火工品高频阻抗计算与仿真分析

赵 团，姚洪志，纪向飞，任 炜



火工品高频阻抗计算与仿真分析

赵 团，姚洪志，纪向飞，任 炜

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

获得了在1×10-5~20GHz内的5个谐振频率点，并且理论计算与仿真结果基本一致。

电火工品；射频阻抗；计算；仿真

火工品射频阻抗是火工品电磁兼容性设计的重要参数，利用电火工品射频阻抗，可对火工品在复杂电磁环境场中的射频电压、电流、等效天线有效孔径、射频功率等进行分析计算，以评估电火工品的使用安全性，为防射频电火工品的设计、研制、生产和使用服务[1]。电火工品可作为终端型器件。对于终端型器件，在给定的试验频率上，它具有一个特定的射频阻抗，但其值随着试验频率的不同而变化，即阻抗是频率的函数。电火工品的射频阻抗还与发火方式（脚-脚、脚-壳、桥-桥）有关，针对不同情况所测阻抗分别称电火工品脚-脚发火方式射频阻抗，脚-壳发火方射频阻抗和桥-桥发火方式的射频阻抗[2]。

美国军用标准MIL-HDBK-1512《电起爆的电爆分系统的设计要求和试验方法》[3]和MIL-STD-1576《航天系统用电爆分系统的安全性要求和试验方法》[4]均提出了电火工品射频阻抗的测定方法；我国国标准GJB 5309.12-2004 射频阻抗测定[5]规定了电火工品射频阻抗的测定方法。即当试验频率为1~1 800 MHz时，电火工品射频阻抗可用射频阻抗分析仪，采用端口延伸法直接测量，但要求在测试延伸端口上进行校准后才能进行测量，并要求测试频率与校准频率完全相同。该方法检测灵敏度高，测试过程中施加的射频功率极低（微瓦量级），不会影响电火工品本身的性能参数，而且操作十分安全。

但是，随着高科技在军事科学技术上的应用及其飞速发展，电磁干扰所产生的电磁场强度正在不断提高，频带宽度在不断增加，某些电磁环境的频率已经达到40GHz。国内现有射频阻抗分析仪测量方法已不能满足现代复杂电磁环境对火工品的性能测试要求。因此，本文通过理论分析和仿真模拟的方法对高频段的火工品射频阻抗进行了计算研究，为评估电火工品在宽频带电磁环境中的安全性提供了分析方法。

1 火工品特性阻抗计算分析

电热火工品是现役火工品中使用最广泛的火工品，主要由脚线、电极塞、桥丝、药剂（包括起爆药、传爆药、输出药）、管壳等组成。通过分析电火工品结构参数，建立其简化结构模型，如图1所示。

按照上述传输线模型，高频段电火工品输入阻抗由两级叠加而成：第1部分为电极塞部分，电火工品桥丝作为终端负载，等效为传输介质为陶瓷或玻璃的平行线传输线；第2部分为脚线输入端，等效为传输介质为空气的平行线传输线。

为了计算方便，本文假设火工品结构模型中的传输线为均匀传输线，结合火工品结构模型参数（表1），根据传输线理论分布参数计算公式计算各部分的单位分布参数，结果如表2所示。

根据传输线特性阻抗的定义：传输线上行波的电压和行波电流之比称为传输线的特性阻抗，用0表示，其一般表达式为：

式（1）中：1为传输线单位长度分布电阻，Ω/m；1为传输线单位长度分布电感，H/m；1为传输线单位长度分布电容，F/m；1为传输线单位长度分布电导，S/m。

由式（1）可见特性阻抗通常是个复数，与工作频率有关；对于电火工品，由于其脚线一般采用铜等金属引线，电导率很大，一般在107S/m量级，因此，电火工品引线近似于无耗线，此时1=1=0，式（1）可简化为：

（2）

据此，传输线的特性阻抗可由单位长度分布电容1和分布电感1来计算。根据表2所示的火工品分布参数，计算的特性阻抗如表3所示。

表1 火工品结构参数

Tab.1 Structure parameter of EED

火工品结构参数尺寸/mm d0.50 D4.50 S2.10 d14.51 d225.05

表2 单位长度分布参数

Tab.2 Distributed parameter per unit length

序号传输线模式单位长度分布参数相对电导率εrvp/c L1C1 d1平行线3.87×10-72.87×10-1130.5 d2平行线8.4×10-71.32×10-1111

注：v为波的相速度，m/s；为光速,3×108m/s。

表3 火工品特性阻抗

Tab.3 Characteristic impedance of EED

特征阻抗Z01Z02 数值117.61252.26

2 高频段火工品输入阻抗计算

传输线上任一点的阻抗in（）定义为该点的电压与电流之比。阻抗计算公式表示如下：

根据电火工品的结构参数，建立电火工品传输线模型，如图2所示。

利用公式（3）可计算出电火工品1部分传输线模型的输入阻抗：

式（4）中：01为1部分特性阻抗；Z为电火工品阻抗。

图2 火工品传输线模型

1部分的输入阻抗作为2部分的负载阻抗，因此可得：

式（5）中：02为2部分特性阻抗。

对于大多数电火工品来说，相当于短引线，≈0，这样火工品传输线模型的各部分就可以作为无耗线来处理，对于无耗线，=0，，th=th()=tg，则公式（4）、（5）可改写成：

本文通过反应熔渗制备的C/C-SiC复合材料主要由碳纤维、热解碳、SiC和残余硅组成，熔渗过程中Si主要渗入针刺结构C/C复合材料中的网胎层，无纬布层渗入Si较少。低温反应熔渗可得到致密度较高、孔隙率较小的C/C-SiC复合材料，且熔渗温度越高，得到的C/C-SiC的密度越高，孔隙率越低，SiC含量越高，残余硅含量越少。3个温度制备的C/C-SiC均表现出“假塑性”断裂行为，无纬布层碳纤维拔出明显。熔渗温度越高，得到的C/C-SiC复合材料弯曲性能越好，1 550 ℃制备的C/C-SiC1 550弯曲强度最高，达到136 MPa。

（6）

Z2即电火工品输入阻抗，是一个和频率相对应的函数关系，假设端接负载火工品桥丝阻抗为10Ω，把参数带入该公式，就可得到电火工品输入阻抗中电阻、电抗和频率的关系曲线，如图3~4所示。

图3 电火工品输入阻抗中电阻与频率的对应关系

图4 电火工品输入阻抗中电抗与频率的对应关系

从图3~4可以得出在频率范围1×10-5~20GHz内火工品射频阻抗值，该范围内共有5个谐振频率点，分别为2.115GHz、5.813GHz、10.33GHz、14.72GHz和18.75GHz。

3 仿真分析

按照图1所示的桥丝火工品结构参数，建立火工品仿真模型。桥丝火工品电极塞介电常数为3，导热系数为0.2W/km；火工品桥丝为镍铬电阻合金丝，直径8µm，极距1.6mm，电导率2.8×10-7S/m，磁导率1.26×10-6H/m；火工品脚线材料采用铜，电导率为5.8×10-7S/m，磁导率1.26×10-6H/m，平行线放置方式；激励信号为高频正弦波。仿真模型如图5所示。

利用ANSYS ANSOFT HFSS软件对火工品输入阻抗特性进行仿真[6]，结果如图6~7所示。

图5 火工品仿真模型

图6 输入阻抗电阻部分仿真结果

图7 输入阻抗电抗部分仿真结果

4 结论

（1）本文选取典型火工品，通过分析火工品结构特征参数，建立了二级串联式火工品射频阻抗计算模型，通过计算每一级的特征阻抗和输入阻抗，获得火工品输入阻抗和频率的对应关系，得出在频率范围1×10-5~20GHz内，该火工品模型的5个谐振频率点；

（2）利用ANSOFT HFSS电磁仿真软件对火工品输入阻抗特性进行仿真分析，从仿真结果来看，在频率范围1×10-5~20GHz内，该火工品模型共有5个谐振频率点，并将仿真结果与计算结果进行了比对，理论计算与仿真结果基本一致。

[1] 封青梅.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.

[2] 李锦荣.电火工品射频阻抗测量及其应用[J].火工品,1995(3): 11-14.

[3] MIL-HDBK-1512 电起爆的电爆分系统的设计要求和试验方法[S].美国国防部,1997.

[4] MIL-STD-1576 航天系统用电爆分系统的安全性要求和试验方法[S].美国国防部,1984.

[5] GJB 5309.12-2004 射频阻抗测定 [S].国防科学技术工业委员会,2004.

[6] John J. Pantoja .Susceptibility of electro-explosive devices to microwave interference[J].Defence Science Journal,2013 (63): 386-392.

The Calculation and Simulation on High Frequency Impedance of EED

ZHAO Tuan，YAO Hong-zhi，JI Xiang-fei，REN Wei

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061)

To evaluate the safety of EED in the electromagnetic environment with broad frequency band, by the means of calculation and simulation, the frequency impedance of some typical EED was studied. The study indicated that there were five resonant frequency points in 1×105~20GHz frequency range, as well as the simulation is consistent with the calculation.

EED；RF impedance；Calculation；Simulation

TJ450.2

A

2015-10-23

赵团（1980 -），男，高级工程师，主要从事火工品电磁环境效应评估与试验研究。