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(zhàn)成為一種重要的作戰(zhàn)形式，已經(jīng)受到越來越多的重視。導(dǎo)彈作為高科技武器產(chǎn)品，在電子戰(zhàn)中能否正常使用將直接決定戰(zhàn)爭的勝負，研究導(dǎo)彈的電磁兼容性具有很重要的現(xiàn)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(chǎn)生的。因此，彈上電纜網(wǎng)的電磁兼容性能影響著導(dǎo)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(dǎo)彈的抗干擾性能，提高導(dǎo)彈在現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境中使用的可靠性。

在現(xiàn)代導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制過程中，仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)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(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計，可以大大縮短系統(tǒng)的研制周期。在導(dǎo)彈系統(tǒng)設(shè)計中，運用仿真技術(shù)對彈上復(fù)雜電子系統(tǒng)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(shè)備的受擾情況，評估彈上設(shè)備以及導(dǎo)彈整體的電磁兼容性能水平，為導(dǎo)彈抗干擾設(shè)計提供一定的依據(jù)，有效控制導(dǎo)彈研制周期。本文采用仿真技術(shù)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(jié)果與實際工程經(jīng)驗結(jié)果吻合。

1 彈上電纜耦合干擾分析

彈上電纜網(wǎng)由單導(dǎo)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(dǎo)線扭絞并加屏蔽層構(gòu)成。對單導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線耦合分析

首先，我們對某導(dǎo)彈簡化模型中兩根并行單導(dǎo)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(dǎo)彈內(nèi)雙導(dǎo)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(dǎo)線模型Fig.1 Two parallel lines on missile

導(dǎo)線位于彈體中間平行放置，圖2為雙導(dǎo)線截面圖和局部位置圖，以彈體為參考地面，導(dǎo)線距地為h，相互間距為d，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線截面圖

(b) 彈上雙導(dǎo)線局部位置圖圖2 彈上雙導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)信號Fig.4 Response signal of different distance

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

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

由仿真結(jié)果可以看出，導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計時采取歸類、分離，不同性質(zhì)的傳輸線避免在同一束電路和同一插座上通過,同時應(yīng)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(wǎng)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(chǎn)生較大影響，考慮如圖7所示的彈上三導(dǎo)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(fā)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(diào)節(jié)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(yīng)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(dǎo)線截面圖

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

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

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展，彈上電纜作為彈內(nèi)設(shè)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(dǎo)彈設(shè)計時應(yīng)當充分考慮系統(tǒng)內(nèi)部相互間的干擾，從而合理安排內(nèi)部結(jié)構(gòu)、科學布線；同時，也應(yīng)充分考慮外界電磁環(huán)境對導(dǎo)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(xiàn)代導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的工作環(huán)境十分惡劣，在導(dǎo)彈陣地相對狹小的地域內(nèi)，電子系統(tǒng)十分密集，它們對導(dǎo)彈的正常工作會產(chǎn)生影響?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中電子戰(zhàn)貫穿于作戰(zhàn)全過程中，對導(dǎo)彈的安全性和可靠性也產(chǎn)生了巨大的威脅。在外界復(fù)雜電磁干擾環(huán)境中能正常工作已成為導(dǎo)彈電磁兼容性研究的重點。

我們對某簡化導(dǎo)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(chǎn)生的干擾情況。圖9所示為某導(dǎo)彈模型，我們假設(shè)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(shè)為空氣。導(dǎo)彈內(nèi)部有一根以彈體為接地面的單導(dǎo)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?nèi)肷鋱龅臉O化方向以及入射角度θ，分析彈上電纜中產(chǎn)生的干擾信號，靠近坐標原點一端干擾電壓結(jié)果如圖10～11所示。

(a) 單導(dǎo)線截面圖

(b) 外場入射坐標圖

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

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

分析以上結(jié)果可以看出，電磁脈沖入射方向不變時，入射場極化方向?qū)Ω蓴_有較大影響。比較各種極化方式的干擾信號，我們發(fā)現(xiàn)入射場H面與導(dǎo)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(chǎn)生更大的干擾。極化方式不變，α=90°時，改變?nèi)肷浣嵌圈?，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(xiàn)峰值，為導(dǎo)彈整體結(jié)構(gòu)的諧振點。

綜合考慮以上仿真結(jié)果，在導(dǎo)彈設(shè)計過程中，應(yīng)當在最大程度地引入外界電磁輻射的條件下，充分考慮內(nèi)部電纜布線以及彈體結(jié)構(gòu)，避免因布線或者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的頻率諧振點與內(nèi)部工作頻率重合，從而導(dǎo)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(xù)時間為7.5 ns。本文仿真結(jié)果與文獻[9]結(jié)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(jié)果Fig.12 Test result in the literature

圖13 文獻仿真結(jié)果Fig.13 Simulation result in the literature

4 結(jié)束語

現(xiàn)代武器系統(tǒng)中廣泛存在著種類繁雜、數(shù)量龐大、信號密集、頻譜擁擠的電子設(shè)備，彈上電纜作為連接這些電子設(shè)備的通道，承擔著傳輸各種彈上信號、對彈上設(shè)備供電等任務(wù)。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(dǎo)彈可靠性有顯著作用。運用仿真技術(shù)建立導(dǎo)彈局部或整體模型分析彈上干擾，具有快速直觀等優(yōu)點，可以為工程電磁兼容設(shè)計提供可靠依據(jù)，加快導(dǎo)彈抗干擾技術(shù)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(dǎo)彈研制過程中出現(xiàn)的各種實際問題，都可以建立復(fù)雜的電磁模型進行仿真，避免了重復(fù)性的試驗，并且提高了設(shè)計效率。