小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈電磁兼容性測試與仿真分析研究*

鄭紅星，蕭劍平，曹桂珍，李源娜，吉紅巖

(1中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065;2江南工業(yè)集團有限公司，湖南湘潭 411207)

0 引言

小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈電磁兼容性測試的目的可分為診斷測試和達(dá)標(biāo)測試兩類。診斷測試是為了查明存在電磁兼容性問題的原因和部位，為采取防護措施做準(zhǔn)備;達(dá)標(biāo)測試是根據(jù)相應(yīng)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范規(guī)定的方法和極限值對產(chǎn)品進行測量，評估其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作為一種光機電一體化的電子設(shè)備，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中可能是一個干擾源，又可能是受感器，因而其電磁兼容性測試可分為電磁干擾發(fā)射(EMI)測試和電磁敏感度(EMS)測試兩大類。

軍用產(chǎn)品電磁兼容性測試依據(jù)，主要是以GJB152A軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)是軍用電磁兼容性領(lǐng)域中最主要的試驗和測量標(biāo)準(zhǔn)，GJB152A共有19個測試項目，被廣泛有效的實施。

傳統(tǒng)對電磁兼容問題的考慮往往依賴于工程經(jīng)驗，對原型樣機進行電磁兼容性實驗分析，通過反復(fù)修改與再試驗的過程來確保電磁兼容性要求。由于導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)復(fù)雜化程度越來越高，依靠經(jīng)驗進行電磁兼容性設(shè)計不僅周期很長，而且成本很高，已經(jīng)跟不上不斷出新的產(chǎn)品設(shè)計要求。新的、快速而準(zhǔn)確的導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計方法成為必然需求。計算機硬件條件的飛速發(fā)展和工程實際的市場需求，促進了計算機數(shù)值分析方法的不斷進步，使計算機仿真對產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)意義愈加明顯。對于導(dǎo)彈的電磁兼容性分析，由最初的經(jīng)驗預(yù)估、理論計算、實驗檢測，發(fā)展到了如今的計算機仿真。導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計朝著計算機實現(xiàn)虛擬設(shè)計、虛擬實驗的必然方向前進。文中結(jié)合試驗室測試結(jié)果，利用計算機仿真分析方法對GJB152A中的CE102和RE102項進行電磁兼容仿真分析研究。

1 導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)模型

1.1 彈上電氣系統(tǒng)模型概述

彈上電氣系統(tǒng)模型，包括彈體結(jié)構(gòu)模型、彈上互聯(lián)線纜束模型、激勵源模型以及彈上部件負(fù)載模型的綜合模型，即需要建立電磁兼容分析三要素模型，干擾源模型、耦合通道模型、敏感設(shè)備模型。

1.2 彈上電氣系統(tǒng)模型的建立

圖1 經(jīng)過Meshing處理后

1)建立傳輸線等效電路模型。在彈體結(jié)構(gòu)模型和線纜束模型建立好后，首先要對全彈3D線纜束及結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格剖分成2D幾何橫截面，這些橫截面包括許多可變的電纜線(束)，其次將電纜橫截面分成單段，在考慮線纜束中阻抗損耗、電介質(zhì)損耗等因素條件下，利用傳輸線矩陣法計算，其結(jié)果用L、C、R和G來表達(dá)，最后將這些參數(shù)編輯成能進行電磁兼容仿真用的傳輸線等效電路(transmission line circuit，TLC)模型。對全彈3D電纜網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)格剖分，結(jié)果如圖1、圖2所示，形成的傳輸線等效電路二維局部模型及模型部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 線纜束及導(dǎo)彈殼體截面圖

圖3 傳輸線等效電路二維局部模型及模型部分?jǐn)?shù)據(jù)

2)建立激勵源數(shù)學(xué)模型。電纜布線所傳輸?shù)男盘?，在要求傳輸?shù)男盘柧€上是有用信號，而對耦合到其他信號線上的電平，實際上是無用信號，認(rèn)為是干擾，因此信號源變?yōu)楦蓴_源。為了避免誤解，統(tǒng)稱為源。

為了簡便，源信號可以取連續(xù)波、脈沖波，并隨著計算任務(wù)的需要可以隨時補充，為了模擬實際情況，文中采用的源大部分來自于真實試驗過程中，用遙測或記錄裝置采集得到的數(shù)據(jù)來代替。

3)建立負(fù)載模型。由于彈上電子設(shè)備的復(fù)雜性，直接進行負(fù)載設(shè)備的建模是不現(xiàn)實的。當(dāng)進行電氣線路與負(fù)載連接時，為了模擬實際情況，可以用一些模擬元器件，如電阻、電容、電感的簡單組合模型代替彈上部件，以進行下一步的分析計算。終端開路(這里用50MΩ負(fù)載端接)時，導(dǎo)線相當(dāng)于一根輻射天線;終端接電阻時，導(dǎo)線的輻射效應(yīng)減小，主要是因為接上電阻形成的閉合回路，電阻可以消耗能量，閉合回路也就有助于減小輻射。

4)建立全彈電氣系統(tǒng)模型。將激勵源模型、負(fù)載模型與全彈線纜束的傳輸線等效電路模型連接，最終完成導(dǎo)彈全彈電氣系統(tǒng)模型。

2 分析軟件介紹

彈上線纜束互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)多為平行多芯導(dǎo)體，因此采用Simlab公司的CableMod軟件進行導(dǎo)彈的電磁兼容分析。該軟件采用了基于電報方程的最為有效的電磁場計算方法——傳輸線矩陣法(TLM)解麥克斯韋方程組，高效、精確的求解電纜網(wǎng)絡(luò)的電磁問題?；谄拗疲瑐鬏斁€矩陣法(TLM)的詳細(xì)公式推導(dǎo)在此不贅述，詳見相關(guān)數(shù)據(jù)。

CableMod是專門針對各種形式的復(fù)雜電纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分析開發(fā)的一套仿真軟件，可以分析電纜束(包括周圍金屬結(jié)構(gòu)的影響)之間的耦合、電纜束中流過信號時產(chǎn)生的輻射、電纜的阻抗，從而為彈上電纜網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性問題提供了完整的解決方案。

3 CE102(10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射)

3.1 試驗原理

電源線傳導(dǎo)發(fā)射CE102試驗的目的在于依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)(限制)對電子產(chǎn)品通過電源線向外發(fā)射的電磁騷擾水平進行評估和規(guī)范。當(dāng)電子設(shè)備的噪聲頻率小于30MHz時，主要干擾為音頻頻段。電子設(shè)備的電纜對于這類波長的電磁波來說，還不是一個波的波長(30MHz波長為10m)，它向空中輻射的效率很低。這樣，若能測得電纜上感應(yīng)的噪聲電壓，就能衡量這一頻段的電磁噪聲干擾程度。這里所測得的騷擾噪聲只是針對頻率在30MHz以下的連續(xù)騷擾電壓進行測試。在λ/2的整數(shù)倍時，輻射的效率最高。

CE102的測量方法采用LISN法，即利用LISN測量EUT沿電源線向電網(wǎng)發(fā)射的干擾電壓，測量頻率為10kHz～10MHz。測量直接通過LISN的監(jiān)視測量端進行，此端口通過電容耦合的形式，將電源線上EUT產(chǎn)生的干擾電壓引出并傳遞給測量接收機接收，并通過LISN的轉(zhuǎn)換系數(shù)將接收到的電壓轉(zhuǎn)換為電源線上的實際電壓，得到不同頻率上干擾電壓的幅度。

試驗指標(biāo)含義:負(fù)載設(shè)備通過供電電源線向電網(wǎng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。適用范圍:所有電源導(dǎo)線(包括回線，但不包括EUT輸出端導(dǎo)線)。測試布置圖如圖4所示，其中LISN電路簡圖如圖5所示，電源線傳導(dǎo)發(fā)射極限值如圖6所示。

圖4 CE102測試布置圖

圖5 LISN電路簡圖

圖6 CE102電源線傳導(dǎo)發(fā)射極限值

3.2 某型導(dǎo)彈CE102測試結(jié)果

無濾波轉(zhuǎn)接箱時操控設(shè)備斷電與加電時的CE102傳導(dǎo)干擾比較如圖7所示(圖中，橫坐標(biāo)為頻率(MHz)，縱坐標(biāo)為電流(dBμA))。

加濾波轉(zhuǎn)接箱后，所有輔助設(shè)備加電的背景和導(dǎo)彈工作時的CE102傳導(dǎo)干擾如圖8所示(圖中，橫坐標(biāo)為頻率(MHz)，縱坐標(biāo)為電流(dBμA))。

比較兩圖可以看出，操控設(shè)備不經(jīng)過濾波轉(zhuǎn)接箱時，導(dǎo)彈不工作，電源線CE102傳導(dǎo)干擾超標(biāo);操控設(shè)備經(jīng)過濾波轉(zhuǎn)接箱后，降低了操控設(shè)備對傳導(dǎo)干擾測試的影響，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)滿足CE102指標(biāo)要求。

圖7 操控斷電和上電時CE102傳導(dǎo)干擾(無濾波轉(zhuǎn)接箱)

圖8 背景和導(dǎo)彈工作時的CE102傳導(dǎo)干擾(加濾波轉(zhuǎn)接箱)

3.3 某型導(dǎo)彈CE102仿真及結(jié)果分析

根據(jù)圖4、圖5以及導(dǎo)彈電氣模型建立CE102仿真電路模型，部分仿真電路圖模型如圖9所示。

圖9 CE102仿真電路圖(局部)

圖10 導(dǎo)彈工作時CE102仿真結(jié)果

由于計算機資源和計算時間的限制，仿真步長受到約束，所以仿真分10～250kHz和250kHz～10MHz兩部分進行，其載機28V電源線傳導(dǎo)發(fā)射CE102仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，在10～250kHz頻帶范圍內(nèi)測試點傳導(dǎo)發(fā)射值約為25dBμA，250kHz～10MHz頻帶范圍內(nèi)，從42dBμA至28dBμA逐漸變化。其中電源線傳導(dǎo)發(fā)射值在250kHz～3MHz頻帶范圍里都偏高，經(jīng)分析導(dǎo)致在此頻段偏高的原因，很可能是由于RS422信號耦合到28V載機電源線上引起的，所以最簡便的方法就是將來真實測試時在載機28V電源線上加濾波器進行處理。

與實際測試曲線比較，圖中一些頻點處傳導(dǎo)發(fā)射幅值與實際值有所出入，這是因為:

1)仿真中直接測量模擬接收機的50Ω負(fù)載接收端電流，而實際測試時，電流是通過真實接收機來測量的，50Ω負(fù)載不能完全模擬接收機的屬性。

2)仿真中的LISN用其電路簡圖代替，與實際測試中的LISN在電路特性上還是有些許不同。

3)仿真精度影響了仿真結(jié)果。因為計算機資源和計算時間的限制，仿真步長不能太小，導(dǎo)致采集頻點不夠，與實際測試曲線產(chǎn)生差異。

4)實際測試中操控輔助設(shè)備對測試背景影響很大，但在仿真時沒有考慮這些輔助設(shè)備的影響。

5)仿真中對電纜接口處都是理想分析，而實際測試中需要給操控設(shè)備加濾波轉(zhuǎn)接箱，即使是經(jīng)過濾波處理，但也很難和仿真用理想模型一致。

3.4 某型導(dǎo)彈CE102整改建議

根據(jù)測試及仿真數(shù)據(jù)曲線對比分析，針對CE102對某型導(dǎo)彈提出整改建議:

1)操控輔助設(shè)備對測試背景影響很大，應(yīng)在操控設(shè)備與EUT進行電氣連接的端口增加濾波器，以減少對測試背景的影響;

2)對輔助設(shè)備與EUT之間連接的多根電纜進行濾波處理，尤其要整改地面對導(dǎo)彈的供電電源線、地面與發(fā)射電子單元之間的通訊信號線。

4 RE102(10kHz～18GHz電場輻射發(fā)射)

4.1 試驗原理

電場輻射發(fā)射RE102試驗的目的在于，依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)(限制)對電子產(chǎn)品通過空間向外發(fā)射的電磁騷擾水平進行評估和規(guī)范。根據(jù)天線理論，當(dāng)天線的總長度大于信號波長λ的1/20時，會向空間產(chǎn)生有效的輻射發(fā)射;當(dāng)天線長度為λ/2的整數(shù)倍時，輻射能量最大。當(dāng)噪聲頻率大于30MHz時，電子設(shè)備的電纜、開孔、縫隙等都能很容易滿足上述條件，從而形成輻射發(fā)射。在特定的試驗環(huán)境下，利用天線可以對空間輻射發(fā)射的強度進行量化測量。

本試驗適用于設(shè)備和分系統(tǒng)殼體及所有互聯(lián)電纜的輻射發(fā)射，不適用于發(fā)射機的基頻或電磁兼容的輻射。此次測試的某型導(dǎo)彈屬于飛機(陸軍)范疇，適用頻率范圍為10kHz～18GHz。測試極限范圍如圖11所示，測試布置圖如圖12所示。

圖11 RE102測試極限范圍

圖12 RE102測試布置圖

4.2 某型導(dǎo)彈RE102測試結(jié)果

測試頻率 10kHz～1GHz，導(dǎo)彈全程工作，1～75MHz超標(biāo)，200MHz～1GHz不超標(biāo);其測試曲線如圖13所示。

圖13 RE102測試結(jié)果

圖14 RE102仿真計算結(jié)果

4.3 某型導(dǎo)彈RE102仿真結(jié)果分析

由于計算機資源和計算時間的限制，仿真步長受到約束，所以仿真分10kHz～1MHz和1MHz～1GHz兩部分進行，其RE102仿真分析結(jié)果如圖14所示。

從圖中可以 看 出，在 頻點 15MHz、40MHz、70MHz、100MHz左右的值都較高，大概是30MHz左右的倍頻。經(jīng)分析，此現(xiàn)象的原因很有可能是由于彈載計算機或發(fā)射電子單元內(nèi)部晶振的工作頻率再經(jīng)過倍頻引起的。所以，對計算機電路、發(fā)射電子單元進行濾波處理是很必要的。

仿真結(jié)果的趨勢和實際測試結(jié)果基本吻合，在局部細(xì)節(jié)有所不同，如在10kHz到1GHz整個頻帶范圍內(nèi)，電場的輻射仿真數(shù)據(jù)整體都小于實際測試值，尤其是仿真數(shù)據(jù)在15MHz左右達(dá)到輻射最大值38dBμV，遠(yuǎn)小于實際測試值，這是因為:

1)仿真模型不能完全代替實際導(dǎo)彈的性能。仿真模型中導(dǎo)彈彈體是完整的屏蔽體，導(dǎo)致內(nèi)部電纜束向外輻射量明顯減少，真實導(dǎo)彈是很難做到彈體的完全屏蔽的。

2)仿真中沒有涉及到地面操控、地面供電電源、激光源這些在實際測試中必不可少的輔助設(shè)備以及與這些設(shè)備連接的長電纜，這些輔助設(shè)備對背景影響很大。

3)仿真中對連接電纜及接口處都是理想分析，而實際測試中需要加屏蔽、濾波處理，即使是經(jīng)過處理，但也很難和仿真的理想模型一致。

4)仿真環(huán)境與測試環(huán)境不同，仿真是在距離導(dǎo)彈側(cè)面1m遠(yuǎn)處的一個點對電場強度進行計算，而真實測試是利用各種類型的天線在導(dǎo)彈側(cè)面1m遠(yuǎn)處來接收各個方向的電場輻射。

4.4 某型導(dǎo)彈RE102整改建議

根據(jù)測試及仿真數(shù)據(jù)曲線對比分析，針對RE102對導(dǎo)彈提出整改建議:

1)減小彈體各艙段之間的搭接電阻，增強導(dǎo)電連續(xù)性;

2)改善彈內(nèi)線纜及接地線的布局;

3)通過使用導(dǎo)電襯墊等密封措施，增強殼體的屏蔽性能;

4)注重線纜的屏蔽處理，加強連接器與線纜屏蔽層及殼體的導(dǎo)電連接，必要時采取帶濾波功能的連接器(注:線纜及端口是RE102輻射超標(biāo)的主要原因)。

5 結(jié)論

通過測試與仿真結(jié)果對比驗證的方法，分析了導(dǎo)致傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射偏高或超標(biāo)的原因，得到以下結(jié)論:

1)CE102電源線傳導(dǎo)發(fā)射值在250kHz～3MHz頻帶范圍里都偏高，很可能是由于RS422信號耦合到28V載機電源線上引起的，將來真實測試時在載機28V電源線上加濾波器進行處理最為簡便。

2)RE102電場輻射發(fā)射值在頻點15MHz、40MHz、70MHz、100MHz左右的值都較高，大概是30MHz左右的倍頻。此現(xiàn)象的原因很有可能是由于彈載計算機或發(fā)射電子單元內(nèi)部晶振的工作頻率再經(jīng)過倍頻引起的。所以，在真實測試前對計算機電路、發(fā)射電子單元進行濾波處理是很必要的。

3)仿真模型不能完全代替實際導(dǎo)彈的性能，仿真環(huán)境與真實電磁兼容測試環(huán)境也存在很多差異，但從仿真計算結(jié)果與實際測試結(jié)果對比來看，仿真結(jié)果曲線總體趨勢與實際測試曲線基本吻合，這就達(dá)到了先前在虛擬環(huán)境下仿真預(yù)測的目的，做到了實際測試前的基本預(yù)測，為之后能順利通過正式測試打下基礎(chǔ)。

[1]王守三.電磁兼容測試的技術(shù)和技巧[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[2]陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶.電磁兼容試驗技術(shù)[M].2版.北京:北京郵電學(xué)院出版社，2012.

[3]鄭軍奇.EMC(電磁兼容)設(shè)計與測試案例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[4]GJB 151A－1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].

[5]GJB 152A－1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量[S].