基于混合信號仿真技術(shù)的高功率微波與無線電引信耦合效應(yīng)分析?

馮延彬，李國林，路翠華，方少軍（.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺26400；2.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東青州262500；.海軍駐貴陽軍事代表辦事處，貴州遵義5600）

基于混合信號仿真技術(shù)的高功率微波與無線電引信耦合效應(yīng)分析?

馮延彬1，2，??，李國林1，路翠華1，方少軍3
（1.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺264001；2.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東青州262500；3.海軍駐貴陽軍事代表辦事處，貴州遵義563003）

混合信號仿真技術(shù)是分析導(dǎo)彈無線電引信與高功率微波（HPM）耦合效應(yīng)的一種方法。它采用時域有限差分法（FDTD）的場方法，求解耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓；采用系統(tǒng)仿真軟件的路方法，分析系統(tǒng)的干擾與毀傷效應(yīng)。仿真結(jié)果說明，采用高斯脈沖平面波輻照無線電引信時，引信被干擾，并有可能產(chǎn)生早炸現(xiàn)象。該方法把耦合的主體和客體進行統(tǒng)一和簡化，可以形成快速、實用的耦合效應(yīng)分析能力。

無線電引信；高功率微波；時域有限差分法；耦合效應(yīng)；混合信號仿真

1 引言

無線電引信是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的效能倍增器，由大量的電子器件構(gòu)成。受當前高功率微波（HPM）武器實用化進程不斷推進的影響，無線電引信面臨的電磁環(huán)境日益惡劣復(fù)雜。針對無線電引信系統(tǒng)與高功率微波作用機理研究，國內(nèi)主要采用了實驗研究的方法［1－2］，理論和數(shù)值模擬研究還較少。由于無線電引信設(shè)備的電路均封裝于具有良好屏蔽性能的多層金屬腔體內(nèi)，通過線纜與引信天線、高頻處理單元、低頻處理單元等其他分系統(tǒng)進行信號傳遞和信息交互。由于引信設(shè)備電磁耦合具有電尺寸跨度大、強諧振和非線性等特點，從而使得高功率微波與引信作用系統(tǒng)性分析具有相當?shù)奶魬?zhàn)性。

2 混合信號仿真技術(shù)

混合信號仿真技術(shù)通過將電路分析與全波微波分析軟件相結(jié)合，為非線性射頻系統(tǒng)提供了一個簡單的模型，以實現(xiàn)HPM與引信的系統(tǒng)性研究。該方法采用時域有限差分法［1］求解電子設(shè)備天線與高功率微波的耦合效應(yīng)，將高頻電磁場轉(zhuǎn)化為天線的端口電壓／電流；采用系統(tǒng)行為級仿真軟件（Agilent Systemvue）建立電子設(shè)備仿真系統(tǒng)，研究信號能量在系統(tǒng)回路中的耦合傳遞過程及干擾效應(yīng)。

如何干擾引信一直是高功率微波防空反導(dǎo)的重要方向。以微電子技術(shù)為核心的各種無線電引信，容易受到各種電磁場的干擾或損傷。通過研究無線電引信的電磁輻照效應(yīng)，以便評估無線電引信的抗電磁危害能力。

但是由于攻擊的主體（HPM信號）與客體（各種型號的導(dǎo)彈）始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，單一試驗得到的具體客體的參數(shù)，對建立仿真與評判技術(shù)并無太大意義。如文獻［1－2］采用輻照實驗與邏輯判斷確定損傷器件等，其中得到的作用閾值數(shù)據(jù)僅對實驗對象所屬型號和品種有明確的意義，而對其他型號數(shù)據(jù)僅供參考。文獻［3－4］對能量耦合途徑的仿真也存在這一問題，難于形成模型化仿真。

高功率微波脈沖對無線電引信的破壞過程，由于引信殼體本身是屏蔽的，電磁波無法進入。對導(dǎo)彈的攻擊能量只能由天線引入并向內(nèi)部滲透，變成隨時間、空間變化的大電流、大電壓，對內(nèi)部器件（電子元件、集成電路及連接點等）造成損壞或?qū)ο到y(tǒng)干擾。

以上簡化分析可以形成仿真模型，把攻擊過程的主體和客體統(tǒng)一到一個系統(tǒng)內(nèi)，在場強作用下引信天線采用全波模擬軟件產(chǎn)生電壓，然后作為電壓源結(jié)合Systemvue等系統(tǒng)仿真軟件，判定系統(tǒng)干擾與器件毀傷程度，從而形成解決電磁干擾特性的實用系統(tǒng)。

3 引信原理與模型

本文研究的連續(xù)波調(diào)頻無線電引信是一種對地測高引信，其發(fā)射信號頻率按鋸齒波規(guī)律變化，回波信號頻率與發(fā)射信號頻率混頻產(chǎn)生一個差頻信號，利用此差頻信號測量彈頭高度。

圖1為發(fā)射與接收信號的時間－頻率曲線，已知

其中，τ為彈目之間電磁波傳輸延時，c為光速，R為導(dǎo)彈與地面距離。

由圖1可得

其中，fi為差頻頻率，ΔF為最大頻偏，T為調(diào)制信號周期。將式（2）變換為

從式（3）可看出，當調(diào)制參數(shù)T和ΔF一定時，差頻fi與距離R成正比，這就是調(diào)頻測距的基本原理。

按照場路結(jié)合仿真的思路，建立高功率微波與導(dǎo)彈無線電引信耦合效應(yīng)仿真模型，模型分為兩部分：一是天線模型，主要完成將高功率微波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的仿真；二是引信系統(tǒng)行為仿真模型，完成天線接收電壓在引信前端的仿真。

3.1 無線電引信貼片天線模型

無線電引信天饋系統(tǒng)一般采用收發(fā)分置模式，分為發(fā)射天線單元和接收天線單元。收發(fā)兩套天線的工作原理和結(jié)構(gòu)均相同。按文獻［5］要求建立工作頻率在4.3 GHz的貼片天線，其天線S11參數(shù)分布如圖2所示。

3.2 引信系統(tǒng)行為級模型

假設(shè)不存在彈目相對速度，不考慮多普勒頻率的影響，在此前提下按照無線電引信工作原理，建立導(dǎo)彈無線電引信系統(tǒng)行為級仿真瞬態(tài)模型。具體步驟及參數(shù)設(shè)計如下所述。

3.2.1 鋸齒波產(chǎn)生

假定導(dǎo)彈無線電引信為線性調(diào)制，調(diào)制周期與被測高度之間的比例關(guān)系為2μs／m。初始時刻假定調(diào)制周期為200μs，鋸齒波幅度為10 V，則調(diào)制斜率為

3.2.2 線性調(diào)制信號產(chǎn)生

由鋸齒波控制壓控振蕩器產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，設(shè)定線性調(diào)頻信號帶寬為300 MHz，信號幅度為100 V，則壓控振蕩器靈敏度設(shè)置為300／10＝30 MHz／V。圖3為線性調(diào)頻信號頻譜圖。

3.2.3 差拍信號生成

線性調(diào)頻信號經(jīng)目標模塊衰減和延遲后，產(chǎn)生回波信號，進放大器放大后，與本振信號進行混頻處理即可得到差拍信號。差拍信號頻率為1 MHz，與理論值相符。對差拍信號進行濾波處理以降低干擾噪聲的影響，選擇Bessel帶通濾波器（中心頻率設(shè)置為1 GHz、帶寬為200 kHz、阻帶抑制度為20 dB）。濾波后信號如圖4所示。

4 引信系統(tǒng)仿真分析

4.1 仿真模型

由安捷倫Systemvue系統(tǒng)仿真軟件建立導(dǎo)彈無線電引信系統(tǒng)仿真模型如圖5所示，導(dǎo)彈無線電引信天線與高功率微波耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，采用touchstone文件格式引入到回波中。通過改變數(shù)據(jù)采樣率，實現(xiàn)場仿真和路仿真技術(shù)的同步。差拍信號由數(shù)據(jù)顯示模塊接收并繪圖顯示。

為使天線獲得最大的感應(yīng)信號，入射高功率微波采用圓極化高斯脈沖平面波，垂直于貼片天線平面輻照導(dǎo)彈無線電引信天線。入射波電場強度設(shè)為104V／m。由FDTD方法仿真求解貼片天線陣的耦合電壓，由于Systemvue是基于時間序列的仿真軟件，仿真過程中提取天線端口感應(yīng)電壓的時域波形如圖6所示。

導(dǎo)彈無線電引信發(fā)射信號經(jīng)過目標模塊進行衰減和延遲后，回波信號與天線感應(yīng)電壓相疊加形成回波信號，其頻域圖如圖7所示。

4.2 高功率微波干擾效判讀

回波信號與本振信號混頻后，得到差拍信號如圖8所示。

可見差拍信號在0.997 MHz和1.002 MHz兩個頻點上出現(xiàn)了超過60 dBm的頻率分量。若以幅值最大處頻率作為鋸齒波斜率調(diào)制信號，則與理論差拍信號（1 MHz）出現(xiàn)了2 kHz誤差，導(dǎo)彈無線電引信測高會出現(xiàn)誤差；若以門限值（60 dBm）對應(yīng)頻率作為鋸齒波斜率調(diào)制信號，則與理論差拍信號（1 MHz）出現(xiàn)了2 kHz和3 kHz誤差。

更改電場強度值，分別采用1 000 V／m和10 000 V／m的高斯脈沖平面波輻照，在高功率微波輻照下，差拍信號由1MHz偏移至1.002MHz，且出現(xiàn)多處超過44 dBm頻率分量，兩者的差拍信號（如圖9所示）幾乎完全重合。這些干擾分量完全處于鑒頻器單元通帶范圍內(nèi)，會造成鑒頻器輸出的跟蹤誤差電壓和比較電壓發(fā)生偏離，直接影響邏輯電路的輸出，結(jié)果是無線電引信被干擾，并有可能產(chǎn)生早炸現(xiàn)象。

另一方面，當入射場強超過引信的干擾閾值時，通過提高入射功率達到提高干擾效應(yīng)的辦法是不可行的。

4.3 高功率微波硬件損毀判讀

圖10顯示了兩種入射場強情況下的天線感應(yīng)電壓，場強越高，天線的頻率選擇性越強，天線感應(yīng)電壓越大。進入系統(tǒng)的電壓會由于系統(tǒng)內(nèi)部存在的濾波、限幅器件而衰減，對器件的毀傷判斷還需根據(jù)具體器件的功率、電壓結(jié)合像spice等電路模擬軟件，判定器件毀傷程度。

5 結(jié)束語

混合信號仿真技術(shù)把高功率微波與無線電引信作為整體系統(tǒng)來分析高功率微波的毀傷與干擾效應(yīng)。這種方法以仿真模型為中心，把HPM攻擊過程的主體和客體進行統(tǒng)一和簡化，能夠形成快速、實用的耦合效應(yīng)分析能力，并可擴展到前門耦合的其他系統(tǒng)。對于具體的系統(tǒng)，一是將信號通路與電路部分細化，二是加入spice等電路模擬軟件確定器件兩端電壓，從而給出相對合理的毀傷結(jié)果。

［1］方進永，黃文華，申菊愛.導(dǎo)彈無線電引信高功率微波對抗與反對抗初步研究［J］.實驗與研究，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］魏光輝，陳亞洲，孫永衛(wèi).微波輻照對無線電引信的影響與作用機理［J］.強激光與粒子束，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.帶縫金屬腔體、電子線路的微波耦合特性分析與基本電路的微波注入效應(yīng)實驗研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，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］李春榮，王新政，馮延彬.彈體內(nèi)置矩形腔屏蔽效能分析［J］.電訊技術(shù)，2012，52（2）：250－254. LIChun-rong，WANG Xin-zheng，F(xiàn)ENG 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

李國林（1955—），男，吉林省吉林市人，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為軍用目標中近程探測；

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.

路翠華（1978—），女，山東煙臺人，博士，講師，主要研究方向為軍用目標中近程探測；

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.

方少軍（1980—），男，湖北天門人，碩士，主要研究方向為引信技術(shù)。

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，F(xiàn)ANG 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

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2008AA8030461）

??通訊作者：namifeng＠126.coMCorresponding author：namifeng＠126.com

TN97

A

1001－893X（2013）06－0807－05

馮延彬（1964—），男，山東昌邑人，2001年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師、博士研究生，主要研究方向為目標中近程探測與高功率微波效應(yīng)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.027

2012－12－13；

2013－03－19