在輻照后出現(xiàn)探測失效，在有目標時無法輸出觸發(fā)信號，且該現(xiàn)象為不可恢復現(xiàn)象。將探測器A靜置1 h 后，測試其工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)探測器A 仍無法輸出控制信號，多次進行設備重啟仍未恢復，這說明受試探測器可能出現(xiàn)硬損傷。為保存試驗樣本，未對探測器B 進行更高強度的輻照試驗。

圖5 效應等級Fig.5 Effect level of detector A and B

2.2 損傷節(jié)點分析

為確定探測器的損傷部位，對探測器A 進行損傷節(jié)點分析。從結構上看，探測器需要接收到來自信號處理模塊的同步控制信號才能輸出觸發(fā)信號。同步控制信號決定了掃頻周期的變換，在下發(fā)同步控制信號時，中頻輸出信號可以觀察到明顯的突變（如圖6中虛線圈標記）。因此，首先測試同步控制信號和中頻輸出信號，判斷信號處理模塊和射頻回路的功能是否正常。

圖6 正常狀態(tài)下同步控制信號與中頻輸出信號Fig.6 Synchronous control signal and intermediate frequency output signal in normal state

探測器A 的同步控制信號和中頻輸出信號如圖7所示。可以看出，信號處理模塊可以正常下發(fā)同步控制信號，未受到輻照損傷。當控制信號下發(fā)時，中頻輸出信號沒有觀察到明顯突變（如圖7 中虛線圈標記信號），這說明在射頻回路中存在損傷節(jié)點，干擾了信號處理的正常流程。

圖7 探測器A 的同步控制信號與中頻輸出信號Fig.7 Synchronous control signal and intermediate frequency output signal of detector A

為找出損傷節(jié)點，使用函數(shù)發(fā)生器和示波器測試探測器A 的中頻電路。由于中頻輸入由相差為90°的2 路IQ 信號組成，所以需要設置函數(shù)發(fā)生器同時產(chǎn)生一個正弦信號和余弦信號。示波器上觀察到的中頻電路輸出信號如圖8 所示。從圖8 中可以看出，中頻輸出雖然存在削頂現(xiàn)象，但是輸出波形與輸入波形基本保持一致，說明中頻電路未受到輻照損傷。

圖8 中頻電路輸出信號Fig.8 Intermediate frequency circuit output signal

由于探測器的射頻芯片集成了收發(fā)天線和接收鏈路，所以難以對低噪聲放大器、混頻器等節(jié)點進行測試。但是，射頻芯片上留有測試節(jié)點，在芯片正常工作時，該節(jié)點可監(jiān)測到頻率約為1 GHz 的射頻信號。使用頻譜儀測試該節(jié)點信號，測試結果如圖9 所示?？梢钥闯觯?.08 GHz 處有一個明顯譜峰，這說明射頻芯片未受到輻照損傷。

圖9 射頻測試節(jié)點信號Fig.9 Radio frequency test node signal

由于鎖相環(huán)回路輸出信號在毫米波段，現(xiàn)有測試設備無法直接測量，所以只對回路中的晶振輸出信號進行測試，測試結果如圖10 所示。可以看出，晶振輸出信號穩(wěn)定，未受到輻照損傷。

圖10 晶振輸出信號Fig.10 Crystal oscillator output signal

2.3 效應機理分析

文獻[15]中研究結果表明，脈沖能量可能通過以下幾種途徑耦合進入受試探測器：通過天線進入受試探測器，導致探測器硬損傷；通過殼體上的孔縫進入彈體內部，導致探測器硬損傷；通過彈體直接耦合并作用于共地回路，繼而將電壓波動傳導至探測器；通過未屏蔽的探測器頂部進入探測器內部，瞬態(tài)場直接作用于敏感部位，導致探測器硬損傷。

針對第1 種假設，試驗用超寬帶電磁脈沖的頻率主要在2 GHz 內，而受試探測器的工作頻率遠高于輻照信號頻率范圍。此外，探測器視軸與彈體軸線一致，而前期試驗表明，受試探測器與配彈在豎直狀態(tài)下效應等級最高，此時貼片天線收發(fā)電磁波的極化方向與脈沖極化方向垂直，接收的能量應為最小值。若天線為能量的主要耦合通道，豎直狀態(tài)下受試探測器的效應等級應該最低。因此，天線并非能量耦合的主要通道。

針對第2 種假設，根據(jù)孔縫耦合理論可知[7]，當縫隙尺寸不大于波長的1/8 時，耦合能量可忽略不計。發(fā)射脈沖能量集中在 500 MHz 內，對應波長為600 mm，而探測器與配用彈體由螺紋緊密連接，周身并無明顯縫隙，因此認為孔縫不是主要耦合通道。

針對第3 種假設，結合前期試驗，發(fā)現(xiàn)受試探測器與配彈在豎直狀態(tài)下的效應等級最高。由于試驗用超寬帶電磁脈沖為垂直極化波，若將探測器腔體及彈體整體視為“接收天線”，能量有可能通過共地回路進入受試探測器，導致其損傷。為明確耦合路徑，基于該假設設計對照試驗，使用銅箔貼紙完整包裹引信風帽，使其形成金屬屏蔽層。以探測器B 為受試對象，將其與配用彈體以豎直姿態(tài)置于輻照場內。將屏蔽風帽安裝在探測器B 頂部，而后進行輻照試驗，試驗過程中，示波器端未觀察到觸發(fā)信號。輻照試驗后，對探測器B 進行測試，發(fā)現(xiàn)其未出現(xiàn)死機或是硬損傷等效應現(xiàn)象，這說明配用彈體不是超寬帶能量的主要耦合通道。

針對第4 種假設，探測器感知目標需要發(fā)射和接收電磁波，為了提高回波信號質量，探測器頂部一般設置天線窗口。在輻照試驗時，探測器頂部電路完全暴露在輻照場中，可能導致敏感元器件損傷。

綜合以上試驗結果和分析可知，超寬帶電磁脈沖主要通過后門耦合作用于受試探測器，暴露在輻照場下的射頻電路和探測器頂部的天線窗口是能量的主要耦合通道。探測器在輻照下會出現(xiàn)死機和硬損傷2種效應現(xiàn)象，損傷部位為鎖相環(huán)回路。

3 防護加固措施及驗證

基于以上分析，對受試探測器采取針對性加固措施：改進受試探測器的電路結構，除射頻集成芯片外，其余電路部分均放置于射頻板的背面；對探測器中所用的電容電阻等敏感器件重新選型，在不影響精度的情況下，盡量提高傳輸信號的頻帶動態(tài)范圍；將探測器內的普通高溫連接線更換為同軸屏蔽線，進一步降低耦合能量。

由于選用的射頻芯片集成了收發(fā)天線，因此無法將射頻芯片移至背面。通過以上改進措施，射頻板上的部分敏感電路能夠避免脈沖直接輻射，增強了電路的穩(wěn)定性。將傳輸線更換為同軸屏蔽線后，不僅減少了外部輻射耦合干擾，同時也降低了探測器內部的傳導耦合干擾。采取加固措施后，雖然增加了探測器天線與射頻部分之間的過渡結構，一定程度上降低了信號傳輸質量，但是在測試中該探測器仍能滿足精度要求。

對改進后的探測器C 進行測試，其效應等級數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯?，加固后探測器的抗干擾能力顯著增強，無論是哪種觸發(fā)方式，都未能使探測器C 出現(xiàn)效應現(xiàn)象。

表1 探測器C 效應等級數(shù)據(jù)Tab.1 Effect level data of detector C

4 結論

本文結合試驗和理論分析，研究了毫米波近炸探測器的超寬帶電磁脈沖輻照效應機理，確定了探測器的損傷部位，并據(jù)此提出了相應的加固措施。驗證試驗表明，探測器的防護能力有較大提升。由此得出以下主要結論：

1）受試毫米波探測器在超寬帶電磁脈沖輻照下會出現(xiàn)死機和硬損傷2 種效應現(xiàn)象，其中死機現(xiàn)象可以通過重啟恢復，硬損傷現(xiàn)象為不可恢復現(xiàn)象.

2）受試探測器的損傷部位為鎖相環(huán)回路，探測器未屏蔽的射頻電路是超寬帶能量的主要耦合通道。

3）根據(jù)失效機理，提出針對性防護加固措施，結果表明，改進后探測器的抗干擾能力顯著提高。