趙 團(tuán) 姚洪志 紀(jì)向飛 王可暄陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西西安，710061）

火工品高頻段射頻阻抗測(cè)試技術(shù)?

趙 團(tuán) 姚洪志 紀(jì)向飛 王可暄
陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西西安，710061）

為測(cè)量高頻段火工品射頻阻抗，根據(jù)火工品腳線和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了火工品專用連接夾具，實(shí)現(xiàn)了同軸和平行線的有效連接。并對(duì)夾具引入的測(cè)量誤差進(jìn)行了修正計(jì)算，建立了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的高頻段火工品射頻阻抗測(cè)試系統(tǒng)。利用此系統(tǒng)，測(cè)量了火工品1～18 GHz范圍內(nèi)的射頻阻抗，共出現(xiàn)了5個(gè)諧振點(diǎn)，在諧振點(diǎn)火工品從電磁環(huán)境中吸收的能量最大，為評(píng)價(jià)火工品在電磁環(huán)境中的安全性提供了數(shù)據(jù)支撐。

火工品；射頻阻抗；測(cè)試；去嵌入

引言

火工品（EED）是武器彈藥和裝備的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于武器毀傷系統(tǒng)的起爆與傳爆，發(fā)射與推進(jìn)系統(tǒng)的點(diǎn)火、傳火與延期等方面?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中，復(fù)雜電磁環(huán)境已經(jīng)成為一種常態(tài)。作為武器系統(tǒng)中最敏感的裝置，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、儲(chǔ)存過(guò)程中，火工品的兩根腳線可作為偶極子或單極天線，從環(huán)境電磁場(chǎng)中吸收射頻能量，造成火工品性能降低甚至完全失效（瞎火）。因此，火工品電磁環(huán)境中的安全性也越來(lái)越受到人們的重視。

射頻阻抗是評(píng)估火工品電磁環(huán)境安全性的重要參數(shù)，其值是頻率的函數(shù)，隨著試驗(yàn)頻率的不同而變化。利用火工品射頻阻抗分析，計(jì)算火工品在復(fù)雜電磁環(huán)境場(chǎng)中的諧振頻率、響應(yīng)規(guī)律，對(duì)評(píng)價(jià)火工品電磁危害具有重要的意義。只有了解和掌握了火工品在電磁環(huán)境中的敏感頻率，才能采取正確的防護(hù)措施，保證火工品工業(yè)電雷管在射頻環(huán)境下使用的安全性［1］。

火工品射頻阻抗可使用射頻阻抗分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器測(cè)量。射頻阻抗分析儀試驗(yàn)頻率范圍有限，測(cè)量范圍為1～1 800 MHz。但是，隨著衛(wèi)星通訊、搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)等超高頻裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上的使用，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的帶寬已經(jīng)變得越來(lái)越寬，射頻阻抗分析儀已不能滿足現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)火工品射頻阻抗測(cè)試要求。因此，現(xiàn)階段開(kāi)展高頻段（1～18 GHz）火工品射頻阻抗的測(cè)試技術(shù)研究是十分迫切的。

1 測(cè)試系統(tǒng)

在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中，二端口或四端口網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試一般選用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行［2］?；鸸て纷鳛槎丝诰W(wǎng)絡(luò)，在高頻段，火工品射頻阻抗是分布參數(shù)，其值與傳輸線上電磁波的入射和反射緊密相關(guān)。S參數(shù)通常用來(lái)描述二端口網(wǎng)絡(luò)之間輸入和輸出關(guān)系，通過(guò)測(cè)量火工品S參數(shù)，就可計(jì)算出火工品射頻阻抗［3］。S參數(shù)與輸入阻抗的關(guān)系為

式中:Zi是輸入阻抗；Z0是測(cè)量系統(tǒng)特征阻抗；Sd是被測(cè)件S參數(shù)。

火工品腳線狀態(tài)一般為平行線，具有差分端口的特征［4］。而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出端為同軸接口，為了完成火工品S參數(shù)的測(cè)量，通過(guò)研制同軸轉(zhuǎn)平行線連接夾具，建立了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的火工品高頻射頻阻抗測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。

采用安捷倫的N5230型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻率范圍為10.0 kHz～26.5 GHz。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和EED之間采用圖2所示的夾具來(lái)連接。夾具采用層級(jí)傳輸線模型，包含同軸段和平行線兩部分。同軸段由兩個(gè)SMA接頭和兩節(jié)同軸電纜組成，SMA陰頭可以連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口，兩節(jié)同軸電纜間距逐步變少，達(dá)到被測(cè)火工品輸入腳線要求的間距，末端把外導(dǎo)體焊接起來(lái)。平行線部分采用SMA內(nèi)導(dǎo)體，可以直接和EED插拔，提高了測(cè)試的便捷性和電連接特性。

2 夾具去嵌

由于夾具的嵌入使用，導(dǎo)致矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)面和被測(cè)件EED的測(cè)量面不在同一個(gè)平面上，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試數(shù)據(jù)包括EED的測(cè)試結(jié)果和夾具引入的測(cè)試誤差。為了去除夾具對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響，必須對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，即夾具的去嵌，從而得到EED的真實(shí)結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

從測(cè)試系統(tǒng)可知，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的S參數(shù)由夾具和EED兩個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)級(jí)聯(lián)而成，由于在處理級(jí)聯(lián)二端口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，S參數(shù)不便于計(jì)算，而使用傳輸散射矩陣（T）方便快捷［5］。

二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的定義為

T參數(shù)的定義為

則S參數(shù)和T參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

在T參數(shù)模型下，夾具的T參數(shù)等效為同軸部分的T參數(shù)和平行傳輸線部分的T參數(shù)。因此，測(cè)量結(jié)果T參數(shù)TM和同軸部分T參數(shù)TC、平行傳輸線部分T參數(shù)TP、EED部分T參數(shù)TEED的關(guān)系為

對(duì)于任意的矩陣，在其存在逆矩陣的情況下，均存在如下關(guān)系:

由式（6）和式（7）可得:

從式（8）可知，如果知道同軸部分和平行傳輸線部分T參數(shù)，就可計(jì)算火工品的T參數(shù)［6］。根據(jù)微波傳輸線理論，傳輸線的特征阻抗為Zc，則其S參數(shù)為

式中:Ds=2Z0Zcchγl+（Z2c+Z20）shγl；Z0是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的特征阻抗；γ是線的復(fù)傳播常數(shù)；l是線的長(zhǎng)度。利用此公式，下面將分別計(jì)算兩部分的S參數(shù)。

1）同軸部分。

同軸電纜和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的特征阻抗都是50 Ω。因此，這部分的S參數(shù)僅僅取決于傳輸損耗和相位變化。當(dāng)每個(gè)同軸電纜端接短路線，通過(guò)測(cè)量它們的反射系數(shù)，就可計(jì)算其S參數(shù)。

2）平行線部分。

由于平行線部分為短線，可視為無(wú)耗線。在式（9）中唯一未知的是這部分的特征阻抗，其值可用式（10）來(lái)計(jì)算［7］:

式中:sp為腳線之間的間距；dp為腳線的直徑；μ0為真空磁導(dǎo)率，4π×10-7H/m；ε0為真空介電常數(shù)，1/36π×10-9F/m。

通過(guò)測(cè)量夾具，知sp=2.6 mm，dp=1.0 mm。按式（10）計(jì)算結(jié)果為193.8 Ω。夾具的特征參數(shù)如表1所示。

表1　夾具特征參數(shù)Tab.1 Characterization parameter of adapter

3 測(cè)試

火工品高頻段射頻阻抗測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。所用樣品為橋絲式火工品（未裝藥），橋絲為鎳鉻電阻合金絲，直徑8 μm，橋距2.6 mm，電阻10 Ω，腳線長(zhǎng)25 mm，樣品如圖5所示。

測(cè)量步驟如下:

1）分別計(jì)算夾具同軸部分和平行線部分的S參數(shù)SC和SP；

2）校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，用夾具連接被測(cè)火工品到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量夾具和火工品的S參數(shù)SM；

3）將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為T(mén)參數(shù):TC、TP、TM，計(jì)算TC、TP的逆矩陣T-1C、T-1P，用式（8）計(jì)算修正的T參數(shù)，得到被測(cè)火工品的T參數(shù)TEED；

4）將被測(cè)火工品的T參數(shù)TEED轉(zhuǎn)換為S參數(shù)SEED；

5）利用式（1），計(jì)算被測(cè)火工品輸入阻抗。

為了精確測(cè)量，測(cè)量必須在電磁環(huán)境干擾較小的場(chǎng)所進(jìn)行，測(cè)量和校準(zhǔn)時(shí)必須保持在同一個(gè)面上。火工品高頻段S參數(shù):S11、S12、S21、S22測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

從結(jié)果可以看出，在13～18 GHz頻段，S11和S22參數(shù)不相等，為了減少夾具不對(duì)稱造成的影響，Sd參數(shù)可用下面公式計(jì)算:

利用S參數(shù)，按照上述測(cè)量步驟就可得到火工品高頻段射頻阻抗，其計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

火工品射頻阻抗的電阻部分R，可用于火工品等效天線有效孔徑Ae的計(jì)算。對(duì)于未接入武器裝置的火工品，在腳-腳發(fā)火方式時(shí)，Ae為［8-9］

式中:L為腳線長(zhǎng)度；d為腳線間距；λ為波長(zhǎng)；R為射頻阻抗電阻分量。

進(jìn)入系統(tǒng)的射頻功率為

圖7、圖8可知，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，出現(xiàn)了2.85、7.24、10.10、13.25 GHz和18.00 GHz共5個(gè)諧振點(diǎn)，此時(shí)的射頻功率P最大。如果P小于火工品最大不發(fā)火射頻功率，則該火工品在電磁環(huán)境中是絕對(duì)安全的［10］。因此，火工品射頻阻抗是很有用的安全性能參數(shù)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)設(shè)計(jì)火工品射頻阻抗測(cè)試夾具，建立了高頻段火工品射頻阻抗測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量了1～18 GHz火工品射頻阻抗，為高頻段火工品射頻阻抗的測(cè)量提供了一種新的測(cè)試方法。

2）從測(cè)量結(jié)果可知，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，共出現(xiàn)了5個(gè)諧振點(diǎn)，在諧振點(diǎn)，火工品吸收的功率最大，為評(píng)價(jià)火工品在電磁環(huán)境中的安全性提供了數(shù)據(jù)支撐。

［1］ 王可暄，白穎偉，任煒，等.電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下響應(yīng)規(guī)律［J］.含能材料，2012，20（5）:610-613.WANG K X，BAI Y W，REN W，et al.Response rule of hot-wire EED in continuous electromagnetic environment ［J］.Energetic Material，2012，20（5）:610-613.

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Test Technique of RF Impedance of EED in High Frequency

ZHAO Tuan，YAO Hongzhi，JI Xiangfei，WANG Kexuan
National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute（Shaanxi Xi'an，710061）

To measure RF impedance of EED in high frequency band，the special adapter was designed to connect coaxial cable and EED according to the configuration feature of EED and vector network analyzer.Error from the adapter was calculated and corrected，and the measurement system of EED RF impedance was built on the base of vector network analyzer.Using this system，RF impedance of EED from 1-18 GHz was measured.In the results，there appear five resonance points，and energy of EED absorbed from electromagnetic environment is the biggest at these points，which can afford data support to evaluate the safety of EED in electromagnetic environment.

initiating explosive devices（EED）；radiated frequency（RF）impedance；measurement；de-embedding

TJ450.6

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.013

2015-11-11

國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金戰(zhàn)略投入性項(xiàng)目（20151026）；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)（2011YQ13001904）

趙團(tuán)（1980-），男，高工，主要從事火工品電磁環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail:zhaotuan213@sina.com