彈上電纜抗干擾仿真分析

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(上海機電工程研究所， 上海 201109)

0 引 言

隨著科技向軍事的滲透,電子戰成為一種重要的作戰形式，已經受到越來越多的重視。導彈作為高科技武器產品，在電子戰中能否正常使用將直接決定戰爭的勝負，研究導彈的電磁兼容性具有很重要的現實意義。彈上電纜是彈上所有信息的傳輸通路，也是電磁干擾的主要耦合通道，彈上諸多干擾都是在傳輸過程中通過電纜線間串擾和耦合產生的。因此，彈上電纜網的電磁兼容性能影響著導彈整體電磁兼容性水平，研究彈上電纜的電磁兼容問題可以有效提高導彈的抗干擾性能，提高導彈在現代復雜電磁環境中使用的可靠性。

在現代導彈武器系統的研制過程中，仿真技術得到了廣泛的應用。有些試驗由于各種條件限制而不能直接進行,通過在計算機上建立相似的、有足夠解析度的模型進行仿真分析,通過對模型的仿真制導系統的設計，可以大大縮短系統的研制周期。在導彈系統設計中，運用仿真技術對彈上復雜電子系統建立近似模型，進行電磁兼容性仿真分析，可以快速而直觀地觀察到彈上各設備的受擾情況，評估彈上設備以及導彈整體的電磁兼容性能水平，為導彈抗干擾設計提供一定的依據，有效控制導彈研制周期。本文采用仿真技術建立彈上電纜間的電子干擾以及外界電磁輻射對彈上電纜的干擾模型，對線線耦合以及場線耦合進行了初步的仿真分析，得到的結果與實際工程經驗結果吻合。

1 彈上電纜耦合干擾分析

彈上電纜網由單導線、雙絞線以及屏蔽線等各種線纜組成，雙絞線以及屏蔽線分別是將單導線扭絞并加屏蔽層構成。對單導線進行電磁兼容性研究，評估布線過程中的各項因素對其承受干擾能力的影響具有普遍意義。下面分別對彈上雙導線間的相互干擾以及彈上獨立回路電路受干擾情況進行仿真分析。

1.1 彈上雙導線耦合分析

首先，我們對某導彈簡化模型中兩根并行單導線間的相互干擾進行分析，考慮兩根線纜的長度、相互間的間距以及距地高度等因素對干擾的影響。圖1為某導彈內雙導線模型縱向圖，彈體總長度為3.3 m，以彈尾部中心為坐標原點建立坐標系。

圖1 彈上雙導線模型Fig.1 Two parallel lines on missile

導線位于彈體中間平行放置，圖2為雙導線截面圖和局部位置圖，以彈體為參考地面，導線距地為h，相互間距為d，導線為半徑0.69 mm的裸線，在其中一根線的一端施加激勵信號，同時四端均接50 Ω負載。

本文對該模型仿真分析，探討導線距地高度、相互間的間距以及長度等布線因素對相互之間干擾的影響。

(a) 雙導線截面圖

(b) 彈上雙導線局部位置圖圖2 彈上雙導線模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of two parallel lines on missile

這里我們定義受擾線靠近激勵源的一端為近端，遠離激勵源的一端為遠端；同時定義近端干擾電壓傳輸比為近端干擾信號與激勵信號的頻域值之比。仿真時激勵信號為頻率0～100 MHz、幅度1 V的高斯脈沖信號，記錄近端干擾信號，如圖3所示。

圖4～6為近端干擾信號隨導線距地高度、相互間間距以及長度變化時的時域波形以及干擾電壓傳輸比。

圖3 高斯激勵信號Fig.3 Gaussian excitation signal

圖4 不同間距的響應信號Fig.4 Response signal of different distance

圖5 不同高度的響應信號Fig.5 Response signal of different height

圖6 不同長度的響應信號Fig.6 Response signal of different length

由仿真結果可以看出，導線相互靠得越近、距地高度越高、并行線長度越長，相互間的干擾就越大；導線長度越長干擾信號收斂得越慢。因此，工程中對彈上各種電纜在布線設計時采取歸類、分離，不同性質的傳輸線避免在同一束電路和同一插座上通過,同時應盡量減小并行線纜的長度。

1.2 彈上獨立回路耦合分析

對于彈上電纜網中部分電路如小信號、弱信號或怕受干擾的信號線等，需要采用獨立回線以避免干擾，此時電路的回路面積對其受外界干擾將產生較大影響，考慮如圖7所示的彈上三導線，其中兩根線為獨立回路，我們改變該回路的面積并仿真受擾電路近端電阻兩端電壓的時域信號。

發射線一端激勵0～50 MHz的高斯脈沖信號，改變圖7中a的大小從而調節回路面積，干擾信號的時域信號以及電壓傳輸比如圖8所示，干擾信號大小與回路面積成正比，即對于獨立回路的電路，布線時應當使其回路面積盡量小，如將信號線與地線盡量靠近排布等，從而減少外界干擾信號的引入。

(a) 三導線截面圖

(b) 彈上三導線局部位置圖圖7 三導線示意圖Fig.7 Schematic diagram of three parallel lines on missile

圖8 不同回路的響應信號Fig.8 Response signal of different loop

隨著導彈技術的發展，彈上電纜作為彈內設備的能源以及信息傳輸通路，面臨的電磁兼容問題越來越多。導彈設計時應當充分考慮系統內部相互間的干擾，從而合理安排內部結構、科學布線；同時，也應充分考慮外界電磁環境對導彈的影響。下面我們對外界電磁脈沖下彈上電纜受干擾情況進行初步的分析。

2 外場耦合干擾分析

現代導彈武器系統的工作環境十分惡劣，在導彈陣地相對狹小的地域內，電子系統十分密集，它們對導彈的正常工作會產生影響。現代戰爭中電子戰貫穿于作戰全過程中，對導彈的安全性和可靠性也產生了巨大的威脅。在外界復雜電磁干擾環境中能正常工作已成為導彈電磁兼容性研究的重點。

我們對某簡化導彈模型在外界電磁脈沖照射下受到的干擾進行仿真分析，研究各種形式的電磁脈沖對彈上電纜產生的干擾情況。圖9所示為某導彈模型，我們假設彈體中間某處有1個3 mm寬的縫隙，實際情況中可能是接口或者外部電纜入口等，并由其他材料填充，仿真分析中我們將其設為空氣。導彈內部有一根以彈體為接地面的單導線，端接阻抗均為50 Ω，外場激勵為均勻平面波，入射方向如圖9(b)所示，α為入射波在xoz面的投影與ox軸的夾角，θ為入射波與oy軸的夾角。

仿真時，入射波為頻率0～100 MHz、幅度1 V的高斯脈沖信號，改變入射場的極化方向以及入射角度θ，分析彈上電纜中產生的干擾信號，靠近坐標原點一端干擾電壓結果如圖10～11所示。

(a) 單導線截面圖

(b) 外場入射坐標圖

圖10 不同極化方式的響應信號Fig.10 Response signal of different polarization

圖11 不同入射方向的響應信號Fig.11 Response signal of different incidence direction

分析以上結果可以看出，電磁脈沖入射方向不變時，入射場極化方向對干擾有較大影響。比較各種極化方式的干擾信號，我們發現入射場H面與導線回路面垂直時干擾信號最強，兩者平行時干擾信號最小，而且隨著頻率的升高，干擾信號傳輸比越來越大，即高頻信號將產生更大的干擾。極化方式不變，α=90°時，改變入射角度θ，分析各種入射角度下的干擾信號，θ取0°時干擾信號幅度最大。觀察干擾信號的頻域傳輸比波形，隨著頻率的升高，干擾信號逐漸變強，在37 MHz時干擾信號傳輸比出現峰值，為導彈整體結構的諧振點。

綜合考慮以上仿真結果，在導彈設計過程中，應當在最大程度地引入外界電磁輻射的條件下，充分考慮內部電纜布線以及彈體結構，避免因布線或者系統結構產生的頻率諧振點與內部工作頻率重合，從而導致外界干擾信號的引入。

3 仿真方法驗證

本文采用三維電磁仿真軟件研究彈上電纜電磁干擾問題。為了驗證本文仿真方法的準確性，對參考面為地平面的兩根實心裸線進行計算，半徑為0.406 4 mm，線長為4.674 m，距離地面均為2 cm，相互間距為2 cm，端接電阻均為50 Ω，單脈沖激勵源上升沿與下降沿均為12.5 ns，峰值為1 V，持續時間為7.5 ns。本文仿真結果與文獻[9]結果對比如圖12～14所示，波形十分吻合，驗證了本文仿真方法的正確性和準確性。

圖12 文獻測試結果Fig.12 Test result in the literature

圖13 文獻仿真結果Fig.13 Simulation result in the literature

4 結束語

現代武器系統中廣泛存在著種類繁雜、數量龐大、信號密集、頻譜擁擠的電子設備，彈上電纜作為連接這些電子設備的通道，承擔著傳輸各種彈上信號、對彈上設備供電等任務。充分考慮其電磁兼容問題,合理分類各種電纜并科學布線，對提高導彈可靠性有顯著作用。運用仿真技術建立導彈局部或整體模型分析彈上干擾，具有快速直觀等優點，可以為工程電磁兼容設計提供可靠依據，加快導彈抗干擾技術的研究。本文對彈上電纜間相互干擾以及外界電磁脈沖入射對彈上電纜的干擾兩個簡單模型進行了仿真研究，分析了電纜排布各因素對線纜間相互干擾的影響以及入射電磁場極化方式、入射角度對彈上電纜干擾的影響等。對于導彈研制過程中出現的各種實際問題，都可以建立復雜的電磁模型進行仿真，避免了重復性的試驗，并且提高了設計效率。