强电磁脉冲对导弹无线通信系统的干扰分析

张 薇，张少甫，牛作成

(1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.解放军93160部队，北京 100071)

0 引 言

随着现代社会科技的发展，电磁脉冲武器成为电子战争中的一个重要利器和威胁，强电磁脉冲可以迅速干扰电子设备，导致武器系统被摧毁、无法正常工作。因此，研究导弹等武器系统受电磁脉冲干扰的影响以及抗电磁脉冲干扰加固措施具有重大意义。目前国内外关于导弹武器系统电磁脉冲干扰的研究有很多，文献[1]采用理论公式简单计算了不同干扰距离和功率下对导弹数据传输系统的干扰影响;文献[2]从系统电磁兼容设计方面给出了导弹控制系统的干扰抑制方法;文献[3]采用FEKO仿真工具对导弹武器系统电磁环境进行了建模与仿真;文献[4]采用试验的方法对导弹在核电磁环境下的干扰情况，从电气接口、结构设计等方面给出导弹防护设计措施；文献[5]仿真分析了外部电磁脉冲对弾上电缆的干扰影响；文献[6]采用ADS仿真工具分析了外部电磁脉冲对通信接收机射频电路的干扰影响；文献[7]采用CST仿真和试验的方法分析了强电磁脉冲对引信的干扰效应。此外，还有研究人员从不同耦合途径和毁伤效应等方面进行了强电磁干扰对电子设备的影响分析[8-15]。然而，以上研究缺乏对实际工程中导弹无线通信系统存在的干扰途径和干扰影响的分析。

本文根据导弹无线通信系统的具体工作原理，理论分析了外界强电磁脉冲对导弹无线通信系统的干扰耦合机理；并采用电磁仿真软件对IEC标准的电磁脉冲通过弹体孔缝耦合和电缆耦合对内部无线通信系统电路的干扰影响进行了仿真分析，提出了加固措施。

1 电磁脉冲干扰对导弹无线通信系统耦合机理分析

外界强电磁脉冲可以通过各种途径耦合到电子系统内部，从而对系统产生干扰。这些途径可以概括为2个方面:前门耦合与后门耦合。前门耦合是指强电磁脉冲通过电子系统的外部接收通道，主要是从天线的接收方式进入电子系统内部，从而对电子系统的射频收发前端造成损伤；后门耦合是指强电磁脉冲通过电子系统的非工作通道，主要是屏蔽体上的孔缝、裸露的线缆或非理想屏蔽导体的穿透等方式进入电子系统的内部，从而对系统产生损伤。导弹无线通信系统包含了外露的收发天线、屏蔽弹体、数字电路、微波电路和多种连接线缆，因此，导弹无线通信系统可能存在的强电磁脉冲耦合途径主要为前门耦合(天线的耦合)和后门耦合(弹体上的孔缝和内部线缆的耦合)。

(1) 天线耦合

导弹无线通信系统的天线安装于弹体外表面，天线内部连接电路一般为射频电路，如接收低噪放或发射功率放大器等。强电磁脉冲作用于天线后，可能通过天线接收在其射频信号接口处产生的较强瞬态干扰信号，一方面对于接收可能烧毁低噪声放大器，另一方面对于发射可能发生功率倒灌损坏功率放大器。对于国际电工委员会(IEC)标准的强电磁脉冲，其频率范围主要集中在低频(100 MHz以下)，而导弹无线通信系统天线和射频电路工作频率为S频段，由于天线的接收作用而对射频电路产生的电磁干扰较小。

(2) 弹体孔缝耦合

由于导弹通信设备需要进行无线通信，这就需要在弹体上安装天线，就会出现人为开的孔缝，用于天线安装。缝隙的存在使得强电磁脉冲可以通过孔缝耦合进入弹体内部，从而对内部导弹无线通信系统的电路产生干扰。

(3) 连接线缆的耦合与传导

导弹内部无线通信系统的模块之间需要通过线缆互连。虽然线缆从弹体内部走线，弹体外壳可起到一定的屏蔽作用；但由于弹体上孔缝的存在，外界强电磁脉冲可以通过孔缝耦合到弹体内部。因此，弹体内部也有较强的干扰电磁场，耦合进来的电磁场通过连接线缆的耦合作用，最终在线缆的终端负载上产生干扰信号，从而对设备产生干扰作用。另一方面，外界干扰电磁脉冲还可能通过弹体上的孔缝耦合在弹体内表面产生表面电流；通过连接在其表面的线缆连接器进入线缆外导体层；再通过耦合进入芯线，产生的干扰信号将传导至线缆的终端负载上，从而造成设备的损坏。

2 电磁脉冲干扰对导弹无线通信系统孔缝耦合和电缆耦合效应的仿真分析

外界电磁脉冲可以通过弹体上的孔缝耦合到弹体内部，在弹体内部产生干扰电场，而干扰电场可以进一步通过内部连接线缆的耦合作用在线缆的终端负载上产生干扰电压。对此干扰情况进行仿真分析，选用CST仿真分析软件进行仿真建模分析。该软件是目前比较成熟的电磁仿真软件，比较适用于仿真解决(电磁兼容/电磁干扰)(EMC/EMI)类问题，尤其是其带有的线缆工作室插件可以对目前使用的真实线缆建模仿真，便于分析线缆的耦合作用。

2.1 入射电磁脉冲

仿真选用符合IEC标准的电磁脉冲，其时域和频域波形如图1所示，可知该脉冲主要能量分布在100 MHz以下频段。幅值分别选用20 kV/m、30 kV/m、40 kV/m、50 kV/m。

图1 入射电磁脉冲波形

2.2 仿真模型

考虑弹体上既存在纵向孔缝又存在横向孔缝的情况，分别对其影响进行仿真分析。仿真内容包括：(1)分析弹体内中心位置处的电场幅值；(2)为了分析弹体内部的连接线缆受强电磁脉冲的影响时产生的耦合干扰，在弹体内部中心位置竖直放置一根20 cm长同轴线缆，线缆两端加匹配负载，仿真分析匹配负载上的干扰电压信号。

仿真模型如图2和图3所示。分别给出了整体天线结构、孔缝结构以及弹体中心位置放置同轴电缆结构。入射电磁脉冲的电场极化方向始终为Z向，即水平缝隙与入射电磁脉冲电场方向垂直，竖直缝隙与入射电磁脉冲电场方向平行，电磁脉冲沿X方向入射。

图2 电磁脉冲入射到弹体的仿真模型

图3 入射脉冲为20 kV/m时耦合电场和耦合电压情况

2.3 仿真结果

为了明确主要的耦合途径和耦合机理，分别对以下3种情况进行仿真分析：(1)竖直孔缝与水平孔缝同时存在；(2)只有水平孔缝存在；(3)只有竖直孔缝存在。仿真得到了弹体中心位置的耦合电场值和内部线缆负载上的耦合电压值。

(1) 2种孔缝同时存在情况下，不同幅值入射电磁脉冲的仿真分析

分别仿真了入射脉冲幅值为20 kV/m、30 kV/m、40 kV/m和50 kV/m的干扰情况。这里只给出20 kV/m和40 kV/m情况下的仿真结果图，图3和图4分别为为20 kV/m和40 kV/m电磁脉冲照射弹体后，弹体内中心位置处的耦合电场幅值和线缆终端负载上的耦合电压幅值。

图4 入射脉冲为40 kV/m时耦合电场和耦合电压情况

根据以上仿真结果分析可知，弹体内部的电场分量主要是与入射电磁脉冲极化方向相同的电场分量。不同幅值电磁脉冲入射时，弹体缝隙对弹体内耦合电场的影响是线性的，如图5所示。

图5 仿真的入射脉冲幅值与弹体内Ez场强幅值关系

(2) 不同缝隙情况下的耦合机理分析

为了说明缝隙造成的影响，明确缝隙耦合机理，分别对弹体只有水平缝隙与竖直缝隙2种情况进行仿真，分析主要耦合途径，并仿真分析了弹体内线缆上的干扰信号幅值。入射电磁脉冲幅度选为50 kV/m，电磁脉冲极化方向同样为Ez，水平缝隙与电磁脉冲极化方向垂直，竖直缝隙与电磁脉冲极化方向平行。

只有水平缝隙的情况下，弹体内的耦合电场和线缆终端负载上的耦合电压如图6所示；只有竖直缝隙情况下，弹体内的耦合电场和线缆终端负载上的耦合电压如图7所示。

图6 只有水平缝隙时耦合电场和耦合电压情况

图7 只有竖直缝隙时耦合电场和耦合电压情况

从以上2种缝隙情况的仿真结果可以看出：所开孔缝的方向不同，耦合进入弹体内部的电磁脉冲能量也不同。开缝与入射电场极化方向垂直时耦合到弹体内部的场强较强，弹体内线缆负载上的耦合电压也较大；而开缝与入射电场极化方向平行时耦合到弹体内部的场强很小，弹体内线缆终端负载上的耦合电压也很小。因此,可以得出以下结论：与入射电场垂直的缝隙为主要的耦合途径。

3 导弹无线通信系统抗强电磁脉冲加固措施

根据前面的仿真结果，初步确定导弹无线通信系统强电磁脉冲干扰的耦合途径主要为两方面：(1)弹体上的孔缝耦合；(2)弹体内连接线缆的耦合作用。针对以上2种耦合途径，分别采取以下屏蔽措施来对系统进行加固。

3.1 对弹体上的孔缝进行屏蔽

对弹体上的2种孔缝均进行屏蔽处理。图8是对弹体的孔缝进行屏蔽处理后，以50 kV/m幅值脉冲入射时弹体内耦合电场的仿真结果。可以看出通过屏蔽加固处理后，弹体内场强只有约1.5 V/m，远小于没有加屏蔽措施时的仿真结果。

图8 屏蔽后弹体内部场强值

3.2 对弹体内的连接线缆进行屏蔽

由于实际情况下不能做到屏蔽弹体上的所有孔缝。因此，还可以对内部线缆采取屏蔽措施，在线缆外部加屏蔽层。

图9是对线缆外部加金属屏蔽层的仿真模型。电磁波垂直照射线缆，电场极化方向为x方向。图10是照射线缆的电磁波波形。图11为不加屏蔽层时线缆负载上的耦合电压，最大幅度约2.6 mV。图12是加屏蔽层以后线缆负载上的耦合电压，最大幅度仅为0.7 mV。仿真结果表明，对线缆采取屏蔽处理后，可以有效降低线缆负载上的耦合干扰电压。

图9 线缆加屏蔽层的仿真模型

图10 电磁脉冲波型

图11 线缆不加屏蔽层时负载上的耦合电压

图12 线缆加屏蔽层时负载上的耦合电压

4 结束语

针对强电磁脉冲对导弹无线通信系统的干扰影响进行了理论分析和仿真验证。根据仿真分析结果得出如下结论：导弹无线通信系统受强电磁脉冲干扰的主要耦合途径为弹体孔缝和弹体内部连接线缆，并且弹体孔缝的方向与入射电磁脉冲的极化方向垂直时干扰影响最大。针对耦合途径和机理提出了抗电磁脉冲加固措施，经仿真验证措施有效。该研究分析对于后续导弹无线通信系统的抗强电磁脉冲设计具有重要的指导意义。