基于空空導(dǎo)彈的電磁兼容問題仿真研究

摘 要： 由于空空導(dǎo)彈電磁兼容問題頻發(fā)及其復(fù)雜性，其電磁兼容設(shè)計尤為重要。彈體的孔縫耦合和彈體內(nèi)電纜的電磁耦合效應(yīng)的研究是導(dǎo)彈電磁兼容預(yù)測和設(shè)計需要解決的兩個主要問題。針對這兩個問題，進(jìn)行了電磁計算仿真分析，并研究得到彈體電磁耦合的規(guī)律，可在實踐中指導(dǎo)導(dǎo)彈的電磁兼容設(shè)計。最終實現(xiàn)在導(dǎo)彈的設(shè)計初期，就能夠?qū)ζ潆姶偶嫒菪赃M(jìn)行預(yù)測和評估，滿足其電磁兼容性的要求。

關(guān)鍵詞： 空空導(dǎo)彈； 電磁兼容； 電磁耦合； 電磁兼容預(yù)測

中圖分類號： TN03?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0019?03

Abstract： The electromagnetic compatibility （EMC） problem of air?to?air missile is complex and happens frequently， so it is particular important for the EMC design. The slot coupling on the missile body and the electromagnetic coupling effect of the cables in the missile are the two major contents for the EMC prediction and design of missiles. Aiming at these two contents， the electromagnetic simulation analysis is performed in this article. The law of the electromagnetic coupling was obtained by research. It is of benefit to the EMC design. The prediction and assessment of EMC can be realized in the beginning of missile design， by which the EMC requirement of air?to?air missile can be satisfied.

Keywords： air?to?air missile； EMC； electromagnetic coupling； EMC prediction

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的電子、電氣設(shè)備廣泛地應(yīng)用于空空導(dǎo)彈系統(tǒng)的設(shè)計中，而且戰(zhàn)場的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜、密集和多變，惡劣的電磁環(huán)境往往使電子或電氣設(shè)備不能正常工作，導(dǎo)致導(dǎo)彈工作性能的降低。因此，電磁兼容性是航空武器系統(tǒng)，特別是空空導(dǎo)彈設(shè)計的重要技術(shù)指標(biāo)之一。

對導(dǎo)彈系統(tǒng)的電磁兼容預(yù)測和仿真，是提高導(dǎo)彈系統(tǒng)電磁兼容性能的重要方法和手段，而對彈體孔縫耦合和彈體內(nèi)電纜的電磁耦合特性的分析是導(dǎo)彈電磁兼容性預(yù)測和設(shè)計所要解決的兩個主要問題，直接關(guān)系到導(dǎo)彈系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下是否能夠抗干擾，并且安全可靠地工作。對提升導(dǎo)彈的電磁兼容性設(shè)計和電磁兼容試驗以及故障的排場具有重要的意義。本文針對彈體孔縫和內(nèi)部電纜的電磁耦合效應(yīng)進(jìn)行仿真分析研究。

1 彈體孔縫耦合性分析

外部電磁能量進(jìn)入彈體內(nèi)產(chǎn)生耦合效應(yīng)分為兩個階段[1]，一是電磁場通過孔縫耦合進(jìn)入彈體內(nèi)部的過程；二是進(jìn)入彈體中的電磁能量與內(nèi)部線纜耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓的過程。

1.1 孔縫耦合基本理論

電磁波進(jìn)入導(dǎo)彈系統(tǒng)內(nèi)部的通道分為“前門”耦合和“后門”耦合[2]。其中，“前門”耦合是指入射波通過導(dǎo)彈系統(tǒng)的接收通道形成的耦合，主要包括：導(dǎo)引頭、GPS天線。“后門”耦合是指入射波通過導(dǎo)彈殼體上的孔縫、電纜接頭形成的耦合。對于導(dǎo)彈裝備，“前門”耦合的途徑是有限的、可知和可控的。“后門”耦合未知性較大，預(yù)測和分析都較困難。電磁能量可通過彈體上的縫隙直接進(jìn)入彈體內(nèi)部，孔縫耦合嚴(yán)重影響了彈體的屏蔽性能，降低了導(dǎo)彈內(nèi)部設(shè)備的可靠性。為了表征孔縫和腔體對電磁波耦合特性，定義耦合系數(shù)為：

[η=20lgEcEi]

式中：[Ec]為進(jìn)入腔體內(nèi)電磁場強(qiáng)度；[Ei]為入射波電場強(qiáng)度。

1.2 彈體孔縫耦合的數(shù)值仿真

在計算腔體孔縫耦合問題方面，時域有限差分法（FDTD）具有獨特的優(yōu)越性，其原理非常簡單，即直接將時域Maxwell方程組的兩個旋度方程中關(guān)于空間變量和時間變量的偏導(dǎo)數(shù)方程用差商近似，從而轉(zhuǎn)換為離散網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的時域有限差分方程[3]。

為了建立差分方程，首先要將求解空間離散化。通常是以一定形式的網(wǎng)格來劃分求解空間，Yee提出了差分網(wǎng)格單元，其特點是在同一網(wǎng)格中，[E]和[H]的各分量在空間取值點交叉放置，使每個坐標(biāo)軸面上的[E]場的四周由[H]場分量環(huán)繞，同時每個[H]場四周由[E]場環(huán)繞。這樣[E]，[H]配置符合Maxwell方程的基本要求，也符合電磁波空間的傳播規(guī)律，使電磁波的時域特性被直接反映出來，直接給出了非常豐富的電磁場問題的時域信息。

算例分析：在金屬圓柱體（模擬彈體）側(cè)面開一個縫隙，如圖1所示，電磁波垂直于孔縫入射，在縫隙面積一定的情況下，計算了3種尺寸的孔縫隙的耦合系數(shù)，如圖2所示；并改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方向，得到了在不同極化方向下耦合系數(shù)的變化曲線，如圖3所示。

1.2.1 耦合系數(shù)與孔縫尺寸的關(guān)系

3種不同孔縫的耦合系數(shù)如圖2所示。

1.2.2 耦合系數(shù)與入射極化的關(guān)系

不同極化的孔縫耦合系數(shù)如圖3所示。

在孔縫參數(shù)不變的情況下，改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方向，通過仿真可知，入射波極化方向垂直于彈體的耦合系數(shù)大于極化方向平行于彈體的耦合系數(shù)。

2 彈體內(nèi)線纜耦合特性分析

彈體內(nèi)存在著各種電子設(shè)備和電氣設(shè)備通過配電線路連接在一起，所傳播信號有強(qiáng)有弱，電壓、電流有高有低，同時系統(tǒng)內(nèi)的各種電纜既是高效的電磁波接收天線，又是高效的輻射天線，是電磁波耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的重要通道。要想準(zhǔn)確地仿真計算彈體內(nèi)線纜的耦合電壓，首先應(yīng)計算通過孔縫耦合進(jìn)入彈體的電場，根據(jù)彈體內(nèi)的電場分布，才能計算彈體內(nèi)線纜與外部電磁場的耦合機(jī)理，對于設(shè)備的電磁防護(hù)及電磁兼容分析有著重要的意義。

2.1 場線耦合特性分析

算例分析：彈體內(nèi)沿軸線分布某一電纜束，其中包括單線、雙絞線，在彈體外施加200 V/m的電磁波，通過改變線纜束的長度和入射波的極化方向，仿真分析得到線上耦合電壓分別與線纜長度、極化方向的關(guān)系。

2.1.1 線上耦合電壓與線纜長度的關(guān)系

圖4為50 cm的線纜束耦合電壓，圖5為30 cm 的線纜束的耦合電壓。V1為單線上的耦合電壓，V2，V3為雙絞線上的耦合電壓。通過仿真計算可知：長線上的耦合電壓高于短線；單線的耦合電壓也高于雙絞線上產(chǎn)生的耦合電壓。

2.1.2 線上耦合電壓與入射波極化的關(guān)系

圖6和圖7分別為單線和雙絞線在不同極化方向下線上的耦合電壓，通過仿真計算可知，當(dāng)入射波的極化方向發(fā)生變化時，線纜上的感應(yīng)電壓也發(fā)生變化，可以看出，當(dāng)極化方向垂直于彈體時，在彈體內(nèi)線纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于極化方向平行于彈體時的電壓。

2.2 線纜間串?dāng)_

線纜束內(nèi)的線間串?dāng)_也是影響信號能否準(zhǔn)確有效傳輸?shù)闹饕蛩刂唬瑸榱说玫讲煌€纜的串?dāng)_特性，分別進(jìn)行了雙絞線間、平行雙線間的串?dāng)_特性的仿真分析。

算例分析：線纜長度均為1 m，負(fù)載阻抗分別為R=100 Ω，3 Ω時，雙絞線和平行雙線上的耦合系數(shù)如圖8和圖9所示。

從上述結(jié)果中可看出，負(fù)載不同，線纜上串?dāng)_也發(fā)生變化。在頻率低的情況下，雙絞線和平行雙線的干擾性差異不大，在頻率不高的情況下，雙絞線的抗干擾性能高于平行雙線。

3 結(jié) 論

本文針對彈體孔縫耦合、場線耦合和線間串?dāng)_等電磁兼容問題進(jìn)行了仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)：孔縫面積不變，孔縫長邊尺寸與短邊尺寸比值越大，耦合系數(shù)就越小；入射波的極化方向?qū)︸詈线M(jìn)彈體電磁能量的多少有影響，當(dāng)然也會對線纜上的耦合電壓產(chǎn)生影響；長線上的耦合電壓高于短線；在頻率低的情況下，雙絞線和平行雙線的干擾性差異不大，在頻率不高的情況下，雙絞線的抗干擾性能高于平行雙線。因此，針對導(dǎo)彈電磁兼容問題的仿真分析研究，對于導(dǎo)彈電磁兼容的設(shè)計具有重要的意義。

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