导弹无线电引信电磁脉冲效应仿真

曾 鑫，熊 波，于德海，邢永强

（1．海军某工程建设指挥部，北京 100036；2．海军航空工程学院 a．兵器科学与技术系； b．训练部，山东 烟台 264001；3．92514 部队，山东 烟台 264001）

利用强电磁脉冲干扰或毁伤电子设备是近年来发展起来的有效的电磁干扰手段，文献[1-3]通过实验研究了HPM 对炮弹无线电引信的作用效应。导弹无线电引信具有较强的抗干扰性能，研究强电磁脉冲对导弹无线电引信的辐照效应对攻防双方都具有非常重要的意义。真实的辐照实验代价高昂，而计算机仿真具有代价低、可重复的特点，是电磁场效应研究的一种重要手段。电磁场仿真软件种类繁多，如CST 公司的MicroWave Studio，Agilent 公司的ADS 软件，Ansoft 公司的HFSS、Designer，XFD TD，ANSYS 等。

Ansoft HFSS 是Ansoft 公司推出的三维电磁仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。Ansoft Designer 是Ansoft 公司推出的微波电路和通信系统仿真软件，它采用了最新的视窗技术，是第一个将高频电路系统、版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一环境的设计工具。由Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 构成的Ansoft 高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节[4-6]。

本文采用Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 相结合，建立了HPM 干扰LFM 导弹无线电引信的天线和电路模型，得到电磁能量在各个环节的分布情况，对干扰效应进行了分析。

1 电磁耦合途径分析

电磁场的耦合途径分为前门和后门耦合，前门耦合是指微波信号通过天线进入电子设备；后门耦合途径一般是通过电缆、缝隙等进入[7-8]。由于导弹无线电引信处于封闭金属壳体中，其供电电缆和信号电缆一般采用屏蔽线，电缆在导弹上也处于密闭状态，后门耦合途径基本上是不存在的，因而本文只考虑前门耦合的情况，即电磁波能量从天线进入。由于HPM 具有很宽的频谱和很高的峰值功率，因而在天线工作频带范围外的信号也不能忽略。Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 的结合是通过将Ansoft HFSS 中仿真得到的S 参数矩阵作为双端口网络导入Ansoft Designer 中来实现的。因此，对HPM 干扰效应进行系统分析，首先需要建立天线模型，得到其S 参数矩阵。

S 参数矩阵描述了各端口在给定激励下传输或反射的功率。N端口微波网络的S 参数可以写为N个端口间反射波b和入射波a之间的线性关系：

对于天线而言，端口反射系数S11表示在输出端接匹配负载的情况下，天线的反射系数，工程上一般将反射系数小于−10 dB 的频带宽度定义为天线带宽。

2 天线建模仿真

某型连续调频无线电引信采用贴片天线，在HFSS 中建立天线物理模型如图1 所示。

图1 天线模型

通常情况下天线的仿真都是作为单端口进行的，即只有一个馈电端口。但为了完成电磁波从“场”到“路”的完整建模仿真，需要将S 参数作为双端口导入Ansoft Designer 中，而使用单端口是无法导入的。因此，本文将天线作为双端口进行仿真，得到的S 参数如图2 所示，图2 中，S11中心频率对应的值约为−24 dB，天线带宽与引信的参数也基本吻合，说明模型是正确的。

图2 仿真得到的S 参数

3 引信电路建模仿真

将Ansoft HFSS 中仿真得到的天线S 参数导入Ansoft Designer，建立电路仿真模型如图3 所示：

图3 引信电路模型

电路模型主要包括：HPM 脉冲源、三角波调频无线电引信本振信号及其回波延迟信号、天线的双端口网络、信号处理电路、50 Ω终端匹配负载及各个节点的示波器。

仿真一：真实目标回波信号仿真。

为了对模型的正确性进行验证，首先仿真该电路模型在真实目标信号下的响应输出，假设目标回波信号的多普勒频率为200 kHz，带通滤波放大后输出结果如图4 所示。

从图4 可以看出明显的多普勒包络，输出信号电压也能达到1.5 V 的启动电压。电路输出信号频谱局部如下图5 所示，从图5 可以看出，频谱的最大值出现在0.02 GHz 附近，满足距离判别条件；在差频信号0.02 GHz 两侧有明显的边带信号，说明有多普勒频率存在。引信在满足距离、速度判别条件的情况下输出启动信号。

图4 目标回波信号输出

图5 输出信号频谱局部图

仿真二：HPM 效应仿真。

根据开展的高功率微波辐照试验情况，HPM 微波源为矩形脉冲，脉宽10 ns，峰值功率1 GW，距离无线电引信距离为 m4=r，HPM 微波源天线增益 dB 15=G。电路输出结果如图6 所示。

图6 HPM 响应输出

从输出结果可以看出，HPM 脉冲经过引信电路后在时域展宽，其电压幅度μ达不到启动电压幅度；并且没有多普勒包络，也不满足多普勒判据，因此引信无法启动。

其频谱局部如图7 所示，从图7 可以看出，谱线均匀排列，0.02 GHz 的谱线并没有发生多普勒频移，与前面的时域分析结果一致。

图7 输出信号频谱局部图

4 结论

为了分析HPM 对导弹无线电引信的作用效应，以Ansoft 软件作为仿真平台建立了电磁波从“场”到“路”的完整仿真模型。首先采用Ansoft HFSS 软件对某型导弹无线电引信天线作为双端口进行了仿真，得到其S 参数。然后将S 参数作为双端口网络导入Ansoft Designer 进行电路仿真。从仿真结果来看，当HPM 源峰值功率达到1 GW 时，引信执行级的输入电压很低，达不到启动电压，而且不满足多普勒判据，因而引信不会误启动。这与前期开展的HPM 效应试验结果是吻合的，说明通过计算机仿真对HPM 的毁伤机理和效应进行分析是可行的。

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