基于混合信号仿真技术的高功率微波与无线电引信耦合效应分析❋

冯延彬，李国林，路翠华，方少军（.海军航空工程学院，山东烟台26400；2.第二炮兵工程大学士官学院，山东青州262500；.海军驻贵阳军事代表办事处，贵州遵义5600）

基于混合信号仿真技术的高功率微波与无线电引信耦合效应分析❋

冯延彬1，2，❋❋，李国林1，路翠华1，方少军3
（1.海军航空工程学院，山东烟台264001；2.第二炮兵工程大学士官学院，山东青州262500；3.海军驻贵阳军事代表办事处，贵州遵义563003）

混合信号仿真技术是分析导弹无线电引信与高功率微波（HPM）耦合效应的一种方法。它采用时域有限差分法（FDTD）的场方法，求解耦合产生的感应电压；采用系统仿真软件的路方法，分析系统的干扰与毁伤效应。仿真结果说明，采用高斯脉冲平面波辐照无线电引信时，引信被干扰，并有可能产生早炸现象。该方法把耦合的主体和客体进行统一和简化，可以形成快速、实用的耦合效应分析能力。

无线电引信；高功率微波；时域有限差分法；耦合效应；混合信号仿真

1 引言

无线电引信是导弹武器系统的效能倍增器，由大量的电子器件构成。受当前高功率微波（HPM）武器实用化进程不断推进的影响，无线电引信面临的电磁环境日益恶劣复杂。针对无线电引信系统与高功率微波作用机理研究，国内主要采用了实验研究的方法［1－2］，理论和数值模拟研究还较少。由于无线电引信设备的电路均封装于具有良好屏蔽性能的多层金属腔体内，通过线缆与引信天线、高频处理单元、低频处理单元等其他分系统进行信号传递和信息交互。由于引信设备电磁耦合具有电尺寸跨度大、强谐振和非线性等特点，从而使得高功率微波与引信作用系统性分析具有相当的挑战性。

2 混合信号仿真技术

混合信号仿真技术通过将电路分析与全波微波分析软件相结合，为非线性射频系统提供了一个简单的模型，以实现HPM与引信的系统性研究。该方法采用时域有限差分法［1］求解电子设备天线与高功率微波的耦合效应，将高频电磁场转化为天线的端口电压／电流；采用系统行为级仿真软件（Agilent Systemvue）建立电子设备仿真系统，研究信号能量在系统回路中的耦合传递过程及干扰效应。

如何干扰引信一直是高功率微波防空反导的重要方向。以微电子技术为核心的各种无线电引信，容易受到各种电磁场的干扰或损伤。通过研究无线电引信的电磁辐照效应，以便评估无线电引信的抗电磁危害能力。

但是由于攻击的主体（HPM信号）与客体（各种型号的导弹）始终处于不稳定状态，单一试验得到的具体客体的参数，对建立仿真与评判技术并无太大意义。如文献［1－2］采用辐照实验与逻辑判断确定损伤器件等，其中得到的作用阈值数据仅对实验对象所属型号和品种有明确的意义，而对其他型号数据仅供参考。文献［3－4］对能量耦合途径的仿真也存在这一问题，难于形成模型化仿真。

高功率微波脉冲对无线电引信的破坏过程，由于引信壳体本身是屏蔽的，电磁波无法进入。对导弹的攻击能量只能由天线引入并向内部渗透，变成随时间、空间变化的大电流、大电压，对内部器件（电子元件、集成电路及连接点等）造成损坏或对系统干扰。

以上简化分析可以形成仿真模型，把攻击过程的主体和客体统一到一个系统内，在场强作用下引信天线采用全波模拟软件产生电压，然后作为电压源结合Systemvue等系统仿真软件，判定系统干扰与器件毁伤程度，从而形成解决电磁干扰特性的实用系统。

3 引信原理与模型

本文研究的连续波调频无线电引信是一种对地测高引信，其发射信号频率按锯齿波规律变化，回波信号频率与发射信号频率混频产生一个差频信号，利用此差频信号测量弹头高度。

图1为发射与接收信号的时间－频率曲线，已知

其中，τ为弹目之间电磁波传输延时，c为光速，R为导弹与地面距离。

由图1可得

其中，fi为差频频率，ΔF为最大频偏，T为调制信号周期。将式（2）变换为

从式（3）可看出，当调制参数T和ΔF一定时，差频fi与距离R成正比，这就是调频测距的基本原理。

按照场路结合仿真的思路，建立高功率微波与导弹无线电引信耦合效应仿真模型，模型分为两部分：一是天线模型，主要完成将高功率微波信号转换为电压信号的仿真；二是引信系统行为仿真模型，完成天线接收电压在引信前端的仿真。

3.1 无线电引信贴片天线模型

无线电引信天馈系统一般采用收发分置模式，分为发射天线单元和接收天线单元。收发两套天线的工作原理和结构均相同。按文献［5］要求建立工作频率在4.3 GHz的贴片天线，其天线S11参数分布如图2所示。

3.2 引信系统行为级模型

假设不存在弹目相对速度，不考虑多普勒频率的影响，在此前提下按照无线电引信工作原理，建立导弹无线电引信系统行为级仿真瞬态模型。具体步骤及参数设计如下所述。

3.2.1 锯齿波产生

假定导弹无线电引信为线性调制，调制周期与被测高度之间的比例关系为2μs／m。初始时刻假定调制周期为200μs，锯齿波幅度为10 V，则调制斜率为

3.2.2 线性调制信号产生

由锯齿波控制压控振荡器产生线性调频信号，设定线性调频信号带宽为300 MHz，信号幅度为100 V，则压控振荡器灵敏度设置为300／10＝30 MHz／V。图3为线性调频信号频谱图。

3.2.3 差拍信号生成

线性调频信号经目标模块衰减和延迟后，产生回波信号，进放大器放大后，与本振信号进行混频处理即可得到差拍信号。差拍信号频率为1 MHz，与理论值相符。对差拍信号进行滤波处理以降低干扰噪声的影响，选择Bessel带通滤波器（中心频率设置为1 GHz、带宽为200 kHz、阻带抑制度为20 dB）。滤波后信号如图4所示。

4 引信系统仿真分析

4.1 仿真模型

由安捷伦Systemvue系统仿真软件建立导弹无线电引信系统仿真模型如图5所示，导弹无线电引信天线与高功率微波耦合产生的感应电压，采用touchstone文件格式引入到回波中。通过改变数据采样率，实现场仿真和路仿真技术的同步。差拍信号由数据显示模块接收并绘图显示。

为使天线获得最大的感应信号，入射高功率微波采用圆极化高斯脉冲平面波，垂直于贴片天线平面辐照导弹无线电引信天线。入射波电场强度设为104V／m。由FDTD方法仿真求解贴片天线阵的耦合电压，由于Systemvue是基于时间序列的仿真软件，仿真过程中提取天线端口感应电压的时域波形如图6所示。

导弹无线电引信发射信号经过目标模块进行衰减和延迟后，回波信号与天线感应电压相叠加形成回波信号，其频域图如图7所示。

4.2 高功率微波干扰效判读

回波信号与本振信号混频后，得到差拍信号如图8所示。

可见差拍信号在0.997 MHz和1.002 MHz两个频点上出现了超过60 dBm的频率分量。若以幅值最大处频率作为锯齿波斜率调制信号，则与理论差拍信号（1 MHz）出现了2 kHz误差，导弹无线电引信测高会出现误差；若以门限值（60 dBm）对应频率作为锯齿波斜率调制信号，则与理论差拍信号（1 MHz）出现了2 kHz和3 kHz误差。

更改电场强度值，分别采用1 000 V／m和10 000 V／m的高斯脉冲平面波辐照，在高功率微波辐照下，差拍信号由1MHz偏移至1.002MHz，且出现多处超过44 dBm频率分量，两者的差拍信号（如图9所示）几乎完全重合。这些干扰分量完全处于鉴频器单元通带范围内，会造成鉴频器输出的跟踪误差电压和比较电压发生偏离，直接影响逻辑电路的输出，结果是无线电引信被干扰，并有可能产生早炸现象。

另一方面，当入射场强超过引信的干扰阈值时，通过提高入射功率达到提高干扰效应的办法是不可行的。

4.3 高功率微波硬件损毁判读

图10显示了两种入射场强情况下的天线感应电压，场强越高，天线的频率选择性越强，天线感应电压越大。进入系统的电压会由于系统内部存在的滤波、限幅器件而衰减，对器件的毁伤判断还需根据具体器件的功率、电压结合像spice等电路模拟软件，判定器件毁伤程度。

5 结束语

混合信号仿真技术把高功率微波与无线电引信作为整体系统来分析高功率微波的毁伤与干扰效应。这种方法以仿真模型为中心，把HPM攻击过程的主体和客体进行统一和简化，能够形成快速、实用的耦合效应分析能力，并可扩展到前门耦合的其他系统。对于具体的系统，一是将信号通路与电路部分细化，二是加入spice等电路模拟软件确定器件两端电压，从而给出相对合理的毁伤结果。

［1］方进永，黄文华，申菊爱.导弹无线电引信高功率微波对抗与反对抗初步研究［J］.实验与研究，2000（1）：13－17. FANG Jin-yong，HUANGWen-hua，SHEN Ju-ai.Research on counteraction of radio fuze and HPM［J］.Experimentand Research，2000（1）：13－17.（in Chinese）

［2］魏光辉，陈亚洲，孙永卫.微波辐照对无线电引信的影响与作用机理［J］.强激光与粒子束，2005，17（1）：88－92. WEIGuang-hui，CHEN Ya-zhou，SUN Yong-wei.Effects and effectingmechanisMofmicrowave irradiation on the radio fuse［J］.High Power Laser and Particle Beams，2005，17（1）：88－92.（in Chinese）

［3］朱占平.带缝金属腔体、电子线路的微波耦合特性分析与基本电路的微波注入效应实验研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2011. ZHU Zhan-ping.Coupling characteristic of Metal slot cavity and electronic circuit and experiment of basic circuit under microwave［D］.Changsha：Science and Technology University of Defence，2011.（in Chinese）

［4］李春荣，王新政，冯延彬.弹体内置矩形腔屏蔽效能分析［J］.电讯技术，2012，52（2）：250－254. LIChun-rong，WANG Xin-zheng，FENG Yan-bin.Analysis of sshielding effedctiveness of rectangular cavity inmissile enclosure［J］.Telecommunication Engineering，2012，52（2）：250－254.（in Chinese）

［5］Garg R，Bhartia P，Bahl I，etal.Microstrip antenna design handbook［M］.Boston：Artech House，2001：265－269.

FENG Yan-bin was born in Changyi，Shandong Province，in 1964.He received the M.S. degree in 2001.He isnow an engineer and currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns shortrange target detection and EMP effects.

Email：namifeng＠126.com

李国林（1955—），男，吉林省吉林市人，博士，教授、博士生导师，主要研究方向为军用目标中近程探测；

LIGuo-lin was born in Jilin，Jilin Province，in 1955.He is now a professorwith the Ph.D.degree and also the Ph.D.supervisor.His research concerns short-range target detection.

路翠华（1978—），女，山东烟台人，博士，讲师，主要研究方向为军用目标中近程探测；

LU Cui-huawas born in Yantai，Shandong Province，in 1980. She is now a lecturerwith the Ph.D.degree.Her research concerns short-range target detection.

方少军（1980—），男，湖北天门人，硕士，主要研究方向为引信技术。

FANG Shao-jun was born in Tianmen，Hubei Province，in 1980.His research concerns fuze technology.

Analysis of High Power Microwaves Effect on Radio Fuse by Mixed Signal Simulation Technology

FENG Yan-bin1，2，LIGuo-lin1，LU Cui-hua1，FANG Shao-jun
（1.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China；2.Petty Officer College，The Second Artillery Engineering University，Qingzhou 262500，China；3.Navy Military Representative Office in Guiyang，Zunyi563003，China）

Mixed signal simulation technology is amethod to find the coupling effectsmechanisMof a radio fuze and high powermicrowave（HPM）.Ituses the finite difference time domainmethod（FDTD）method to solve the coupling of induced voltage，adopts systeMsimulation software to analyze interference or damage effect of system.Simulation result shows thatGaussian pulse planewave can disturb or damage radio fuze.Themethod unifies and simplifies the coupling process of the subject and objects，and forms a rapid，practical way to get the analysis result.

radio fuze；high powermicrowave（HPM）；finite difference time domain method（FDTD）；coupling effect；mixed signal simulation

The National High-tech R＆D PrograMof China（863 Program）（No.2008AA8030461）

date：2012－12－13；Revised date：2013－03－19

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2008AA8030461）

❋❋通讯作者：namifeng＠126.coMCorresponding author：namifeng＠126.com

TN97

A

1001－893X（2013）06－0807－05

冯延彬（1964—），男，山东昌邑人，2001年获硕士学位，现为工程师、博士研究生，主要研究方向为目标中近程探测与高功率微波效应；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.027

2012－12－13；

2013－03－19