基于CST软件的电火工品射频安全性分析.pdf

2 0 爆破器材E x p I o s i v eM a t e r i a l s第4 1 卷第5 期 基于C S T 软件的电火工品射频安全性分析 杨培杰①谭志良①谢鹏浩①纵兆春⑦ ①军械工程学院静电与电磁防护研究所 河北石家庄，0 5 0 0 0 3 ②总装备部驻九江地区军事代表室 江西九江，3 3 2 0 0 0 [ 摘要]为了研究电火工品在复杂电磁环境下的射频安全性，针对某型电火工品建立了偶极子天线模型。基于 c S T 电磁仿真软件，仿真得到了该天线模型的增益参数，进一步仿真计算得到了在频率为O ．7 5 G H z 、电场强度为 1 9 5 v ／m 的电磁环境下，进入到该电火工品的射频功率，并与实际计算结果进行了对比验证。通过多频点仿真计 算，得到了该天线模型的增益随频率变化的规律，即在0 ．5 2 ．0 G H z 的频率范围内，天线模型的增益随着频率的增 大而增大。 [ 关键词]电火工品c S T 仿真增益射频功率 [ 分类号] ’1 1 J 4 5 引言 随着无线电技术的飞速发展，战场的电磁环境 越来越复杂、密集。人为的和自然的、敌方的和我方 的、对抗的和非对抗的各种电磁信号充斥于作战空 间，形成了一个信号密集、种类繁杂、对抗激烈、动态 多变的战场电磁环境。这种复杂多变的电磁环境对 电发火弹药中的电火工品的影响也越来越明显，对 电火工品的性能和生存构成了威胁引。尽管电火 工品的种类繁多，但到目前为止，桥丝式电火工品在 武器装备中使用还是最普遍的。根据统计，现在使 用的电火工品大约9 0 ％是属于桥丝式的∞1 。处在 特定环境中的桥丝式电火工品，其电极引线可以作 为接收天线来吸收射频能量，从而引起电火工品的 误作用。因此，可以将桥丝式电火工品等效成为天 线模型，通过专业的天线仿真软件仿真得到天线的 电参数，计算进入到电火工品的射频功率，总结电火 工品电磁能量耦合规律，分析电火工品射频安全性。 1 电火工品的天线模型 各种桥丝式电火工品的基本结构相似，主要由 电极引线、桥丝、点火药和壳体等组成，如图1 所示。 电发火弹药中的电火工品本身及其相关发火线 路，都可能把射频能量引入电火工品中，起到无线电 波接收天线的作用【4J 。通常耦合到电火工品中的 射频能量很小，不足以导致其意外发火或失效，但在 某些条件下则可能由于射频能量的作用引起电火工 品的早发火和电发火弹药的误作用。此外，长期受 图l 桥丝式电火工品结构简图 到低于发火能量的射频作用，也可能使电火工品正 常发火的可靠性降低“ 剖。射频波的能量对电火工 品的作用主要表现在两个方面，即电流和电压的作 用。电流作用时，感应电流由电火工品的脚线输入 到桥丝时，能使桥丝加热到发火药的发火点，使产品 早作用或失效；电压作用时，则在脚一壳之间会发生 击穿而使炸药起爆，这与静电起爆的方式类似。 双引线式电火工品，引线在发火电路未短路时， 起偶极天线作用；发火电路短路时，起环形天线作 用。接收天线放在外来电磁场场内可感应出电流， 并在其输出端产生一个电动势H ，瑚j 。此电动势 在电发火系统中通过发火线路向桥丝负载输送电 流。 图2 为电火工品天线模型等效电路图。其中， ■为电磁场在天线上产生的感应电动势，Z 。为天线 等效阻抗，z E E 。为电火工品射频阻抗。 收稿日期2 0 1 2 旬5 ．3 1 基金项目国家自然科学基金 6 1 0 0 1 0 5 0 作者简介杨培杰 1 9 8 9 一 ，男，硕士，主要从事电磁防护理论与技术方面的研究oE m a i l y a n g I e q i e 0 4 2 6 1 6 3 ．e o m 通讯作者谭志良 1 9 “一 ，男，教授，主要从事电磁兼容与电磁肪护领域的研究。 万方数据 2 0 1 2 年1 0 月 基于c s T 软件的电火工品射频安全性分析杨培杰等 图2 天线模型等效电路图 射频场在天线上感应的电动势■，可表示为 y ；丛f 坐rf1 、 。 订＼1 2 0 ／ 、7 式中E 为射频场电场强度；A 为射频波波长；R ．为 天线等效阻抗的电阻分量；C 为等效天线的增益。 射频场进入到电火工品的功率P 嘞。则由下列 公式计算 P u D ，R m 一 竺墨望 ， 一 尺． R E E D 2 X ． x 腿D 2 、。7 式中，为负载端感应电流；互为天线等效阻抗的电 抗分量；R E E D 为电火工品的电阻分量；k 。为电火工 品的电抗分量。 当接收天线处于最大限度吸收射频波的方向， 且天线与负载之间阻抗匹配时，负载能够最大限度 地接收射频功率。即当尺． 月嘞，以 一鼍。。时，电 火工品能够最大限度地接收射频功率。 2 仿真模型的建立与结果分析 C S TM I C R O W A V ES T U D I O 由C S T 公司出品， 广泛应用于通用中高频无源器件仿真，适用于整个 电磁波和光波波段的电磁及电磁兼容仿真，可以进 行各类天线及天线阵、天线布局、R l 3 、F S s 、平面无 源器件仿真，集成时域有限积分法、时域传输线矩 阵、频域有限积分、频域有限元等多种算法归】。因 此，本文选用了该软件进行电火工品偶极子天线模 型的仿真研究，计算天线模型的增益。 2 ．1 仿真模型的建立 参考相关资料，针对某型号电火工品，建立其偶 极子天线模型，如图3 所示。偶极子天线两臂为实 心圆柱体，材料为镀银的铜导线，故设置为理想导 体，两臂长度Z 分别为l o om m ，直径d 为o ．3m m 。 两臂之间间隔2 d 的距离，用于天线馈电，只考虑远 场特性，将馈电方式设置为离散端口馈电。圆柱体 的中心为坐标原点，取彳轴的正方向为向上的方向。 在仿真频率的选择上参照G J B l 3 8 9 2 0 0 5 中的相 关规定‘1 0 1 ，将频率范围设置为O ．5 。2 ．0 G H z 。 图3 偶极子火线仿真模型图 2 ．2 仿真结果分析 图4 为2 1 0 0 m m 、频率为0 ．7 5 C H z 时偶极子天 线远场方向图，得到辐射天线的增益为2 ．2 3 5 d B i 。 根据互易原理，接收天线和发射天线的作用过程是 可逆的【1 1 | ，同一副天线作为发射和接收天线时的增 益是相同的，只是物理含义有所不同。因此，该天线 作为接收天线时，该频率下的增益也为2 ．2 3 5 d B i 。 l ■嘲∥j I ～＼J 图4 { ；j ；极子灭线三维远场函 当该偶极子天线作为接收天线暴露在频率为 0 ．7 5 G H z 的电磁环境时，天线的长度Z A ／4 ，此时 偶极子天线呈谐振状态。在谐振状态下，天线的等 效阻抗R ． 7 3 ．1 Q 。假设电场强度为1 9 5 v ／m ，结 合仿真得到0 ．7 5 G H z 频率下该天线的增益C 2 ．2 3 5 d B i ，将其代人公式 1 得到了在该条件下天线 可能接收到的最大感应电动势K 2 5 ．0 6 V 。 由天线原理可知，当接收天线与负载阻抗匹配 时，负载能够最大限度地接收射频功率。即当R ． 尺咖 7 3 ．1 f l ，墨 一溉E D 时，电火工品桥丝端和引 线构成的接收天线阻抗匹配，结合以上仿真结果，由 式 2 得到耦合进人电火工品负载端的最大射频功 率P 一 2 ．1 4 7 w 。 在实际情况下，电火工品和天线阻抗并不匹配。 取文献[ 1 2 ] 中的例子某型号电火工品的电极引线 长度为1 0 c m ，将其暴露在频率为O ．7 5G H z 、电场强 度为1 9 5 v ／m 的电磁环境当中，测量得到该电火工 品射频阻抗为l j 7 5 Q 。求该电火工品耦合得到 的射频功率大小2 1 。 本例中电磁环境的频率与以上仿真的频率相 同，均为O ．7 5 G H z 。在该频率下，该电火工品射频阻 抗为1 j 7 5 Q ，结合以上仿真结果，将其代人到式 万方数据 2 2 爆 破器材E x p l o s i v eM a t e d a l s第4 1 卷第5 期 2 ，得到了在阻抗不匹配的情况下，进入到电火工 品的射频功率P 。。。 O ，0 5 6 w 。 由于模型建立过程中材料参数设置以及软件算 法引起的误差，对仿真影响很小，故认为仿真结果是 合理的。将c s T 仿真计算的结果与文献[ 1 2 ] 中的 计算结果对比在频率为O ．7 5 G H z 、场强为1 9 5 v ／m 的电磁环境中，阻抗匹配条件时，仿真计算得到进人 到电火工品的最大射频功率为2 ．1 4 7 w ，文献[ 1 2 ] 中得到的最大射频功率为2 ．1 0 0 W ；阻抗不匹配的 条件时，仿真计算得到进入到电火工品的射频功率 为O ．0 5 6 w ，而文献[ 1 2 ] 中得到的射频功率为o ．0 5 5 w 。仿真计算结果与文献中的结果基本一致。 为了研究不同的频率对天线增益的影响，定义 远场监视器，计算在不同的频点下天线的增益。当z 1 0 0 m 明，频率分别为O 。5 0 、O ．7 5 、1 。o o 、l ，2 5 、1 ．5 0 、 1 ．7 5 G H z 和2 ．0 0 G H z 时的辐射天线增益参数仿真 结果如图5 所示。 0 ．2 50 ．5 0O ．7 51 ．O O I ，2 5 I ．5 0 1 ．7 52 ．O O 2 ．2 5 频率／G 1 l z 图5 偶极子天线增益与频率的关系图 由图5 可知，在0 ．5 0 2 ．0 0 G H z 的频率范围 内，天线的增益随着频率的增大而增大，增益的变化 会引起射频波在天线上产生的电动势的变化，进而 影响进入到电火工品中的射频功率。 3 结论 建立了电火工品的偶极子天线模型，通过专业 天线仿真软件C S T ，对天线模型的辐射远场特性进 行分析，得到了天线模型的增益系数，进一步仿真计 算得到了在阻抗匹配和不匹配两种条件下，进入到 电火工品中的射频功率。仿真计算结果与实际计算 结果基本保持一致，说明用c s T 软件分析电火工品 的射频安全性是可行的；通过多频点仿真分析，得到 了天线模型的增益与频率的变化关系，即在一定范 围内，随着频率的增大，天线模型的增益也在增大。 参考文献 [ 1 ]刘尚合，胡小锋．电磁环境效应及对军事装备的影响 [ J ] ，兵器知识，2 0 0 9 8 A 1 9 ．2 1 ． [ 2 ] 李金明，安振涛，罗兴柏，等．射频对电火工品的影响 及防护措施[ J ] ．爆破器材，2 0 0 4 ，3 3 5 1 7 一1 9 ． [ 3 ] 陈福梅．火工品原理与设计[ M ] ．北京兵器工业出版 社，1 9 9 0 ． [ 4 ] 杨培杰，李金明，王阵．电火工品等效天线模型的建立 与分析[ J ] ．装备环境工程，2 0 1 2 ，9 2 4 6 4 7 ，5 3 ． [ 5 ] 陈飞，周彬，秦志春，等．半导体桥火工品的防静电和 防射频技术[ J ] ．爆破器材，2 0 1 0 ，3 9 3 2 8 - 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