侵彻弹内电火工品的射频安全性分析

梁晓勇，吕春玲，张 俊，，周得才，张景林

(1. 中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051；2. 湖北三江航天红林探控有限公司，湖北 孝感，432000）

侵彻弹内电火工品的射频安全性分析

梁晓勇1，吕春玲1，张 俊1，2，周得才2，张景林1

(1. 中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051；2. 湖北三江航天红林探控有限公司，湖北 孝感，432000）

为研究射频对侵彻弹内电火工品的影响，按照电火工品射频安全性评价方法，在RFID手持设备终端（频率：927MHz，天线增益：4dB，发射功率：0～30dBm连续可调）辐射电磁环境中，对该侵彻火箭弹中的3种电火工品安全性进行测试。测试结果表明该侵彻火箭弹最小安全无隐患电场强度为9V/m。当发射功率在20～30dBm范围内，设备终端与电火工品的距离不小于0.20m时，EED1和EED2均表现为射频辐射安全；当发射功率在20～22dBm范围内，设备终端与电火工品的距离不小于0.20m时，EED3表现为射频辐射安全。

桥丝式电火工品；射频安全性；侵彻弹；感应电流；电场强度

电火工品射频致瞎是指射频能量致使电火工品永久性地退化到不能完成其设计功能状态的过程。关于电磁辐射对军械系统危害问题，Koucherng[1]等人测试了电雷管的射频感度，在1GHz以下频率，其射频感度接近于直流发火感度；李锦荣[2]通过分析最坏情况电磁危害条件下的射频功率，以及电火工品最大不发火射频功率的推算，确定了电火工品在实际使用中的抗射频能力；陈明华等[3]数值模拟了射频电流对桥丝电雷管安全性与可靠性的影响。

本研究将对侵彻弹中3个不同部件内的电火工品射频安全性进行分析。在相同频率927MHz下，利用输出功率可调的射频源，将电磁辐射能量耦合到电火工品中，通过试验确定其最小安全无隐患电场强度和射频安全识读距离。研究中首先通过探测试验确定RFID设备不同的发射功率（20～30dBm）在不同距离（0～1m）条件下与射频场强度之间的关系。通过改变电场强度来得出相应感应电流以及电火工品发火情况，绘制出电场强度和感应电流的线性函数，通过已知的电火工品安全无隐患电流，在线性函数中得出安全无隐患电场强度。

1 试验原理与方法

1.1 试验原理

电磁辐射能量的传输方式有两种：传导和辐射。传导是沿着辐射源和电火工品间的连接电路传递到电火工品中，辐射是以电磁波的形式耦合到电火工品上[4]。本试验按照电火工品射频安全性评价方法[5]，采用固定频率927MHz和功率可调的射频源，通过辐射的方式，将电磁辐射能量耦合到电火工品中。测定出安全无隐患电场强度和射频安全识读距离。电火工品在电磁场中放置状态和试验装配如图1～2所示。

图1 电火工品在电磁场中放置状态Fig.1 State of EED placed in electromagnetic field

图2 试验装配图Fig.2 Test assembly drawing

1.2 电火工品的结构、性能及位置

电火工品EED1位于侵彻弹制导仓内，有1层有效金属屏蔽；EED2位于侵彻弹战斗部内，有3层有效全封闭金属屏蔽；EED3位于火箭部内，有1层有效金属屏蔽。侵彻弹内的3种电火工品位置分布如图3所示。

图3 侵彻弹内电火工品位置分布图Fig.3 The distribution map of EED position within the penetration projectile

侵彻弹里面的3种电火工品均为桥丝式电火工品，性能参数见表1。

表1 电火工品的性能参数Tab.1 Properties of EED

1.3 不同发射功率在不同距离下与射频电场强度之间的关系测试

将RFID设备射频源置于目标物的正对位置，以0.2m的步长改变辐射源与目标物之间的直线距离d，测试RFID设备发射功率与射频电场强度关系。测试装置布置如图4所示。

图4 测试装置布置图Fig.4 Arrangement of test equipment

1.4 对3种电火工品进行射频安全性测试

使用相同测试频率927 MHz，通过改变电场强度来测试3种电火工品所产生的对应感应电流以及发火情况，其中EED1初始桥路电阻为8.5Ω，EED2和EED3的脚线展开长度均为16.2cm。每个电火工品进行2组测试，最后根据电场强度和感应电流的线性关系得出最小安全无隐患电场强度。依据最小安全无隐患电场强度得出射频的安全识读距离。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

在d=1.0m、0.8 m、0.6 m、0.4 m、0.2 m、0时，RFID设备发射功率与射频电场强度关系测试结果见表2。利用射频感度测试装置对3种电火工品进行测试，电场强度依据每个电火工品的特性分别在45～280 V·m-1之间选择。其中EED1和EED2使用的电场强度从100～280 V·m-1之间选择。EED3使用的电场强度从45～105 V·m-1之间选择，测试结果见表3。

2.2 结果的分析与讨论

3种电火工品处于电磁场中时其引线可以起到接受电磁能量天线的作用。由于结构比较对称，其引线中能感应出振幅和相位几乎相同的电流。该电流由两种电流组成，既两导线中反方向围绕电路旋转并通过负载的平衡模式电流Ibm和同方向流动的共模式电流Icm，如图5所示。Ibm在负载电阻中产生功率耗散，使电火工品产生热作用（脚-脚间电流作用机理）。Icm不会在负载中产生热作用，但它会在电火工品的脚-壳之间阻抗高而有可能积累很多电荷量形成很高的电压，在电路的任何部分接地时泄放电荷，引起电火工品非正常起爆或者电压击穿导致失效[7]（脚-壳电压作用机理）。

表2 不同距离处发射功率与射频电场强度关系测试结果Tab.2 Relationship between transmit power and RF field strength at different distance

表3 EED射频安全性试验结果Tab.3 RF safety test results of EED

EED1发火的主要机理为脚-脚间电流作用机理，它的桥丝受大功率电磁能量作用，产生平衡模式电流。当电流达到发火条件150mA后，产生热积累而发火，这是一种低电压大电流的过程。由表3可见，在此次试验中，当达到最大电场强度280V/m时，EED1中桥丝的感应电流最大为26.56mA，产生的热积累程度远远没有达到发火条件，所以没有出现发火情况。EED2和EED3发火的主要机理为脚-壳电压作用机理，电火工品元器件内部由于高电位放电产生介质击穿，导致电火工品局部出现过热而意外点火或者瞎火，这种情况是一种高电压小电流的过程。在此次试验中，根据公式E=1/2C×U2（E为储存的能量，C为电容，U为电压）可得，EED2的电容储能大于EED3的电容储能，因此试验中给EED2施加的电场强度大于对EED3所施加的电场强度。当EED2和EED3所处的电场强度分别达到280V/m和105V/m时，它们产生的能量超过了设计的安全标准，所以发火，见表3。

图5 平衡模式电流和共模式电流Fig.5 Balance mode current and common mode current

通过表3可以得出在射频安全性试验中EED1、EED2、EED3的电场强度和感应电流线性函数关系，如图6～8所示。由表1可知EED1、EED2、EED3的安全无隐患电流分别为：4.5mA、7.5mA、4.05mA。根据图6～8中的线性函数得出EED1、EED2、EED3的安全无隐患电场强度分别为：50V/m、35 V/m、9 V/m。

图6 EED1感应电流与电场强度的对应关系Fig.6 Correspondence relationship between induced current and electric field intensity of EED1

图7 EED2感应电流与电场强度的对应关系Fig.7 Correspondence relationship between induced current and electric field intensity of EED2

图8 EED3感应电流与电场强度的对应关系Fig.8 Correspondence relationship between induced current and electric field intensity of EED3

显然，在整个侵彻弹系统中，火箭部内部的EED3是最容易发生射频点火的电火工品，只要RFID射频辐射强度不超过其9V/m的安全无隐患电场强度，则可以保证整个侵彻弹系统的射频安全性。由表2分析可以得出：当发射功率在20～30dBm范围内，设备终端与电火工品的距离不小于0.20m时，EED1和EED2均表现为射频辐射安全；当发射功率在20～22dBm范围内，设备终端与电火工品的距离不小于0.20m时，EED3表现为射频辐射安全。根据表2可以画出在射频安全性试验中的识读距离、射频场强、安全场强之间的关系模式图，如图9所示。

图9 识读距离、射频场强、安全场强关系模式图Fig.9 Reading distance, RF field strength, security field relational model diagram

从图9可以得出，当整个侵彻弹处在最小安全无隐患电场强度9V/m中，RFID设备发射功率p分别为20dBm、21dBm、22dBm、23dBm、24dBm、25dBm、26dBm、27dBm、28dBm、29dBm、30dBm时，其所对应的最小识读安全距离d分别为0.17m、0.19m、0.20m、0.24 m、0.26m、0.32m、0.40m 、0.43m、0.45m、0.53m、0.63m。

3 结论

（1）在20～30dBm之间的不同输出功率下，其最小射频安全识读距离分别为0.17m、0.19m、0.20m、0.24m、0.26m、0.32m、0.40m 、0.43m、0.45m、0.53 m、0.63m。（2）在整个侵彻弹系统中，火箭部内部的EED3由于脚-壳电压作用机理，最容易发生射频点火。当RFID射频辐射电场强度不超过9V/m时，整个侵彻弹内的电火工品系统射频作用安全。（3）由试验结果可知，在相同的电场强度下火箭部内部EED3需要加强电磁防护，这样才能提高整个侵彻弹系统的射频安全性。所以要加强火箭弹内部的电磁防护，从而能提高整个侵彻弹系统的最小完全无隐患电场强度和射频安全识读距离。

[1]Lee K R, Bennett J E, Pinkston W H, et al. New method for assessing EED susceptibility to electromagnetic radiation[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1991, 33(4):328-333.

[2]李锦荣.电火工品射频发火机制及其射频感度的应用简介[J].火工品,1999(1):51-53.

[3]陈明华,高敏,卢斌,等.射频电流对桥丝式电雷管安全性与可靠性影响数值计算[J].火工品, 2007(4):22-25.

[4]陈明华,张国安,陆瑞卿,等.桥丝式电火工品射频感度试验研究[J].含能材料,2008,16(5):547-549.

[5]GJB152A-1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[S].国防科学技术工业委员会,1997.

[6]易建政,檀朝彬,蔡俊峰.火箭弹电点火系统抗电磁危害加固技术研究[J].装备环境工程,2006,3(4):52-54.

Radio Frequency Safety Analysis for EED in Penetrator

LIANG Xiao-yong1，LÜ Chun-ling1，ZHANG Jun1,2，ZHOU De-cai2,ZHANG Jing-lin1
(1. School of Chemical Engineering and Environment, North University of China,Taiyuan,030051；2. Hubei Space Sanjiang Honglin Detection and Control Co.Ltd., Xiaogan, 432000）

In order to study the effect of radio frequency on EED in penetrator ,according to EED RF safety evaluation method,in the RFID handheld terminal equipment (frequency,927MHz, antenna gain,4dB, transmit power,0～30dBm continuously adjustable ) electromagnetic radiation environment, security of the three EEDs in penetration rocket were tested.Test results show that the minimum safe hidden electric field strength of rockets is 9 V/m. When the transmit power is in the range of 20～30dBm, and terminal equipment with EED distance is not less than 0.2m , EED1 and EED2 showed RF radiation safety. When the transmit power is in the range of 20～22dBm, and terminal equipment with EED distance is not less than 0.2m , EED3 showed RF radiation safety.

Hot-bridge electric explosive device；RF security；Penetrator；Induced current；Electric field intensity

TJ45+2.3

A

1003-1480（2016）06-0009-04

2016-07-24

梁晓勇（1990 -），男，在读硕士研究生，主要从事传爆药与火工品方向研究。