基于空空导弹的电磁兼容问题仿真研究

摘 要： 由于空空导弹电磁兼容问题频发及其复杂性，其电磁兼容设计尤为重要。弹体的孔缝耦合和弹体内电缆的电磁耦合效应的研究是导弹电磁兼容预测和设计需要解决的两个主要问题。针对这两个问题，进行了电磁计算仿真分析，并研究得到弹体电磁耦合的规律，可在实践中指导导弹的电磁兼容设计。最终实现在导弹的设计初期，就能够对其电磁兼容性进行预测和评估，满足其电磁兼容性的要求。

关键词： 空空导弹； 电磁兼容； 电磁耦合； 电磁兼容预测

中图分类号： TN03?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着电子技术的飞速发展，大量的电子、电气设备广泛地应用于空空导弹系统的设计中，而且战场的电磁环境越来越复杂、密集和多变，恶劣的电磁环境往往使电子或电气设备不能正常工作，导致导弹工作性能的降低。因此，电磁兼容性是航空武器系统，特别是空空导弹设计的重要技术指标之一。

对导弹系统的电磁兼容预测和仿真，是提高导弹系统电磁兼容性能的重要方法和手段，而对弹体孔缝耦合和弹体内电缆的电磁耦合特性的分析是导弹电磁兼容性预测和设计所要解决的两个主要问题，直接关系到导弹系统在强电磁环境下是否能够抗干扰，并且安全可靠地工作。对提升导弹的电磁兼容性设计和电磁兼容试验以及故障的排场具有重要的意义。本文针对弹体孔缝和内部电缆的电磁耦合效应进行仿真分析研究。

1 弹体孔缝耦合性分析

外部电磁能量进入弹体内产生耦合效应分为两个阶段[1]，一是电磁场通过孔缝耦合进入弹体内部的过程；二是进入弹体中的电磁能量与内部线缆耦合产生感应电流和感应电压的过程。

1.1 孔缝耦合基本理论

电磁波进入导弹系统内部的通道分为“前门”耦合和“后门”耦合[2]。其中，“前门”耦合是指入射波通过导弹系统的接收通道形成的耦合，主要包括：导引头、GPS天线。“后门”耦合是指入射波通过导弹壳体上的孔缝、电缆接头形成的耦合。对于导弹装备，“前门”耦合的途径是有限的、可知和可控的。“后门”耦合未知性较大，预测和分析都较困难。电磁能量可通过弹体上的缝隙直接进入弹体内部，孔缝耦合严重影响了弹体的屏蔽性能，降低了导弹内部设备的可靠性。为了表征孔缝和腔体对电磁波耦合特性，定义耦合系数为：

[η=20lgEcEi]

式中：[Ec]为进入腔体内电磁场强度；[Ei]为入射波电场强度。

1.2 弹体孔缝耦合的数值仿真

在计算腔体孔缝耦合问题方面，时域有限差分法（FDTD）具有独特的优越性，其原理非常简单，即直接将时域Maxwell方程组的两个旋度方程中关于空间变量和时间变量的偏导数方程用差商近似，从而转换为离散网络节点上的时域有限差分方程[3]。

为了建立差分方程，首先要将求解空间离散化。通常是以一定形式的网格来划分求解空间，Yee提出了差分网格单元，其特点是在同一网格中，[E]和[H]的各分量在空间取值点交叉放置，使每个坐标轴面上的[E]场的四周由[H]场分量环绕，同时每个[H]场四周由[E]场环绕。这样[E]，[H]配置符合Maxwell方程的基本要求，也符合电磁波空间的传播规律，使电磁波的时域特性被直接反映出来，直接给出了非常丰富的电磁场问题的时域信息。

算例分析：在金属圆柱体（模拟弹体）侧面开一个缝隙，如图1所示，电磁波垂直于孔缝入射，在缝隙面积一定的情况下，计算了3种尺寸的孔缝隙的耦合系数，如图2所示；并改变入射波的极化方向，得到了在不同极化方向下耦合系数的变化曲线，如图3所示。

1.2.1 耦合系数与孔缝尺寸的关系

3种不同孔缝的耦合系数如图2所示。

1.2.2 耦合系数与入射极化的关系

不同极化的孔缝耦合系数如图3所示。

在孔缝参数不变的情况下，改变入射波的极化方向，通过仿真可知，入射波极化方向垂直于弹体的耦合系数大于极化方向平行于弹体的耦合系数。

2 弹体内线缆耦合特性分析

弹体内存在着各种电子设备和电气设备通过配电线路连接在一起，所传播信号有强有弱，电压、电流有高有低，同时系统内的各种电缆既是高效的电磁波接收天线，又是高效的辐射天线，是电磁波耦合进入系统内部的重要通道。要想准确地仿真计算弹体内线缆的耦合电压，首先应计算通过孔缝耦合进入弹体的电场，根据弹体内的电场分布，才能计算弹体内线缆与外部电磁场的耦合机理，对于设备的电磁防护及电磁兼容分析有着重要的意义。

2.1 场线耦合特性分析

算例分析：弹体内沿轴线分布某一电缆束，其中包括单线、双绞线，在弹体外施加200 V/m的电磁波，通过改变线缆束的长度和入射波的极化方向，仿真分析得到线上耦合电压分别与线缆长度、极化方向的关系。

2.1.1 线上耦合电压与线缆长度的关系

图4为50 cm的线缆束耦合电压，图5为30 cm 的线缆束的耦合电压。V1为单线上的耦合电压，V2，V3为双绞线上的耦合电压。通过仿真计算可知：长线上的耦合电压高于短线；单线的耦合电压也高于双绞线上产生的耦合电压。

2.1.2 线上耦合电压与入射波极化的关系

图6和图7分别为单线和双绞线在不同极化方向下线上的耦合电压，通过仿真计算可知，当入射波的极化方向发生变化时，线缆上的感应电压也发生变化，可以看出，当极化方向垂直于弹体时，在弹体内线缆上产生的感应电压高于极化方向平行于弹体时的电压。

2.2 线缆间串扰

线缆束内的线间串扰也是影响信号能否准确有效传输的主要因素之一，为了得到不同线缆的串扰特性，分别进行了双绞线间、平行双线间的串扰特性的仿真分析。

算例分析：线缆长度均为1 m，负载阻抗分别为R=100 Ω，3 Ω时，双绞线和平行双线上的耦合系数如图8和图9所示。

从上述结果中可看出，负载不同，线缆上串扰也发生变化。在频率低的情况下，双绞线和平行双线的干扰性差异不大，在频率不高的情况下，双绞线的抗干扰性能高于平行双线。

3 结 论

本文针对弹体孔缝耦合、场线耦合和线间串扰等电磁兼容问题进行了仿真分析。研究发现：孔缝面积不变，孔缝长边尺寸与短边尺寸比值越大，耦合系数就越小；入射波的极化方向对耦合进弹体电磁能量的多少有影响，当然也会对线缆上的耦合电压产生影响；长线上的耦合电压高于短线；在频率低的情况下，双绞线和平行双线的干扰性差异不大，在频率不高的情况下，双绞线的抗干扰性能高于平行双线。因此，针对导弹电磁兼容问题的仿真分析研究，对于导弹电磁兼容的设计具有重要的意义。

参考文献

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