强电磁干扰下全电子引信通信孔的可靠性分析

陈 瑾，李 明，彭志凌，夏 禹

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.中国船舶集团有限公司， 北京 100097)

1 引言

全电子引信即电子安全与解除保险装置，其工作原理是升压变压器经逻辑电路控制在短时间内给储能电容器充电，接收起爆信号后，高压开关导通，起爆回路中会快速形成脉冲大电流大电压，引发冲击片雷管爆炸。电磁脉冲武器作为当今电子战常用武器，其辐射频谱可达30 MHz至100 GHz，脉冲峰值电压可达数万伏每米，脉冲峰值功率可达10 GW，并且可通过多种途径，如电源、线缆、引信体、孔缝等方式耦合进入引信内部，这给全电子引信系统的安全性带来了巨大的危害，对全电子引信在强电磁干扰下的可靠度提出了很高的要求。

针对在脉冲型电磁干扰下导弹早炸问题，将通过对某型全电子引信壳体上通信孔的研究，探究在外部强电磁干扰下其对电子安全系统起爆模块可靠性的具体影响，该方法具有良好的可行性，并可用来探究其他因素对电子安全系统的影响。

2 全电子引信起爆模块概述

某型全电子引信起爆部分由高压储能发火电容、高压开关、冲击片雷管组成，在收到弹上解保信号后，储能电容快速充电至2 kV电压，此时反馈电路监测电容两端电压，等电容经泄放电阻自然放电至1.9 kV后，芯片控制动态开关再次将电容充电至2 kV电压，触发信号到来后，触发电路控制高压开关导通，高压储能电容发火快速引爆冲击片雷管。起爆模块的等效电路图如图1。

图1 全电子引信起爆模块的等效电路图Fig.1 Schematic diagram of full electronic fuse initiating module

然而，实际在强电磁干扰测试中，会出现已经充电的高压电容叠加脉冲电磁干扰耦合在电路中的电压，造成高压开关两端电压过高，引起高压开关的自击穿，从而导致战斗部早炸。

3 强电磁干扰下引信仿真

3.1 近似模型建立

由于涉密问题，该引信结构不具体展示，直接在ANSYS Electronic Desktop 软件中的HFSS模块下对弹体和引信进行近似建模。以弹体底面圆心为参考点，本文中将复杂的弹体简化为空心圆柱体、圆锥体，并模拟天线连接弹体。将引信简化为圆柱腔体，腔体内有简化的电路板及环形和矩形微带线。

该型全电子引信上端盖开了一个半径为1.5 mm，制造公差0.01 mm的通信孔，由于全电子引信将弹体作为接地平面，故引信内电路有导线作为接地线连接至弹体，该导线是电磁干扰耦合进引信内部的重要因素之一，将该导线进行近似建模。同时弹体内一般有传感器的线缆通过该通信孔进入引信内部电子电路，因此该通信孔是引信必不可少的结构，而该通信孔的尺寸与强脉冲电磁波的波长相差的数量级不大，该通信孔破坏了引信结构的连续性，是造成脉冲电磁干扰耦合进引信内部的重要途径，因此其制造公差引起的尺寸大小是本文重点研究对象。在近似模型的建立过程中，将该通信孔的大小参数化。

将强脉冲电磁干扰近似为平面波，脉冲幅值为150 kV·m，频段为1～10 GHz，沿轴负方向入射，为模拟开放的电磁环境，将边界定为圆柱体辐射边界。设置引信腔体内部接近电路板一点为场强参考点。总体近似模型和引信近似模型如图2和图3所示。

图2 总体模型示意图Fig.2 Overall approximate model

图3 引信近似模型示意图Fig.3 Approximate fuse model

3.2 仿真结果

仿真中将通信孔参数化，使其半径1.49～1.51 mm每隔0.001 mm进行一次仿真，在1～10 GHz扫频下，参考点场强仿真结果如图4所示。

图4 强电磁干扰下不同通信孔大小的引信内 参考点场强仿真曲线Fig.4 Field intensity diagrams of reference points in fuse with different communication hole sizes under strong electromagnetic interference

为下一步研究需要，提取各个通信孔半径下场强峰值及其对应的峰值频率，如表1所示。

表1 各通信孔条件下场强峰值及对应频率Table 1 Peak field strength and corresponding frequency under the conditions of each communication hole

从表1数据可以看出，随着通信孔尺寸的增大，引信腔体内参考点的峰值场强呈现小幅范围内波动上升趋势，峰值频率集中在6.3 GHz和8.7 GHz等2个频率点，经分析认为很大可能是由于电磁波在引信腔体空间内的这2个频率点出现电磁谐振导致的，其对引信起爆模块的具体影响将在本文后续进行计算。

4 起爆模块可靠度

4.1 无干扰时储能电容两端电压

高压储能电容充电时的等效电路图如图5。

图5 电容充电等效电路图Fig.5 Capacitor charging equivalent circuit diagram

假设引信在弹药飞行1 s后解除保险，高压储能电容开始充电，在经历2个完整的自然放电—反馈充电的周期后，于第7 s时触发信号到来，高压储能电容放电，通过Multisim软件，仿真出高压储能电容两端电压如图6所示。

图6 电容两端电压曲线Fig.6 Voltage across capacitor

假设电容经过5 RC充满电，由于电容自然放电时最低电压为1.9 kV，为计算方便视为2 kV，因此高压储能电容两端电压可近似表示为：

(1)

4.2 有干扰下储能电容两端电压

在PCB印制电路板中，信号从源驱动端出发，传输到负载端，再从负载端将信号回流传回至源端，形成信号电流闭环，即每个信号的传送都包含一个环路。当外界的电磁场穿过此环路时，就会在这个环路中产生感应电压，原理如图7所示。

图7 外界电磁场穿过环路产生感应电压原理图Fig.7 The external electromagnetic field passes through the loop to generate an induced voltage

平面波穿过环路时，环路中也会产生感应电压，其计算公式为：

=××48

(2)

式(2)中：为感应电压，V；为回路面积，m；为电场强度，V ·m；为电场的频率,MHz。

某型电子安全与解保装置起爆模块测试电路实物如图8所示，测得其充电回路面积约为2 cm。

图8 起爆模块测试电路实物图Fig.8 The physical diagram of the test circuit of the initiating module

根据式(2)可计算出强电磁干扰下不同通信孔条件下充电回路感应电压，如表2所示。

表2 各通信孔条件下充电回路感应电压Table 2 Induced voltage of the charging circuit under the conditions of each communication port

由电磁干扰引起的感应电压相位任意，其与原电容两端的叠加电压如图9所示，电容两端叠加的电压可表示为：

图9 叠加电压示意图Fig.9 Schematic diagram of superimposed voltage

=sin+()

(3)

4.3 起爆模块可靠度计算

某型全电子引信所用高压开关为冷阴极触发管，其自击穿电压为3.5 kV，即电容两端的叠加电压大于3.5 kV时，起爆模块视为不可靠。假设由电磁脉冲弹形成的电磁脉冲为瞬时电磁脉冲，在某一特定通信孔条件下，特定时间点发生不可靠事件的概率()可表示为：

(4)

以通信孔半径为1.490 mm为例，在Matlab软件中绘制出-曲线如图10所示。

图10 通信孔半径为1.490 mm时P-t曲线Fig.10 P-t image when the communication hole radius is 1.490 mm

因此，通信孔半径为1.490 mm时，起爆模块的总不可靠度可表示为：

(5)

通过Matlab软件计算，可得出通信孔半径为1.490 mm时总不可靠度为0.169 6。若干扰源为长电磁脉冲，依据式(4)、式(5)，其不可靠度将有所增加。使用同样的计算方法，可得到所有通信孔起爆模块的不可靠度如表3所示。

由表3数据可以看出，在强电磁脉冲的干扰下，全电子引信孔的尺寸仅仅因为制造公差导致的波动，在无其他屏蔽条件或辅助降低电磁干扰的电路设计手段时，对起爆模块的可靠度影响较大，其尺寸越小，即与线缆贴合的越紧密，可靠度就越高。

表3 各通信孔条件下起爆模块的不可靠度Table 3 The unreliability of the initiating module under the conditions of each communication port

5 结论

1) 仿真计算得出，引信外壳上的通信孔对引信电子安全与解除保险装置的起爆电路造成巨大影响。

2) 本文中以电磁脉冲弹形成的瞬时短脉冲为环境干扰背景，在实际复杂的战场环境中，长脉冲电磁干扰会降低武器系统的可靠度，同时在某些特定相位下引起反馈模块的误动作；在连续波干扰下，出现局部的焦耳热引起引信的其他降低可靠性问题。

3) 本文方法可为计算其他参数对全电子引信可靠度的影响提供借鉴，也为全电子引信的电磁兼容性设计如引信外壳尺寸设计、制造公差的安排等提供了依据。