5G通信电磁环境对电火工品影响仿真分析.pdf

总第352期1引言火工品内部装填有火药或炸药，在受到外界刺激启动后，能够产生火焰、高温高压气体或爆炸冲击波。电火工品是利用电能起爆内部装药的火工品，对外界电磁刺激比较敏感。在各类电火工品中，桥丝式电火工品具有结构简单、发火可靠的特点，所以被广泛应用，但其在强电磁环境作用下，容易发生失效或爆炸。随着5G通信技术的迅速发展，5G通信被应用到越来越多的场合。5G通信技术的广泛应用使电火工品处于一个复杂的电磁环境。本文在分析电磁环境对桥丝式电火工品作用机理的基础上，采用ANSYS HFSS 电磁仿真软件，对处于典型微基站电磁辐射中电火工品感应电流进行仿真，分析其物理结构特性与感应电流之间的关系。2电磁环境对电火工品作用机理分析桥丝式电火工品一般由壳体、引线、电极塞、桥丝、引火药、起爆药和主装药等组成。其中，桥丝是电火工品的换能元件，材料通常为金属电阻丝1。桥丝与引火药连接，通电后，桥丝将电能转化为热能，当热能累积到足以点燃引火药，引火药燃烧起爆主装药。收稿日期：2023年4月16日，修回日期：2023年5月20日作者简介：路翠华，女，博士研究生，副教授，研究方向：弹药安全。李福强，男，硕士研究生，助教，研究方向：弹药安全。张旭，男，硕士研究生，副教授，研究方向：引信技术保障。陈则照，男，助理工程师，研究方向：弹药保障。5G 通信电磁环境对电火工品影响仿真分析路翠华1李福强1张旭1陈则照2（1.海军航空大学烟台264001）（2.中国人民解放军91427部队三亚572000）摘要5G通信技术在装设备储存场所和装设备上的广泛应用，将使电火工品暴露在复杂的5G通信电磁环境中。当桥丝式电火工品处于5G通信电磁环境中时，其引线可等效为接收天线，从电磁场中接收电磁能量，桥丝上会产生感应电流。为分析5G通信电磁环境对桥丝式电火工品的影响，选取一典型5G微基站为辐射源，对处于该辐射场中电火工品的感应电流进行了仿真，并分析了电火工品的物理结构特性与感应电流之间的关系。关键词5G通信；电磁环境；电火工品；感应电流中图分类号TP391DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.10.023Simulation Analysis of the Influence of 5G CommunicationElectromagnetic Environment on EEDLU Cuihua1LI Fuqiang1ZHANG Xu1CHEN Zezhao2（1.Naval Aviation University，Yantai264001）（2.No.91427 Troops of PLA，Sanya572000）AbstractThe wide application of 5G communication technology in storage places and equipment will expose electric initiating explosive devices（EEDs）to the complex 5G communication electromagnetic environment.When the bridge wire type EED is inthe 5G communication electromagnetic environment，its lead wire can be equivalent to a receiving antenna，receiving electromagnetic energy from the electromagnetic field，and generating induced current on the bridge wire.In order to analyze the influence of 5Gcommunication electromagnetic environment on bridge wire type EEDs，a typical 5G micro base station is selected as the radiationsource，and the induced current of EED in the radiation field is simulated，and the relationship between the physical structure characteristics of EED and the induced current is analyzed.Key Words5G communication，electromagnetic environment，electric initiating explosive device，induced currentClass NumberTP391舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 352 期2023 年第 10 期Vol.43 No.10106舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期对于双引线电火工品，未短路的电火工品引线起偶极子天线的作用，短路的电火工品引线起环形天线的作用2。当开路的桥丝式电火工品处于电磁环境中时，其等效天线模型如图1所示。电火工品的两条引线起到接收天线的作用，从环境电磁场中接收射频能量并转变为电能，该电能可充当起爆电火工品的初始能量35。当电火工品收到的电能被桥丝转化为足够点燃引火药的热能时，就会导致电火工品意外发火。天线负载（桥丝）Rb图1电火工品等效天线模型电火工品等效天线在电磁场中的等效电路如图2所示6，其中V为电火工品置于电磁场中引线上产生的感应电动势，=Zg为天线等效阻抗，ZE为电火工品射频阻抗。ZgRgXgXEREVZE图2电火工品等效天线模型的等效电路电火工品拾取电磁能量功率PE为PE=V2RE()Rg+RE2+()Xg+XE2（1）式中：RE为电火工品射频阻抗的电阻分量。Rg为引线等效阻抗的电阻分量；Xg为引线等效阻抗的电抗分量；XE为电火工品射频阻抗的电抗分量。由上述公式分析可知，当电火工品内阻抗与天线阻抗相匹配，即Rg=RE，Xg=-XE时，此时电火工品拾取电磁能量功率最大。35G微基站仿真模型建立5G通信使用的毫米波信号穿透能力较差，如果仅使用宏基站不能完美实现5G网络的全覆盖，所以目前我国基站的发展趋势是微基站与宏基站结合使用。对于微基站的功耗各国都有着不同的要求，目前我国的微基站功率一般控制在50mW10W范围内，其覆盖半径约为10m200m。在进行仿真计算时，需要根据仿真对象实际特性，建立5G微基站等效天线模型79。微带天线是一种结构较为简单的天线形式，自20世纪70年代问世以来始终备受各国研究人员的关注。与普通形式的天线相比，微带天线具备重量轻、体积小、贴片薄，且易与天线载体共形的优势。因此微带天线可以与其他元器件直接集成在天线基片上，以便于天线的组合设计与制造。基于以上特点，为简化仿真模型中辐射源的结构，本文在构建仿真模型时选用双极化同轴线馈电式矩形微带贴片天线等效替代5G微基站设备。矩形微带天线有侧馈和背馈两种馈电方式。由于在采取侧馈方式时，相同工作频率下需要的面积要远大于背馈方式1011，所以在建模时选取背馈式微带天线。背馈形式的微带天线俯视如图3所示。介质介质W WL辐射元馈电点馈电点WGLG图3背馈式的微带天线俯视图根据微带天线的辐射原理，可以计算出微带天线模型的尺寸参数。首先需要确定天线贴片辐射元的尺寸。辐射元的宽度W越大，天线的效率越高，且更容易实现阻抗匹配，但W的值必须满足式（2），否则会引起电磁场的畸变。Wc2frr+12-1/2（2）式中：c为光速；fr为谐振频率；r为相对介电常数。由上式可知，W通常小于0/2，0为电磁波波长。辐射元的长度L在理论上取g/2，g为波导波长，但在实际应用中由于边缘场的影响，L的实际长度应减去 2DL，DL为等效辐射缝隙长度。DL=0.412h()e+0.3(w/h+0.264)()e-0.258(w/h+0.8)（3）L=g/2-2DL（4）其次要选择合适的介质基板材料，本文在HFSS软件中选择Rogers R04003，其相对介电常数r=3.38，厚度 h=5mm。介质基板的尺寸通常可以直接在辐射元各边向外延伸 0.1g。即：107总第352期WG=W+0.2gLG=L+0.2g（5）式中：WG为介质基板宽度；LG为介质基板长度。确定好天线辐射元和介质基板尺寸以后，还需要找到合适的馈电点的位置。在实际应用中，天线的输入阻抗一般设置成50的标准阻抗。贴片中心为坐标原点建立平面直角坐标系，设满足天线的输入阻抗等于 50的馈电点的坐标为(xfyf)，则有：yf=0 xf=L2 re(L)re(L)=r+12+r-121+12hL-1/2（6）选取一典型5G微基站，将其工作频率代入上述公式，经过计算以及反复优化后得到天线模型尺寸参数如表1。表1微带天线模型尺寸参数参数数值辐射元宽度W34mm辐射元长度L24mm介质基板宽度WG80mm介质基板长度LG80mm馈电点坐标（xf，yf）（9.5mm，0）以计算出的馈电点为同轴馈电内芯顶面圆心，建立圆柱体内芯，并将材料设置为理想导体。在HFSS软件中依表1中数据建立天线模型后，进行大量仿真验证，得出天线不同频率下的回波损耗如图 4 所示，仿真结果表明该天线模型在 2.1GHz、3.5GHz、5GHz频率均达到了很好的性能指标。微带贴片天线的模型结构如图5。图4天线在不同频率下的回波损耗图5微带贴片天线结构图4电火工品仿真模型建立采用ANSYS HFSS电磁场仿真软件，并参照桥丝型电火工品物理模型与等效天线结构，构建典型电火工品电磁模型。典型桥丝式电火工品物理模型如图6所示。图6典型桥丝式电火工品物理模型电磁环境对电火工品的影响主要来自于电火工品上耦合到的射频能量。对于电火工品而言，耦合到的射频能量的大小主要取决于其等效天线的结构，而其装药结构对等效天线结构基本没有影响。因此在建立电火工品模型时忽略其装药结构。桥丝与引线模型放大图如图7所示。在ANSYSHFSS电磁场仿真软件中建立仿真模型时选取一典型火工品，其电火工品模型如图8所示。图7桥丝与装药模型图8电火工品模型结构图55G通信电磁环境对电火工品的影响仿真电磁环境对电火工品的影响，主要来自于电火路翠华等：5G通信电磁环境对电火工品影响仿真分析108舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期工品上耦合到的射频能量。在评估耦合能量大小时，采用火工品安全性通常使用的对比参量，如感应电流12。将外部激励场置为在边界上的垂直极化电场，场强E=1V/m，频率 f=2.1GHz，对处于该电磁场中桥丝式电火工品的感应电流进行仿真，并分析感应电流与电火工品物理特性的关系。5.1引线长度和感应电流的关系为研究分析引线长度和感应电流的关系，令引线长度变化范围为 L=0，200 mm。利用 HFSS软件仿真感应电流随引线长度L的变化规律，仿真结果如图9所示。图9引线长度L与感应电流的关系从图9中可以看出，感应电流随引线长度L呈现周期性变化。在 L=（2n）*35mm时，感应电流最小，为0mA；在L=（2n+1）*35mm 时，感应电流达到最大，为0.23mA。即当长度L为1/4波长的偶数倍时，感应电流为 0mA，长度 L 为 1/4 波长的奇数倍时，会有最大感应电流。电火工品的引线可等效为接收天线，根据天线原理可知，当天线长度l与电磁波长满足2l=/2时，形成半波谐振，此时接收天线的内阻抗Zg仅具有电阻分量，电抗分量为0，电火工品可能接收到电磁能量最大。仿真结果与理论分析一致。5.2引线间距和感应电流的关系为分析感应电流与电火工品引线间距的关系，令引线间距变化范围h=1.5，4 mm。利用HFSS仿真感应电流随引线间距h的变化规律，仿真计算结果如图10所示。从图10中可以看出，感应电流随引线间距h基本呈正比变化，间距h越大，感应电流会越大。5.3引线半径和感应电流的关系令引线半径变化范围为 r=0.05，0.8 mm。利用 HFSS仿真感应电流随引线半径 r的变化规律，仿真计算结果如图11所示。图10间距 h 与感应电流的关系从图11中可以看出，随着引线半径的增大，其对感应电流的影响越来越小。当引线半径大于0.5mm 时，线径增大，感应电流基本不变。图11线径r与感应电流之间的关系6结语随着5G通信技术的迅速发展，5G通信技术应用越来越广泛。5G通信技术在装设备储存场所和装设备上的应用，将使电火工品暴露在5G电磁环境中。桥丝式电火工品处于 5G 通信电磁环境中时，其引线可等效为接收天线，从电磁场中接收电磁能量，桥丝上会产生感应电流。以典型5G微基站为典型的辐射源，对处于该辐射场中电火工品的感应电流进行了仿真，分析电火工品的物理结构特性与感应电流之间的关系。仿真结果表明，当电火工品引线长度为5G射频信号波长的偶数倍时，感应电流为 0mA，长度为波长的奇数倍时感应电流最大；感应电流随引线间距基本呈正比变化，间距越大，感应电流会越大；当引线半径小于0.5mm 时，引线半径增大，感应电流会随之增大，随着引线半径的增大，其对感应电流的影响越来越小，当引线半径大于0.5mm 时，线径增大，感应电流基本不变。（下转第179页）109舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期各元素对目标的合成权重，计算公式为aij=RijWi从而得到基于AHP的平键体系中指标权重。根据指挥员和专家的意见，设计方案相对于各个指标的模糊评语如表3所示。为了更直接地显示作战效能，在得到到模糊综合评价B后，将B综合为一个：0.3652。根据业内经验和专家意见各级评语，将B确定一个权数W，分别赋值100，80，60，40，最后可得到综合评价为76.32。6结语本文从登录作战的含义出发，分析影响登陆作战中作战效能的主要因素，构建了指标体系，通过基于 AHP 的作战效能评估方法，给出了基本研究。实例证明，该指标体系简单可行，较好地解决了作战中的作战效能评估问题，该方法在登陆作战中有一定的参考价值。参 考 文 献1张世燎，阚亚斌，高晶.登陆作战中的打击目标选择效益评估研究 J.火力指挥与控制，2018，43（11）：87-97.2燕雪峰，张德平，黄晓东，等.面向任务的体系效能评估M.北京：电子工业出版社，2020：126-151.3位秀雷，张曦.航母编队防控作战效能评估指标体系构建 J.舰船电子工程，2019，39（01）：14-17，26.4魏燕明，张雪艳，岳奕丹，等.基于模糊物元法的坦克作战效能评估 J.火力与指挥控制，2017，42（11）：151-155.5姜峰，曹康，杨旭兵.基于三角模糊数和 AHP 的海洋平台风险评价方法J.甘肃科学学报，2016，28（3）：67-71.6王睿，姜宁.作战任务重舰艇编队通信作战效能评估方法 J.现代防御技术，2018，46（01）：108-114.7司光亚，高翔，刘洋.基于仿真大数据的效能评估指标体系构建方法 J.大数据，2016，2（04）：57-68.8范鹏程，祝利，安永旺.基于PFT的航天电子侦察系统作战效能指标体系构建 J.航天电子对抗，2017，33（04）：26-30.9刘德胜.基于复杂网络分析方法的作战体系评估研究综述 J.军事运筹与系统工程，2020，34（03）：66-73.10于莉莉，何明利，常书杰.地面无人装备自主作战效能评估方法研究 J.军事运筹与系统工程，2020，34（03）：26-32.11舒建生，姚群，武健，等.基于贝叶斯网络的常规导弹反舰作战效能评估 J.火力指挥与控制，2019，44（1）：114-118.12张海峰，于忠琳，谢宇鹏.基于贝叶斯熵权法的岸舰导弹作战效能研究 J.海军航空工程学院学报，2020，35（04）：310-315.参 考 文 献1胡慧，张旭，熊波，等.电火工品电磁建模及仿真分析J.海军航空工程学院学报，2020，35（3）：229-233.2常新龙，王建龙，张磊.电磁环境下桥丝式电火工品安全性仿真研究 J.包装工程，2011，32（12）：122-125.3张旭，吕晓峰，姚洪志，等.舰船短波天线对火工品安全影响 J.海军航空工程学院学报，2017，32（6）：553-554.4张旭，马志刚.舰载相控阵雷达对火工品安全影响 J.舰船电子工程，2018，38（6）：123-127.5王雪松，卫鑫.电磁环境对舰艇火工品的安全影响 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