導(dǎo)彈無(wú)線電引信電磁脈沖效應(yīng)仿真

曾 鑫，熊 波，于德海，邢永強(qiáng)

（1．海軍某工程建設(shè)指揮部，北京 100036；2．海軍航空工程學(xué)院 a．兵器科學(xué)與技術(shù)系； b．訓(xùn)練部，山東 煙臺(tái) 264001；3．92514 部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）

利用強(qiáng)電磁脈沖干擾或毀傷電子設(shè)備是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有效的電磁干擾手段，文獻(xiàn)[1-3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了HPM 對(duì)炮彈無(wú)線電引信的作用效應(yīng)。導(dǎo)彈無(wú)線電引信具有較強(qiáng)的抗干擾性能，研究強(qiáng)電磁脈沖對(duì)導(dǎo)彈無(wú)線電引信的輻照效應(yīng)對(duì)攻防雙方都具有非常重要的意義。真實(shí)的輻照實(shí)驗(yàn)代價(jià)高昂，而計(jì)算機(jī)仿真具有代價(jià)低、可重復(fù)的特點(diǎn)，是電磁場(chǎng)效應(yīng)研究的一種重要手段。電磁場(chǎng)仿真軟件種類繁多，如CST 公司的MicroWave Studio，Agilent 公司的ADS 軟件，Ansoft 公司的HFSS、Designer，XFD TD，ANSYS 等。

Ansoft HFSS 是Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件，是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Ansoft Designer 是Ansoft 公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，它采用了最新的視窗技術(shù)，是第一個(gè)將高頻電路系統(tǒng)、版圖和電磁場(chǎng)仿真工具無(wú)縫地集成到同一環(huán)境的設(shè)計(jì)工具。由Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 構(gòu)成的Ansoft 高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)[4-6]。

本文采用Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 相結(jié)合，建立了HPM 干擾LFM 導(dǎo)彈無(wú)線電引信的天線和電路模型，得到電磁能量在各個(gè)環(huán)節(jié)的分布情況，對(duì)干擾效應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 電磁耦合途徑分析

電磁場(chǎng)的耦合途徑分為前門和后門耦合，前門耦合是指微波信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)入電子設(shè)備；后門耦合途徑一般是通過(guò)電纜、縫隙等進(jìn)入[7-8]。由于導(dǎo)彈無(wú)線電引信處于封閉金屬殼體中，其供電電纜和信號(hào)電纜一般采用屏蔽線，電纜在導(dǎo)彈上也處于密閉狀態(tài)，后門耦合途徑基本上是不存在的，因而本文只考慮前門耦合的情況，即電磁波能量從天線進(jìn)入。由于HPM 具有很寬的頻譜和很高的峰值功率，因而在天線工作頻帶范圍外的信號(hào)也不能忽略。Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 的結(jié)合是通過(guò)將Ansoft HFSS 中仿真得到的S 參數(shù)矩陣作為雙端口網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Ansoft Designer 中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)HPM 干擾效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，首先需要建立天線模型，得到其S 參數(shù)矩陣。

S 參數(shù)矩陣描述了各端口在給定激勵(lì)下傳輸或反射的功率。N端口微波網(wǎng)絡(luò)的S 參數(shù)可以寫為N個(gè)端口間反射波b和入射波a之間的線性關(guān)系：

對(duì)于天線而言，端口反射系數(shù)S11表示在輸出端接匹配負(fù)載的情況下，天線的反射系數(shù)，工程上一般將反射系數(shù)小于?10 dB 的頻帶寬度定義為天線帶寬。

2 天線建模仿真

某型連續(xù)調(diào)頻無(wú)線電引信采用貼片天線，在HFSS 中建立天線物理模型如圖1 所示。

圖1 天線模型

通常情況下天線的仿真都是作為單端口進(jìn)行的，即只有一個(gè)饋電端口。但為了完成電磁波從“場(chǎng)”到“路”的完整建模仿真，需要將S 參數(shù)作為雙端口導(dǎo)入Ansoft Designer 中，而使用單端口是無(wú)法導(dǎo)入的。因此，本文將天線作為雙端口進(jìn)行仿真，得到的S 參數(shù)如圖2 所示，圖2 中，S11中心頻率對(duì)應(yīng)的值約為?24 dB，天線帶寬與引信的參數(shù)也基本吻合，說(shuō)明模型是正確的。

圖2 仿真得到的S 參數(shù)

3 引信電路建模仿真

將Ansoft HFSS 中仿真得到的天線S 參數(shù)導(dǎo)入Ansoft Designer，建立電路仿真模型如圖3 所示：

圖3 引信電路模型

電路模型主要包括：HPM 脈沖源、三角波調(diào)頻無(wú)線電引信本振信號(hào)及其回波延遲信號(hào)、天線的雙端口網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理電路、50 Ω終端匹配負(fù)載及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的示波器。

仿真一：真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)仿真。

為了對(duì)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，首先仿真該電路模型在真實(shí)目標(biāo)信號(hào)下的響應(yīng)輸出，假設(shè)目標(biāo)回波信號(hào)的多普勒頻率為200 kHz，帶通濾波放大后輸出結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可以看出明顯的多普勒包絡(luò)，輸出信號(hào)電壓也能達(dá)到1.5 V 的啟動(dòng)電壓。電路輸出信號(hào)頻譜局部如下圖5 所示，從圖5 可以看出，頻譜的最大值出現(xiàn)在0.02 GHz 附近，滿足距離判別條件；在差頻信號(hào)0.02 GHz 兩側(cè)有明顯的邊帶信號(hào)，說(shuō)明有多普勒頻率存在。引信在滿足距離、速度判別條件的情況下輸出啟動(dòng)信號(hào)。

圖4 目標(biāo)回波信號(hào)輸出

圖5 輸出信號(hào)頻譜局部圖

仿真二：HPM 效應(yīng)仿真。

根據(jù)開(kāi)展的高功率微波輻照試驗(yàn)情況，HPM 微波源為矩形脈沖，脈寬10 ns，峰值功率1 GW，距離無(wú)線電引信距離為 m4=r，HPM 微波源天線增益 dB 15=G。電路輸出結(jié)果如圖6 所示。

圖6 HPM 響應(yīng)輸出

從輸出結(jié)果可以看出，HPM 脈沖經(jīng)過(guò)引信電路后在時(shí)域展寬，其電壓幅度μ達(dá)不到啟動(dòng)電壓幅度；并且沒(méi)有多普勒包絡(luò)，也不滿足多普勒判據(jù)，因此引信無(wú)法啟動(dòng)。

其頻譜局部如圖7 所示，從圖7 可以看出，譜線均勻排列，0.02 GHz 的譜線并沒(méi)有發(fā)生多普勒頻移，與前面的時(shí)域分析結(jié)果一致。

圖7 輸出信號(hào)頻譜局部圖

4 結(jié)論

為了分析HPM 對(duì)導(dǎo)彈無(wú)線電引信的作用效應(yīng)，以Ansoft 軟件作為仿真平臺(tái)建立了電磁波從“場(chǎng)”到“路”的完整仿真模型。首先采用Ansoft HFSS 軟件對(duì)某型導(dǎo)彈無(wú)線電引信天線作為雙端口進(jìn)行了仿真，得到其S 參數(shù)。然后將S 參數(shù)作為雙端口網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Ansoft Designer 進(jìn)行電路仿真。從仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)HPM 源峰值功率達(dá)到1 GW 時(shí)，引信執(zhí)行級(jí)的輸入電壓很低，達(dá)不到啟動(dòng)電壓，而且不滿足多普勒判據(jù)，因而引信不會(huì)誤啟動(dòng)。這與前期開(kāi)展的HPM 效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果是吻合的，說(shuō)明通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)HPM 的毀傷機(jī)理和效應(yīng)進(jìn)行分析是可行的。

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