弹上电缆抗干扰仿真分析

， ，，，

(上海机电工程研究所， 上海 201109)

0 引 言

随着科技向军事的渗透,电子战成为一种重要的作战形式，已经受到越来越多的重视。导弹作为高科技武器产品，在电子战中能否正常使用将直接决定战争的胜负，研究导弹的电磁兼容性具有很重要的现实意义。弹上电缆是弹上所有信息的传输通路，也是电磁干扰的主要耦合通道，弹上诸多干扰都是在传输过程中通过电缆线间串扰和耦合产生的。因此，弹上电缆网的电磁兼容性能影响着导弹整体电磁兼容性水平，研究弹上电缆的电磁兼容问题可以有效提高导弹的抗干扰性能，提高导弹在现代复杂电磁环境中使用的可靠性。

在现代导弹武器系统的研制过程中，仿真技术得到了广泛的应用。有些试验由于各种条件限制而不能直接进行,通过在计算机上建立相似的、有足够解析度的模型进行仿真分析,通过对模型的仿真制导系统的设计，可以大大缩短系统的研制周期。在导弹系统设计中，运用仿真技术对弹上复杂电子系统建立近似模型，进行电磁兼容性仿真分析，可以快速而直观地观察到弹上各设备的受扰情况，评估弹上设备以及导弹整体的电磁兼容性能水平，为导弹抗干扰设计提供一定的依据，有效控制导弹研制周期。本文采用仿真技术建立弹上电缆间的电子干扰以及外界电磁辐射对弹上电缆的干扰模型，对线线耦合以及场线耦合进行了初步的仿真分析，得到的结果与实际工程经验结果吻合。

1 弹上电缆耦合干扰分析

弹上电缆网由单导线、双绞线以及屏蔽线等各种线缆组成，双绞线以及屏蔽线分别是将单导线扭绞并加屏蔽层构成。对单导线进行电磁兼容性研究，评估布线过程中的各项因素对其承受干扰能力的影响具有普遍意义。下面分别对弹上双导线间的相互干扰以及弹上独立回路电路受干扰情况进行仿真分析。

1.1 弹上双导线耦合分析

首先，我们对某导弹简化模型中两根并行单导线间的相互干扰进行分析，考虑两根线缆的长度、相互间的间距以及距地高度等因素对干扰的影响。图1为某导弹内双导线模型纵向图，弹体总长度为3.3 m，以弹尾部中心为坐标原点建立坐标系。

图1 弹上双导线模型Fig.1 Two parallel lines on missile

导线位于弹体中间平行放置，图2为双导线截面图和局部位置图，以弹体为参考地面，导线距地为h，相互间距为d，导线为半径0.69 mm的裸线，在其中一根线的一端施加激励信号，同时四端均接50 Ω负载。

本文对该模型仿真分析，探讨导线距地高度、相互间的间距以及长度等布线因素对相互之间干扰的影响。

(a) 双导线截面图

(b) 弹上双导线局部位置图图2 弹上双导线模型示意图Fig.2 Schematic diagram of two parallel lines on missile

这里我们定义受扰线靠近激励源的一端为近端，远离激励源的一端为远端；同时定义近端干扰电压传输比为近端干扰信号与激励信号的频域值之比。仿真时激励信号为频率0～100 MHz、幅度1 V的高斯脉冲信号，记录近端干扰信号，如图3所示。

图4～6为近端干扰信号随导线距地高度、相互间间距以及长度变化时的时域波形以及干扰电压传输比。

图3 高斯激励信号Fig.3 Gaussian excitation signal

图4 不同间距的响应信号Fig.4 Response signal of different distance

图5 不同高度的响应信号Fig.5 Response signal of different height

图6 不同长度的响应信号Fig.6 Response signal of different length

由仿真结果可以看出，导线相互靠得越近、距地高度越高、并行线长度越长，相互间的干扰就越大；导线长度越长干扰信号收敛得越慢。因此，工程中对弹上各种电缆在布线设计时采取归类、分离，不同性质的传输线避免在同一束电路和同一插座上通过,同时应尽量减小并行线缆的长度。

1.2 弹上独立回路耦合分析

对于弹上电缆网中部分电路如小信号、弱信号或怕受干扰的信号线等，需要采用独立回线以避免干扰，此时电路的回路面积对其受外界干扰将产生较大影响，考虑如图7所示的弹上三导线，其中两根线为独立回路，我们改变该回路的面积并仿真受扰电路近端电阻两端电压的时域信号。

发射线一端激励0～50 MHz的高斯脉冲信号，改变图7中a的大小从而调节回路面积，干扰信号的时域信号以及电压传输比如图8所示，干扰信号大小与回路面积成正比，即对于独立回路的电路，布线时应当使其回路面积尽量小，如将信号线与地线尽量靠近排布等，从而减少外界干扰信号的引入。

(a) 三导线截面图

(b) 弹上三导线局部位置图图7 三导线示意图Fig.7 Schematic diagram of three parallel lines on missile

图8 不同回路的响应信号Fig.8 Response signal of different loop

随着导弹技术的发展，弹上电缆作为弹内设备的能源以及信息传输通路，面临的电磁兼容问题越来越多。导弹设计时应当充分考虑系统内部相互间的干扰，从而合理安排内部结构、科学布线；同时，也应充分考虑外界电磁环境对导弹的影响。下面我们对外界电磁脉冲下弹上电缆受干扰情况进行初步的分析。

2 外场耦合干扰分析

现代导弹武器系统的工作环境十分恶劣，在导弹阵地相对狭小的地域内，电子系统十分密集，它们对导弹的正常工作会产生影响。现代战争中电子战贯穿于作战全过程中，对导弹的安全性和可靠性也产生了巨大的威胁。在外界复杂电磁干扰环境中能正常工作已成为导弹电磁兼容性研究的重点。

我们对某简化导弹模型在外界电磁脉冲照射下受到的干扰进行仿真分析，研究各种形式的电磁脉冲对弹上电缆产生的干扰情况。图9所示为某导弹模型，我们假设弹体中间某处有1个3 mm宽的缝隙，实际情况中可能是接口或者外部电缆入口等，并由其他材料填充，仿真分析中我们将其设为空气。导弹内部有一根以弹体为接地面的单导线，端接阻抗均为50 Ω，外场激励为均匀平面波，入射方向如图9(b)所示，α为入射波在xoz面的投影与ox轴的夹角，θ为入射波与oy轴的夹角。

仿真时，入射波为频率0～100 MHz、幅度1 V的高斯脉冲信号，改变入射场的极化方向以及入射角度θ，分析弹上电缆中产生的干扰信号，靠近坐标原点一端干扰电压结果如图10～11所示。

(a) 单导线截面图

(b) 外场入射坐标图

图10 不同极化方式的响应信号Fig.10 Response signal of different polarization

图11 不同入射方向的响应信号Fig.11 Response signal of different incidence direction

分析以上结果可以看出，电磁脉冲入射方向不变时，入射场极化方向对干扰有较大影响。比较各种极化方式的干扰信号，我们发现入射场H面与导线回路面垂直时干扰信号最强，两者平行时干扰信号最小，而且随着频率的升高，干扰信号传输比越来越大，即高频信号将产生更大的干扰。极化方式不变，α=90°时，改变入射角度θ，分析各种入射角度下的干扰信号，θ取0°时干扰信号幅度最大。观察干扰信号的频域传输比波形，随着频率的升高，干扰信号逐渐变强，在37 MHz时干扰信号传输比出现峰值，为导弹整体结构的谐振点。

综合考虑以上仿真结果，在导弹设计过程中，应当在最大程度地引入外界电磁辐射的条件下，充分考虑内部电缆布线以及弹体结构，避免因布线或者系统结构产生的频率谐振点与内部工作频率重合，从而导致外界干扰信号的引入。

3 仿真方法验证

本文采用三维电磁仿真软件研究弹上电缆电磁干扰问题。为了验证本文仿真方法的准确性，对参考面为地平面的两根实心裸线进行计算，半径为0.406 4 mm，线长为4.674 m，距离地面均为2 cm，相互间距为2 cm，端接电阻均为50 Ω，单脉冲激励源上升沿与下降沿均为12.5 ns，峰值为1 V，持续时间为7.5 ns。本文仿真结果与文献[9]结果对比如图12～14所示，波形十分吻合，验证了本文仿真方法的正确性和准确性。

图12 文献测试结果Fig.12 Test result in the literature

图13 文献仿真结果Fig.13 Simulation result in the literature

4 结束语

现代武器系统中广泛存在着种类繁杂、数量庞大、信号密集、频谱拥挤的电子设备，弹上电缆作为连接这些电子设备的通道，承担着传输各种弹上信号、对弹上设备供电等任务。充分考虑其电磁兼容问题,合理分类各种电缆并科学布线，对提高导弹可靠性有显著作用。运用仿真技术建立导弹局部或整体模型分析弹上干扰，具有快速直观等优点，可以为工程电磁兼容设计提供可靠依据，加快导弹抗干扰技术的研究。本文对弹上电缆间相互干扰以及外界电磁脉冲入射对弹上电缆的干扰两个简单模型进行了仿真研究，分析了电缆排布各因素对线缆间相互干扰的影响以及入射电磁场极化方式、入射角度对弹上电缆干扰的影响等。对于导弹研制过程中出现的各种实际问题，都可以建立复杂的电磁模型进行仿真，避免了重复性的试验，并且提高了设计效率。