張 薇，張少甫，牛作成

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

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會科技的發(fā)展，電磁脈沖武器成為電子戰(zhàn)爭中的一個重要利器和威脅，強電磁脈沖可以迅速干擾電子設備，導致武器系統(tǒng)被摧毀、無法正常工作。因此，研究導彈等武器系統(tǒng)受電磁脈沖干擾的影響以及抗電磁脈沖干擾加固措施具有重大意義。目前國內外關于導彈武器系統(tǒng)電磁脈沖干擾的研究有很多，文獻[1]采用理論公式簡單計算了不同干擾距離和功率下對導彈數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的干擾影響;文獻[2]從系統(tǒng)電磁兼容設計方面給出了導彈控制系統(tǒng)的干擾抑制方法;文獻[3]采用FEKO仿真工具對導彈武器系統(tǒng)電磁環(huán)境進行了建模與仿真;文獻[4]采用試驗的方法對導彈在核電磁環(huán)境下的干擾情況，從電氣接口、結構設計等方面給出導彈防護設計措施；文獻[5]仿真分析了外部電磁脈沖對弾上電纜的干擾影響；文獻[6]采用ADS仿真工具分析了外部電磁脈沖對通信接收機射頻電路的干擾影響；文獻[7]采用CST仿真和試驗的方法分析了強電磁脈沖對引信的干擾效應。此外，還有研究人員從不同耦合途徑和毀傷效應等方面進行了強電磁干擾對電子設備的影響分析[8-15]。然而，以上研究缺乏對實際工程中導彈無線通信系統(tǒng)存在的干擾途徑和干擾影響的分析。

本文根據(jù)導彈無線通信系統(tǒng)的具體工作原理，理論分析了外界強電磁脈沖對導彈無線通信系統(tǒng)的干擾耦合機理；并采用電磁仿真軟件對IEC標準的電磁脈沖通過彈體孔縫耦合和電纜耦合對內部無線通信系統(tǒng)電路的干擾影響進行了仿真分析，提出了加固措施。

1 電磁脈沖干擾對導彈無線通信系統(tǒng)耦合機理分析

外界強電磁脈沖可以通過各種途徑耦合到電子系統(tǒng)內部，從而對系統(tǒng)產生干擾。這些途徑可以概括為2個方面:前門耦合與后門耦合。前門耦合是指強電磁脈沖通過電子系統(tǒng)的外部接收通道，主要是從天線的接收方式進入電子系統(tǒng)內部，從而對電子系統(tǒng)的射頻收發(fā)前端造成損傷；后門耦合是指強電磁脈沖通過電子系統(tǒng)的非工作通道，主要是屏蔽體上的孔縫、裸露的線纜或非理想屏蔽導體的穿透等方式進入電子系統(tǒng)的內部，從而對系統(tǒng)產生損傷。導彈無線通信系統(tǒng)包含了外露的收發(fā)天線、屏蔽彈體、數(shù)字電路、微波電路和多種連接線纜，因此，導彈無線通信系統(tǒng)可能存在的強電磁脈沖耦合途徑主要為前門耦合(天線的耦合)和后門耦合(彈體上的孔縫和內部線纜的耦合)。

(1) 天線耦合

導彈無線通信系統(tǒng)的天線安裝于彈體外表面，天線內部連接電路一般為射頻電路，如接收低噪放或發(fā)射功率放大器等。強電磁脈沖作用于天線后，可能通過天線接收在其射頻信號接口處產生的較強瞬態(tài)干擾信號，一方面對于接收可能燒毀低噪聲放大器，另一方面對于發(fā)射可能發(fā)生功率倒灌損壞功率放大器。對于國際電工委員會(IEC)標準的強電磁脈沖，其頻率范圍主要集中在低頻(100 MHz以下)，而導彈無線通信系統(tǒng)天線和射頻電路工作頻率為S頻段，由于天線的接收作用而對射頻電路產生的電磁干擾較小。

(2) 彈體孔縫耦合

由于導彈通信設備需要進行無線通信，這就需要在彈體上安裝天線，就會出現(xiàn)人為開的孔縫，用于天線安裝。縫隙的存在使得強電磁脈沖可以通過孔縫耦合進入彈體內部，從而對內部導彈無線通信系統(tǒng)的電路產生干擾。

(3) 連接線纜的耦合與傳導

導彈內部無線通信系統(tǒng)的模塊之間需要通過線纜互連。雖然線纜從彈體內部走線，彈體外殼可起到一定的屏蔽作用；但由于彈體上孔縫的存在，外界強電磁脈沖可以通過孔縫耦合到彈體內部。因此，彈體內部也有較強的干擾電磁場，耦合進來的電磁場通過連接線纜的耦合作用，最終在線纜的終端負載上產生干擾信號，從而對設備產生干擾作用。另一方面，外界干擾電磁脈沖還可能通過彈體上的孔縫耦合在彈體內表面產生表面電流；通過連接在其表面的線纜連接器進入線纜外導體層；再通過耦合進入芯線，產生的干擾信號將傳導至線纜的終端負載上，從而造成設備的損壞。

2 電磁脈沖干擾對導彈無線通信系統(tǒng)孔縫耦合和電纜耦合效應的仿真分析

外界電磁脈沖可以通過彈體上的孔縫耦合到彈體內部，在彈體內部產生干擾電場，而干擾電場可以進一步通過內部連接線纜的耦合作用在線纜的終端負載上產生干擾電壓。對此干擾情況進行仿真分析，選用CST仿真分析軟件進行仿真建模分析。該軟件是目前比較成熟的電磁仿真軟件，比較適用于仿真解決(電磁兼容/電磁干擾)(EMC/EMI)類問題，尤其是其帶有的線纜工作室插件可以對目前使用的真實線纜建模仿真，便于分析線纜的耦合作用。

2.1 入射電磁脈沖

仿真選用符合IEC標準的電磁脈沖，其時域和頻域波形如圖1所示，可知該脈沖主要能量分布在100 MHz以下頻段。幅值分別選用20 kV/m、30 kV/m、40 kV/m、50 kV/m。

圖1 入射電磁脈沖波形

2.2 仿真模型

考慮彈體上既存在縱向孔縫又存在橫向孔縫的情況，分別對其影響進行仿真分析。仿真內容包括：(1)分析彈體內中心位置處的電場幅值；(2)為了分析彈體內部的連接線纜受強電磁脈沖的影響時產生的耦合干擾，在彈體內部中心位置豎直放置一根20 cm長同軸線纜，線纜兩端加匹配負載，仿真分析匹配負載上的干擾電壓信號。

仿真模型如圖2和圖3所示。分別給出了整體天線結構、孔縫結構以及彈體中心位置放置同軸電纜結構。入射電磁脈沖的電場極化方向始終為Z向，即水平縫隙與入射電磁脈沖電場方向垂直，豎直縫隙與入射電磁脈沖電場方向平行，電磁脈沖沿X方向入射。

圖2 電磁脈沖入射到彈體的仿真模型

圖3 入射脈沖為20 kV/m時耦合電場和耦合電壓情況

2.3 仿真結果

為了明確主要的耦合途徑和耦合機理，分別對以下3種情況進行仿真分析：(1)豎直孔縫與水平孔縫同時存在；(2)只有水平孔縫存在；(3)只有豎直孔縫存在。仿真得到了彈體中心位置的耦合電場值和內部線纜負載上的耦合電壓值。

(1) 2種孔縫同時存在情況下，不同幅值入射電磁脈沖的仿真分析

分別仿真了入射脈沖幅值為20 kV/m、30 kV/m、40 kV/m和50 kV/m的干擾情況。這里只給出20 kV/m和40 kV/m情況下的仿真結果圖，圖3和圖4分別為為20 kV/m和40 kV/m電磁脈沖照射彈體后，彈體內中心位置處的耦合電場幅值和線纜終端負載上的耦合電壓幅值。

圖4 入射脈沖為40 kV/m時耦合電場和耦合電壓情況

根據(jù)以上仿真結果分析可知，彈體內部的電場分量主要是與入射電磁脈沖極化方向相同的電場分量。不同幅值電磁脈沖入射時，彈體縫隙對彈體內耦合電場的影響是線性的，如圖5所示。

圖5 仿真的入射脈沖幅值與彈體內Ez場強幅值關系

(2) 不同縫隙情況下的耦合機理分析

為了說明縫隙造成的影響，明確縫隙耦合機理，分別對彈體只有水平縫隙與豎直縫隙2種情況進行仿真，分析主要耦合途徑，并仿真分析了彈體內線纜上的干擾信號幅值。入射電磁脈沖幅度選為50 kV/m，電磁脈沖極化方向同樣為Ez，水平縫隙與電磁脈沖極化方向垂直，豎直縫隙與電磁脈沖極化方向平行。

只有水平縫隙的情況下，彈體內的耦合電場和線纜終端負載上的耦合電壓如圖6所示；只有豎直縫隙情況下，彈體內的耦合電場和線纜終端負載上的耦合電壓如圖7所示。

圖6 只有水平縫隙時耦合電場和耦合電壓情況

圖7 只有豎直縫隙時耦合電場和耦合電壓情況

從以上2種縫隙情況的仿真結果可以看出：所開孔縫的方向不同，耦合進入彈體內部的電磁脈沖能量也不同。開縫與入射電場極化方向垂直時耦合到彈體內部的場強較強，彈體內線纜負載上的耦合電壓也較大；而開縫與入射電場極化方向平行時耦合到彈體內部的場強很小，彈體內線纜終端負載上的耦合電壓也很小。因此,可以得出以下結論：與入射電場垂直的縫隙為主要的耦合途徑。

3 導彈無線通信系統(tǒng)抗強電磁脈沖加固措施

根據(jù)前面的仿真結果，初步確定導彈無線通信系統(tǒng)強電磁脈沖干擾的耦合途徑主要為兩方面：(1)彈體上的孔縫耦合；(2)彈體內連接線纜的耦合作用。針對以上2種耦合途徑，分別采取以下屏蔽措施來對系統(tǒng)進行加固。

3.1 對彈體上的孔縫進行屏蔽

對彈體上的2種孔縫均進行屏蔽處理。圖8是對彈體的孔縫進行屏蔽處理后，以50 kV/m幅值脈沖入射時彈體內耦合電場的仿真結果。可以看出通過屏蔽加固處理后，彈體內場強只有約1.5 V/m，遠小于沒有加屏蔽措施時的仿真結果。

圖8 屏蔽后彈體內部場強值

3.2 對彈體內的連接線纜進行屏蔽

由于實際情況下不能做到屏蔽彈體上的所有孔縫。因此，還可以對內部線纜采取屏蔽措施，在線纜外部加屏蔽層。

圖9是對線纜外部加金屬屏蔽層的仿真模型。電磁波垂直照射線纜，電場極化方向為x方向。圖10是照射線纜的電磁波波形。圖11為不加屏蔽層時線纜負載上的耦合電壓，最大幅度約2.6 mV。圖12是加屏蔽層以后線纜負載上的耦合電壓，最大幅度僅為0.7 mV。仿真結果表明，對線纜采取屏蔽處理后，可以有效降低線纜負載上的耦合干擾電壓。

圖9 線纜加屏蔽層的仿真模型

圖10 電磁脈沖波型

圖11 線纜不加屏蔽層時負載上的耦合電壓

圖12 線纜加屏蔽層時負載上的耦合電壓

4 結束語

針對強電磁脈沖對導彈無線通信系統(tǒng)的干擾影響進行了理論分析和仿真驗證。根據(jù)仿真分析結果得出如下結論：導彈無線通信系統(tǒng)受強電磁脈沖干擾的主要耦合途徑為彈體孔縫和彈體內部連接線纜，并且彈體孔縫的方向與入射電磁脈沖的極化方向垂直時干擾影響最大。針對耦合途徑和機理提出了抗電磁脈沖加固措施，經(jīng)仿真驗證措施有效。該研究分析對于后續(xù)導彈無線通信系統(tǒng)的抗強電磁脈沖設計具有重要的指導意義。