小型戰術導彈電磁兼容性測試與仿真分析研究*

鄭紅星，蕭劍平，曹桂珍，李源娜，吉紅巖

(1中國兵器工業第203研究所，西安 710065;2江南工業集團有限公司，湖南湘潭 411207)

0 引言

小型戰術導彈電磁兼容性測試的目的可分為診斷測試和達標測試兩類。診斷測試是為了查明存在電磁兼容性問題的原因和部位，為采取防護措施做準備;達標測試是根據相應電磁兼容標準或規范規定的方法和極限值對產品進行測量，評估其是否滿足標準的要求。

小型戰術導彈作為一種光機電一體化的電子設備，在復雜的電磁環境中可能是一個干擾源，又可能是受感器，因而其電磁兼容性測試可分為電磁干擾發射(EMI)測試和電磁敏感度(EMS)測試兩大類。

軍用產品電磁兼容性測試依據，主要是以GJB152A軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量標準為依據。該標準是軍用電磁兼容性領域中最主要的試驗和測量標準，GJB152A共有19個測試項目，被廣泛有效的實施。

傳統對電磁兼容問題的考慮往往依賴于工程經驗，對原型樣機進行電磁兼容性實驗分析，通過反復修改與再試驗的過程來確保電磁兼容性要求。由于導彈電氣系統復雜化程度越來越高，依靠經驗進行電磁兼容性設計不僅周期很長，而且成本很高，已經跟不上不斷出新的產品設計要求。新的、快速而準確的導彈電氣系統電磁兼容性設計方法成為必然需求。計算機硬件條件的飛速發展和工程實際的市場需求，促進了計算機數值分析方法的不斷進步，使計算機仿真對產品設計的指導意義愈加明顯。對于導彈的電磁兼容性分析，由最初的經驗預估、理論計算、實驗檢測，發展到了如今的計算機仿真。導彈電氣系統電磁兼容性設計朝著計算機實現虛擬設計、虛擬實驗的必然方向前進。文中結合試驗室測試結果，利用計算機仿真分析方法對GJB152A中的CE102和RE102項進行電磁兼容仿真分析研究。

1 導彈電氣系統模型

1.1 彈上電氣系統模型概述

彈上電氣系統模型，包括彈體結構模型、彈上互聯線纜束模型、激勵源模型以及彈上部件負載模型的綜合模型，即需要建立電磁兼容分析三要素模型，干擾源模型、耦合通道模型、敏感設備模型。

1.2 彈上電氣系統模型的建立

圖1 經過Meshing處理后

1)建立傳輸線等效電路模型。在彈體結構模型和線纜束模型建立好后，首先要對全彈3D線纜束及結構進行網格剖分成2D幾何橫截面，這些橫截面包括許多可變的電纜線(束)，其次將電纜橫截面分成單段，在考慮線纜束中阻抗損耗、電介質損耗等因素條件下，利用傳輸線矩陣法計算，其結果用L、C、R和G來表達，最后將這些參數編輯成能進行電磁兼容仿真用的傳輸線等效電路(transmission line circuit，TLC)模型。對全彈3D電纜網絡進行網格剖分，結果如圖1、圖2所示，形成的傳輸線等效電路二維局部模型及模型部分數據如圖3所示。

圖2 線纜束及導彈殼體截面圖

圖3 傳輸線等效電路二維局部模型及模型部分數據

2)建立激勵源數學模型。電纜布線所傳輸的信號，在要求傳輸的信號線上是有用信號，而對耦合到其他信號線上的電平，實際上是無用信號，認為是干擾，因此信號源變為干擾源。為了避免誤解，統稱為源。

為了簡便，源信號可以取連續波、脈沖波，并隨著計算任務的需要可以隨時補充，為了模擬實際情況，文中采用的源大部分來自于真實試驗過程中，用遙測或記錄裝置采集得到的數據來代替。

3)建立負載模型。由于彈上電子設備的復雜性，直接進行負載設備的建模是不現實的。當進行電氣線路與負載連接時，為了模擬實際情況，可以用一些模擬元器件，如電阻、電容、電感的簡單組合模型代替彈上部件，以進行下一步的分析計算。終端開路(這里用50MΩ負載端接)時，導線相當于一根輻射天線;終端接電阻時，導線的輻射效應減小，主要是因為接上電阻形成的閉合回路，電阻可以消耗能量，閉合回路也就有助于減小輻射。

4)建立全彈電氣系統模型。將激勵源模型、負載模型與全彈線纜束的傳輸線等效電路模型連接，最終完成導彈全彈電氣系統模型。

2 分析軟件介紹

彈上線纜束互聯網絡多為平行多芯導體，因此采用Simlab公司的CableMod軟件進行導彈的電磁兼容分析。該軟件采用了基于電報方程的最為有效的電磁場計算方法——傳輸線矩陣法(TLM)解麥克斯韋方程組，高效、精確的求解電纜網絡的電磁問題。基于篇幅限制，傳輸線矩陣法(TLM)的詳細公式推導在此不贅述，詳見相關數據。

CableMod是專門針對各種形式的復雜電纜網絡設計分析開發的一套仿真軟件，可以分析電纜束(包括周圍金屬結構的影響)之間的耦合、電纜束中流過信號時產生的輻射、電纜的阻抗，從而為彈上電纜網絡的電磁兼容性問題提供了完整的解決方案。

3 CE102(10kHz～10MHz電源線傳導發射)

3.1 試驗原理

電源線傳導發射CE102試驗的目的在于依據統一的標準(限制)對電子產品通過電源線向外發射的電磁騷擾水平進行評估和規范。當電子設備的噪聲頻率小于30MHz時，主要干擾為音頻頻段。電子設備的電纜對于這類波長的電磁波來說，還不是一個波的波長(30MHz波長為10m)，它向空中輻射的效率很低。這樣，若能測得電纜上感應的噪聲電壓，就能衡量這一頻段的電磁噪聲干擾程度。這里所測得的騷擾噪聲只是針對頻率在30MHz以下的連續騷擾電壓進行測試。在λ/2的整數倍時，輻射的效率最高。

CE102的測量方法采用LISN法，即利用LISN測量EUT沿電源線向電網發射的干擾電壓，測量頻率為10kHz～10MHz。測量直接通過LISN的監視測量端進行，此端口通過電容耦合的形式，將電源線上EUT產生的干擾電壓引出并傳遞給測量接收機接收，并通過LISN的轉換系數將接收到的電壓轉換為電源線上的實際電壓，得到不同頻率上干擾電壓的幅度。

試驗指標含義:負載設備通過供電電源線向電網產生的傳導干擾。適用范圍:所有電源導線(包括回線，但不包括EUT輸出端導線)。測試布置圖如圖4所示，其中LISN電路簡圖如圖5所示，電源線傳導發射極限值如圖6所示。

圖4 CE102測試布置圖

圖5 LISN電路簡圖

圖6 CE102電源線傳導發射極限值

3.2 某型導彈CE102測試結果

無濾波轉接箱時操控設備斷電與加電時的CE102傳導干擾比較如圖7所示(圖中，橫坐標為頻率(MHz)，縱坐標為電流(dBμA))。

加濾波轉接箱后，所有輔助設備加電的背景和導彈工作時的CE102傳導干擾如圖8所示(圖中，橫坐標為頻率(MHz)，縱坐標為電流(dBμA))。

比較兩圖可以看出，操控設備不經過濾波轉接箱時，導彈不工作，電源線CE102傳導干擾超標;操控設備經過濾波轉接箱后，降低了操控設備對傳導干擾測試的影響，導彈武器系統滿足CE102指標要求。

圖7 操控斷電和上電時CE102傳導干擾(無濾波轉接箱)

圖8 背景和導彈工作時的CE102傳導干擾(加濾波轉接箱)

3.3 某型導彈CE102仿真及結果分析

根據圖4、圖5以及導彈電氣模型建立CE102仿真電路模型，部分仿真電路圖模型如圖9所示。

圖9 CE102仿真電路圖(局部)

圖10 導彈工作時CE102仿真結果

由于計算機資源和計算時間的限制，仿真步長受到約束，所以仿真分10～250kHz和250kHz～10MHz兩部分進行，其載機28V電源線傳導發射CE102仿真結果如圖10所示。

從圖10中可以看出，在10～250kHz頻帶范圍內測試點傳導發射值約為25dBμA，250kHz～10MHz頻帶范圍內，從42dBμA至28dBμA逐漸變化。其中電源線傳導發射值在250kHz～3MHz頻帶范圍里都偏高，經分析導致在此頻段偏高的原因，很可能是由于RS422信號耦合到28V載機電源線上引起的，所以最簡便的方法就是將來真實測試時在載機28V電源線上加濾波器進行處理。

與實際測試曲線比較，圖中一些頻點處傳導發射幅值與實際值有所出入，這是因為:

1)仿真中直接測量模擬接收機的50Ω負載接收端電流，而實際測試時，電流是通過真實接收機來測量的，50Ω負載不能完全模擬接收機的屬性。

2)仿真中的LISN用其電路簡圖代替，與實際測試中的LISN在電路特性上還是有些許不同。

3)仿真精度影響了仿真結果。因為計算機資源和計算時間的限制，仿真步長不能太小，導致采集頻點不夠，與實際測試曲線產生差異。

4)實際測試中操控輔助設備對測試背景影響很大，但在仿真時沒有考慮這些輔助設備的影響。

5)仿真中對電纜接口處都是理想分析，而實際測試中需要給操控設備加濾波轉接箱，即使是經過濾波處理，但也很難和仿真用理想模型一致。

3.4 某型導彈CE102整改建議

根據測試及仿真數據曲線對比分析，針對CE102對某型導彈提出整改建議:

1)操控輔助設備對測試背景影響很大，應在操控設備與EUT進行電氣連接的端口增加濾波器，以減少對測試背景的影響;

2)對輔助設備與EUT之間連接的多根電纜進行濾波處理，尤其要整改地面對導彈的供電電源線、地面與發射電子單元之間的通訊信號線。

4 RE102(10kHz～18GHz電場輻射發射)

4.1 試驗原理

電場輻射發射RE102試驗的目的在于，依據統一的標準(限制)對電子產品通過空間向外發射的電磁騷擾水平進行評估和規范。根據天線理論，當天線的總長度大于信號波長λ的1/20時，會向空間產生有效的輻射發射;當天線長度為λ/2的整數倍時，輻射能量最大。當噪聲頻率大于30MHz時，電子設備的電纜、開孔、縫隙等都能很容易滿足上述條件，從而形成輻射發射。在特定的試驗環境下，利用天線可以對空間輻射發射的強度進行量化測量。

本試驗適用于設備和分系統殼體及所有互聯電纜的輻射發射，不適用于發射機的基頻或電磁兼容的輻射。此次測試的某型導彈屬于飛機(陸軍)范疇，適用頻率范圍為10kHz～18GHz。測試極限范圍如圖11所示，測試布置圖如圖12所示。

圖11 RE102測試極限范圍

圖12 RE102測試布置圖

4.2 某型導彈RE102測試結果

測試頻率 10kHz～1GHz，導彈全程工作，1～75MHz超標，200MHz～1GHz不超標;其測試曲線如圖13所示。

圖13 RE102測試結果

圖14 RE102仿真計算結果

4.3 某型導彈RE102仿真結果分析

由于計算機資源和計算時間的限制，仿真步長受到約束，所以仿真分10kHz～1MHz和1MHz～1GHz兩部分進行，其RE102仿真分析結果如圖14所示。

從圖中可以 看 出，在 頻點 15MHz、40MHz、70MHz、100MHz左右的值都較高，大概是30MHz左右的倍頻。經分析，此現象的原因很有可能是由于彈載計算機或發射電子單元內部晶振的工作頻率再經過倍頻引起的。所以，對計算機電路、發射電子單元進行濾波處理是很必要的。

仿真結果的趨勢和實際測試結果基本吻合，在局部細節有所不同，如在10kHz到1GHz整個頻帶范圍內，電場的輻射仿真數據整體都小于實際測試值，尤其是仿真數據在15MHz左右達到輻射最大值38dBμV，遠小于實際測試值，這是因為:

1)仿真模型不能完全代替實際導彈的性能。仿真模型中導彈彈體是完整的屏蔽體，導致內部電纜束向外輻射量明顯減少，真實導彈是很難做到彈體的完全屏蔽的。

2)仿真中沒有涉及到地面操控、地面供電電源、激光源這些在實際測試中必不可少的輔助設備以及與這些設備連接的長電纜，這些輔助設備對背景影響很大。

3)仿真中對連接電纜及接口處都是理想分析，而實際測試中需要加屏蔽、濾波處理，即使是經過處理，但也很難和仿真的理想模型一致。

4)仿真環境與測試環境不同，仿真是在距離導彈側面1m遠處的一個點對電場強度進行計算，而真實測試是利用各種類型的天線在導彈側面1m遠處來接收各個方向的電場輻射。

4.4 某型導彈RE102整改建議

根據測試及仿真數據曲線對比分析，針對RE102對導彈提出整改建議:

1)減小彈體各艙段之間的搭接電阻，增強導電連續性;

2)改善彈內線纜及接地線的布局;

3)通過使用導電襯墊等密封措施，增強殼體的屏蔽性能;

4)注重線纜的屏蔽處理，加強連接器與線纜屏蔽層及殼體的導電連接，必要時采取帶濾波功能的連接器(注:線纜及端口是RE102輻射超標的主要原因)。

5 結論

通過測試與仿真結果對比驗證的方法，分析了導致傳導發射和輻射發射偏高或超標的原因，得到以下結論:

1)CE102電源線傳導發射值在250kHz～3MHz頻帶范圍里都偏高，很可能是由于RS422信號耦合到28V載機電源線上引起的，將來真實測試時在載機28V電源線上加濾波器進行處理最為簡便。

2)RE102電場輻射發射值在頻點15MHz、40MHz、70MHz、100MHz左右的值都較高，大概是30MHz左右的倍頻。此現象的原因很有可能是由于彈載計算機或發射電子單元內部晶振的工作頻率再經過倍頻引起的。所以，在真實測試前對計算機電路、發射電子單元進行濾波處理是很必要的。

3)仿真模型不能完全代替實際導彈的性能，仿真環境與真實電磁兼容測試環境也存在很多差異，但從仿真計算結果與實際測試結果對比來看，仿真結果曲線總體趨勢與實際測試曲線基本吻合，這就達到了先前在虛擬環境下仿真預測的目的，做到了實際測試前的基本預測，為之后能順利通過正式測試打下基礎。

[1]王守三.電磁兼容測試的技術和技巧[M].北京:機械工業出版社，2009.

[2]陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶.電磁兼容試驗技術[M].2版.北京:北京郵電學院出版社，2012.

[3]鄭軍奇.EMC(電磁兼容)設計與測試案例分析[M].北京:電子工業出版社，2006.

[4]GJB 151A－1997軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求[S].

[5]GJB 152A－1997軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[S].