接收線圈間耦合系數(shù)對多子彈感應(yīng)裝定系統(tǒng)的影響 *

張 旺， 王 利， 李 明

(1. 中北大學(xué) 機電工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 中國船舶集團有限公司， 北京 100097)

0 引 言

現(xiàn)代高技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭是全方位、 大縱深、 高強度以及高消耗的立體戰(zhàn)爭. 戰(zhàn)斗部子母化以及發(fā)展各種新型靈巧子彈藥， 是提高作戰(zhàn)能力的重要發(fā)展方向[1-3]. 目前,子母彈中無控子彈戰(zhàn)斗部， 存在著子彈命中概率較低、 毀傷能力相對較小、 目標類型較單一等方面的不足， 不能完全適應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)的需要； 而且無控子彈對目標上空未知風場的抗風性能較差， 若要實現(xiàn)對目標的有效封鎖與毀傷， 需要發(fā)射較多數(shù)量的炮彈， 同時對投放平臺的精度也有較高要求. 因此， 信息可裝定式子彈對提升作戰(zhàn)效能具有重要意義. 而無線電傳輸技術(shù)是利用電場、 磁場等作為傳輸媒介， 實現(xiàn)電能或者電信號由發(fā)射裝置到接收裝置的傳遞， 其相對接觸傳輸模式具有安全、 靈活的優(yōu)勢， 特別適用于收發(fā)端相對運動、 易燃易爆等場合[4].

在信息可裝定式子彈方面， 文獻[5]采用母彈發(fā)射線圈位于中心， 子彈接收裝置排列在周圍的結(jié)構(gòu)， 設(shè)計了隨機起爆子母彈無線感應(yīng)裝定系統(tǒng)， 對起爆時間進行了信息裝定. 由于此結(jié)構(gòu)的中心位置為母彈發(fā)射線圈， 所以并不適合中心爆管拋撒式子母彈.

在接收線圈間耦合系數(shù)影響傳輸性能方面， 文獻[6]通過移相控制來實現(xiàn)接收系統(tǒng)的獨立運行. 文獻[7]設(shè)計了一種多負載無線恒流充電系統(tǒng)， 利用DC-DC變換、 穩(wěn)壓， 先對電容儲能， 然后放電， 實現(xiàn)對負載電流的控制. 這兩種結(jié)構(gòu)中， 都需要一部分能量驅(qū)動控制電路或變換穩(wěn)壓電路， 都會降低系統(tǒng)的效率.

在多接收無線傳輸方面， 文獻[8-9]對多個接收裝置進行了仿真分析， 研究了多個接收端的整體效率和單個接收端效率， 提出多個接收端的整體效率大于單個接收端效率， 但隨著設(shè)備數(shù)量的增加， 分配到每個設(shè)備的功率也越來越低. 文獻[10]采用一對多無線傳輸接收結(jié)構(gòu)， 發(fā)射和接收線圈均為平面結(jié)構(gòu)， 通過對多接收系統(tǒng)阻抗匹配和效率的研究， 得出接收端功率的分配與發(fā)射-接收線圈間的互感值有關(guān)； 在文獻[11]的仿真和計算中提到了接收線圈之間存在交叉耦合， 但并未對此進行深入研究. 在子母彈中， 因為母彈的空間較小， 子彈接收線圈采用螺旋線圈纏繞， 且子彈間距離較近， 所以接收設(shè)備的線圈間存在互感.

本文以兩接收系統(tǒng)為例， 經(jīng)過理論和仿真分析了接收線圈間耦合系數(shù)對傳輸性能的影響， 并進行了實驗驗證.

1 多子彈無線傳輸工作原理

多子彈無線傳輸結(jié)構(gòu)原理如圖 1 所示， 在拋撒之前， 子彈存放在母彈的彈體之中， 母彈引信與子彈引信之間的距離很近， 所以采用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)子彈與母彈間的通信， 在子母彈發(fā)射后， 到達預(yù)定的開艙位置， 中心藥管爆燃將子彈向四周推出去， 子彈依據(jù)裝定的信息完成發(fā)火控制和引爆.

圖 1 子母彈原理結(jié)構(gòu)圖

2 多子彈無線傳輸系統(tǒng)建模與分析

多子彈無線傳輸系統(tǒng)可近似看成母彈發(fā)送裝置同時給多個子彈接收裝置發(fā)送能量和信息的系統(tǒng)， 其模型如圖 2 所示， 其中，U是發(fā)射電路的電源，r是電源內(nèi)阻，LS是發(fā)射線圈的自感，RS是發(fā)射端線圈的內(nèi)阻，CS是發(fā)射端線圈的匹配電容，Li(i=1,2,…)是接收端線圈的自感，RPi(i=1,2,…)是接收端線圈的內(nèi)阻，Ci(i=1,2,…)是接收端線圈的匹配電容,RLi(i=1,2,…)是接收端的負載，MSi(i=1,2,…)是發(fā)射與接收線圈之間的互感，Mij是兩個接收端之間的互感.

由KVL方程可得

(1)

圖 2 多子彈無線傳輸系統(tǒng)

為降低模型的復(fù)雜性， 假設(shè)只有相鄰的子彈間存在耦合， 以兩個接收端系統(tǒng)為例， 電路模型如圖 3 所示.

圖 3 兩接收系統(tǒng)電路模型

圖 3 中包含兩個接收電路模型. 根據(jù)KVL方程可得

(2)

接收端的反射阻抗為

(3)

兩線圈之間的耦合系數(shù)為

(4)

線圈的品質(zhì)因數(shù)為

(5)

假設(shè)接收電路各個器件的參數(shù)都相等， 且接收線圈都與發(fā)射線圈的耦合系數(shù)相同.

將式(4)， 式(5)代入式(2)可以求得

(6)

系統(tǒng)的輸入阻抗

Zin=RP+Zref=

(7)

系統(tǒng)的效率

(8)

因為RP1?RL，Z1≈RL， 所以， 系統(tǒng)的效率可近似寫為

(9)

3 系統(tǒng)仿真

為驗證理論分析的正確性， 利用ADS軟件對圖 3 所示的兩個接收端的電路進行仿真， 其中， 發(fā)射電路的電源電壓U=24 V， 電源內(nèi)阻r=50 Ω， 發(fā)射線圈的自感LS=14 μH. 發(fā)射端線圈的內(nèi)阻RS=0.2 Ω； 發(fā)射端線圈的匹配電容CS=0.9 μF， 接收端線圈的自感Li(i=1,2,…)=20 μH， 接收端線圈的內(nèi)阻RPi(i=1,2,…)=0.4 Ω， 接收端線圈的匹配電容Ci(i=1,2)=56 nF, 接收端的負載RLi(i=1,2,…)=100 Ω， 發(fā)射與接收線圈之間的互感MSi(i=1,2)=0.3， 系統(tǒng)頻率為150 kHz. 為探究接收端耦合系數(shù)對系統(tǒng)的影響， 對接收器間的耦合系數(shù)在0.1～0.3之間進行參數(shù)掃描.

圖 4 給出了線圈距離d與耦合系數(shù)k12之間的關(guān)系. 由圖可以看出： 當線圈相鄰時， 耦合系數(shù)k12最大為0.1； 隨著接收端線圈距離的增大耦合系數(shù)逐漸變小， 當距離達到50 mm時， 耦合系數(shù)等于0.008， 可近似看成接收設(shè)備間無耦合.

圖 5 給出了接收端電壓和耦合系數(shù)的關(guān)系， 由圖可以看出， 隨著耦合系數(shù)的增大， 接收端電壓逐漸減小， 由原來的 27.5 V 變?yōu)?3.5 V. 在子母彈中， 子彈被拋出母彈后， 子彈引信的儲能電容為子彈提供電源輸出并且保持一段時間[12]. 由電容儲能公式E=CU2/2可知， 電容儲存的能量與電容兩端電壓的平方成正比， 因此， 接收端電壓的降低會對電容儲能能量產(chǎn)生較大的影響.

圖 4 耦合系數(shù)與線圈間距之間的關(guān)系

圖 5 接收端電壓與耦合系數(shù)的關(guān)系

圖 6 給出了輸入阻抗的電阻和電抗與接收端耦合系數(shù)的關(guān)系. 由圖可知： 隨著接收端耦合系數(shù)的增大， 輸入阻抗的大小和相位都發(fā)生了較大的變化， 隨著接收端耦合系數(shù)的增加， 電阻急劇下降， 輸入電抗先增大后減?。?由于電抗值小于零， 此時， 電路呈現(xiàn)容性， 系統(tǒng)的諧振點發(fā)生偏移， 此時系統(tǒng)失諧， 造成系統(tǒng)傳輸效率降低， 線圈間的損耗增加.

圖 6 輸入電阻和輸入電抗與耦合系數(shù)的關(guān)系

圖 7 給出了系統(tǒng)的傳輸效率與接收端線圈間耦合系數(shù)的關(guān)系. 由圖可以看出， 隨著接收線圈間耦合系數(shù)的增加， 系統(tǒng)的效率逐漸減小. 當接收端線圈存在互感時， 嚴重影響系統(tǒng)的傳輸效率.

圖 7 系統(tǒng)的傳輸效率與接收線圈間耦合系數(shù)的關(guān)系

4 實驗驗證

為驗證理論分析的正確性， 依據(jù)上述仿真設(shè)計了一套原理樣機， 如圖 8 所示.

1)發(fā)射線圈纏繞在直徑128 mm圓柱形尼龍管外壁， 模擬母彈發(fā)射裝置， 接收線圈纏繞在直徑為63 mm的尼龍管上， 模擬子彈接收裝置.

(a) 接收裝置線圈間距d=10 mm或50 mm

(b) 接收裝置線圈間距d=0 mm(坡莫合金隔離)

2)將接收裝置沿著母彈內(nèi)壁移動， 如圖8(a)所示， 確保發(fā)射線圈與每個接收線圈的耦合系數(shù)相等， 分別測得子彈間距d為0 mm， 10 mm， 50 mm 時各參數(shù)的值.

3)將接收裝置線圈間用坡莫合金薄層隔離開， 坡莫合金厚度為0.1 mm， 接收裝置線圈間距可近似看成0 mm， 如圖8(b)所示， 測量各參數(shù)的值.

實驗結(jié)果如表1 所示.

表1 不同耦合系數(shù)實驗數(shù)據(jù)對比

表1 中，d為接收線圈間的距離，k12為兩接收線圈的耦合系數(shù)，US為發(fā)射端電壓，IS為發(fā)射端電流，U1為接收端電壓，η為線圈間的傳輸效率. 由實驗結(jié)果可知： 兩個接收裝置無線能量傳輸耦合回路中， 不論接收線圈間是否存在耦合， 輸入電流和電壓幾乎不變， 即輸入功率幾乎不變. 接收裝置線圈間距為0 mm時， 耦合系數(shù)最大， 此時， 接收端電壓為14.4V， 線圈傳輸效率最低， 為0.65. 隨著接收端線圈間距的增加， 耦合系數(shù)逐漸減小， 接收端電壓逐漸升高， 線圈傳輸效率也逐漸升高， 當線圈間距達到50 mm時， 接收線圈間無耦合， 接收端電壓為16 V, 傳輸效率達到 0.77. 因此， 接收裝置線圈間耦合的存在降低了線圈間無線能量的傳輸效率. 通過坡莫合金薄層將接收裝置的線圈隔開， 接收端電壓達到 17.6 V, 線圈間的傳輸效率也達到了0.82， 這是因為坡莫合金薄層可將接收線圈外圍絕大多數(shù)磁路束縛在薄層中[13-15]， 從而避免接收裝置間的相互影響. 比較各組實驗數(shù)據(jù)可知， 增加接收裝置間的距離、 采用磁屏蔽均能可靠減少接收線圈間的耦合系數(shù)， 且磁屏蔽方案效果更好.

5 結(jié) 論

本文采用電路KVL基本原理， 分析了接收端線圈之間存在互感時， 系統(tǒng)的輸入阻抗和系統(tǒng)的傳輸效率的關(guān)系， 并進行了實驗驗證. 結(jié)果表明， 隨著接收線圈間耦合系數(shù)的增加， 接收端電壓逐漸下降， 系統(tǒng)的輸入阻抗發(fā)生較大的變化， 傳輸效率也隨之降低. 因此， 在母彈內(nèi)空間允許的情況下， 子彈間應(yīng)該間隔一定的距離， 如果母彈內(nèi)空間有限， 搭載的子彈數(shù)量較多， 應(yīng)該用高磁導(dǎo)材料將子彈相互隔離開以達到提高能量傳輸效率和數(shù)據(jù)傳輸準確率的目的.