蔡明娟 陸佳駿 萬海軍

（1.海軍研究院 上海 200235；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

電磁兼容性是艦船良好性能的一個(gè)重要方面。在艦船的論證設(shè)計(jì)初期，必須充分考慮其電磁兼容性設(shè)計(jì)，并通過驗(yàn)證來掌握電磁兼容情況，才能保證實(shí)船的良好電磁兼容性能。電磁場理論的縮比原理為艦船的縮比模型電磁兼容性測試提供了理論基礎(chǔ)，因此，采用艦船的縮比模型電磁兼容性測試是把握艦船論證設(shè)計(jì)期電磁兼容性的一個(gè)有效方法。［1-2］

目前在艦船的論證設(shè)計(jì)期已經(jīng)開展了一些船模的縮比模型電磁兼容性測試。本文立足于工程，從理論到實(shí)踐，系統(tǒng)地闡述和總結(jié)艦船縮比模型電磁兼容性試驗(yàn)的全過程，并提出合理的建議。

1 艦船縮比原理模型

縮比原理闡述了具有不同物理尺度但保持相同電尺寸的兩個(gè)輻射-散射問題中場分布的相似性。

設(shè)頻率為ω，介質(zhì)電特性參數(shù)介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率分別為ε、μ、σ，長度矢量為r，電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度分別為E和H。在原輻射-散射問題中，各參數(shù)用下標(biāo)1表示；在新輻射-散射問題中，各參數(shù)用下標(biāo)2表示。

由麥克斯韋方程，有

當(dāng)由麥克斯韋方程，有

當(dāng)要求兩個(gè)輻射-散射問題中的電磁場相等，即E1= E2H1= H2，由上式可得

因?yàn)閞2=n1r1，可得可得

比較式（1）、（2）、（5）、（6）、（7），必有 n1·n2·n3=1，n1·n2·n4=1。令 n3=n4=1，則有 n1=1/n2。

因此，在一般的輻射-散射問題中，若能保持介質(zhì)電特性參數(shù) 、μ不隨頻率ω變化，當(dāng)頻率提高n倍，物理尺寸只需相應(yīng)縮到原來的1/n（即電尺寸不變），則電磁場分布仍維持不變。［3-4］

在實(shí)際輻射-散射問題中，若在介質(zhì)里σ = 0，金屬結(jié)構(gòu)中σ=∞，則 可視為不隨頻率變化。這時(shí)，縮比模型中的輻射方向圖以及天線輸入阻抗和真實(shí)尺寸下的方向和天線輸入阻抗非常接近。

當(dāng)介質(zhì)為有耗（即σ≠0），或者天線饋線中金屬導(dǎo)體的σ≠∞時(shí)，若在頻率增大n倍時(shí)仍保持 不變，則σ也應(yīng)該增大n倍，即σ2= nσ1。然而，一般情況下這是難以實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)，場的縮比原理不成立。由于天線中的σ不能視為無窮大，因此利用縮比測量導(dǎo)致的輸入阻抗誤差比方向圖誤差要大一些。［1］

選擇艦船原尺寸問題和艦船縮比尺寸問題均在空氣中，兩種問題中的天線均采用相同的電磁單位，模型各線性尺寸取同一縮尺比n。根據(jù)縮比原理，可以得到原尺寸與縮比尺寸的模擬參數(shù)關(guān)系，具體參見表1。

表1 原尺寸與縮比尺寸問題的參數(shù)關(guān)系

2 艦船縮比模型

2.1 艦船模型

選定船模縮比為n，按照縮比要求和模型制作技術(shù)要求，根據(jù)實(shí)船的三維 CAD圖及天線布置圖可確定船模的外形圖和船模天線布置位置，以便船模制作和使用。船模若采用全金屬制作會(huì)使船模很重；因此可采用銅板、部分木頭支撐外加銅皮覆蓋來制作。為使船模制作的誤差盡可能小，要求船模表面光滑，不能凹凸不平；表面不能涂非金屬材料；模型上各處焊接要牢固，各連接處保證光滑。

2.2 天線模型

根據(jù)縮比原理，天線的尺寸縮小為1/n時(shí)，為保持兩種天線的輻射特性相同，模型天線的工作頻率為nf，電導(dǎo)率為nσ。只要測試儀器的工作范圍能達(dá)到，采用nf的測量頻率是可行的。制作天線一般采用良導(dǎo)體，電導(dǎo)率較大，故nσ的要求較難實(shí)現(xiàn)。鑒于天線輻射的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于損耗，因此電導(dǎo)率達(dá)不到nσ的影響可以視為較小。目前，模型天線的制作材料通常選用電導(dǎo)率高的銅或鍍銀。［5］

天線與艦船要按照實(shí)船位置和情況真實(shí)連接，工藝良好，以減少損耗和反射，保證良好的天線阻抗和駐波比。

3 船模電磁兼容性測試

3.1 測試場地和儀器

由于船模較大，一般選擇在開闊場中進(jìn)行測量，其環(huán)境噪聲電平應(yīng)至少低于最小接收信號(hào)6 dB。如果某些頻點(diǎn)達(dá)不到這一環(huán)境電平要求，在選擇模型測試頻率時(shí)應(yīng)避開這些頻點(diǎn)。露天測試要在較好的天氣進(jìn)行，風(fēng)力不大于三級(jí)，以避免天線搖晃影響收發(fā)天線相對(duì)位置和測量的準(zhǔn)確性。

測試設(shè)備和儀表的技術(shù)性能和指標(biāo)應(yīng)滿足測試頻率和功率以及試驗(yàn)方法的要求，并在有效的計(jì)量日期內(nèi)。

3.2 測試前準(zhǔn)備

在開闊場進(jìn)行船模試驗(yàn)前，要將模型固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，可采用多點(diǎn)焊接接地，保證較小的接地電阻。天線通過低損耗電纜與儀器連接，電纜在模型殼體內(nèi)和導(dǎo)電地板下走線，以減少對(duì)測試環(huán)境的影響。

用測量接收機(jī)對(duì)開闊場的電磁環(huán)境進(jìn)行測試，確保干凈的測試環(huán)境。

測試前，根據(jù)縮比值n將天線原工作頻率范圍和發(fā)射功率轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工作頻率范圍和發(fā)射功率，即模型天線所用頻率為原天線工作頻率的n倍，發(fā)射功率為P/n2。

用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)被測天線在其頻率覆蓋范圍內(nèi)測量電壓駐波比和輸入阻抗。測試之前須將天線端口連接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的所有饋線進(jìn)行歸零設(shè)置。在天線工作波段的高、中、低三個(gè)頻段，各選擇阻抗匹配好、駐波比小的有代表性的頻點(diǎn)作為模型測試頻率。測試示意圖參見圖1。

圖1 駐波比和輸入阻抗測量

3.3 測 試

3.3.1 方向圖

船模置于轉(zhuǎn)臺(tái)，船模中軸線位于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，船模首部對(duì)準(zhǔn)接收天線的方向規(guī)定為基準(zhǔn)0°，船模與轉(zhuǎn)臺(tái)有良好的電氣搭接。

信號(hào)源、功率計(jì)、功率放大器連接發(fā)射天線，接收天線置于天線遠(yuǎn)場區(qū)，并經(jīng)饋線與測量接收機(jī)連接。如果測量接收機(jī)收到的信號(hào)小于環(huán)境信號(hào)20 dB時(shí)，可以適當(dāng)拉近測試天線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心的距離，或者適當(dāng)提高船模的輸出功率，待符合要求再進(jìn)行方向圖的測試。

當(dāng)發(fā)射天線以某確定發(fā)射頻率和發(fā)射功率發(fā)射時(shí)，使船模轉(zhuǎn)臺(tái)在0° ~ 360°旋轉(zhuǎn)一周，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度間隔（例如2°）測量接收機(jī)采集一次數(shù)據(jù)，最終繪制成該天線的方向圖。測試示意圖參見圖2。

圖2 天線方向圖測試

3.3.2 隔離度

在船模上確定一對(duì)發(fā)射天線和接收天線，將發(fā)射天線與接收天線通過低損耗電纜與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，通過指定天線按選定的發(fā)射頻率和發(fā)射功率發(fā)射，從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到天線間隔離度的值。測試示意圖參見圖3。

圖3 天線隔離度測試

3.3.3 端口電壓

確定船模上要測量的一對(duì)發(fā)射天線和接收天線。發(fā)射天線與信號(hào)源、功率放大器、功率計(jì)連接，接收天線通過低損耗電纜與測量接收機(jī)連接。按選定的發(fā)射頻率和發(fā)射功率，并通過指定天線發(fā)射。通過測量接收機(jī)測量被測接收天線的輸出端功率，經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)換為50Ω負(fù)載的天線端感應(yīng)電壓值。測試示意圖參見下頁圖4。

3.3.4 艦面電場強(qiáng)度

艦船上大功率短波超短波天線進(jìn)行輻射時(shí)，獲取艦面關(guān)注位置的電場場強(qiáng)，測試示意圖參見圖5。根據(jù)要求在船模上標(biāo)定出所有場強(qiáng)測量點(diǎn)的位置。信號(hào)源、功率放大器、功率計(jì)與發(fā)射天線連接，場強(qiáng)探頭經(jīng)光纖電纜與場強(qiáng)儀或電腦連接，并將場強(qiáng)探頭放置在標(biāo)定的測量位置上。發(fā)射天線按選定的發(fā)射頻率和發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)射，通過場強(qiáng)探頭接收，由場強(qiáng)儀或者電腦讀取測量位置在不同頻率上的場強(qiáng)值。通過改變天線及其工作狀態(tài)，改變測量點(diǎn)的位置，獲得需要的艦面場強(qiáng)分布情況。

圖4 天線端口電壓測試

圖5 電場測量

4 測度中應(yīng)注意問題

艦船縮比模型電磁兼容性測試涉及模型制作、場地和測試等三個(gè)主要方面，為確保得到有效準(zhǔn)確的測試結(jié)果，整個(gè)測試過程尤其要注意以下幾點(diǎn)：

（1）選擇合適的縮比值n

縮比值n選擇的值較小，優(yōu)勢是艦船模型尺寸、體積和質(zhì)量都會(huì)減小，容易制造和搬運(yùn)；但會(huì)帶來較高測試頻率，測試儀器需滿足頻率范圍要求；同時(shí)，模型天線較小，發(fā)射功率過低，不利于捕捉測試信號(hào)。因此，要綜合考慮各種因素，權(quán)衡后確定合理的縮比值。

（2）測試頻率點(diǎn)的選擇

模型天線的制作不夠精細(xì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上原型天線，因此不能保證在整個(gè)工作頻段具有一致良好的駐波比。所以，在開展測試前必須在模型天線端口進(jìn)行工作頻段的天線阻抗和駐波比的測量。從測試結(jié)果中，在天線工作波段的高、中、低頻段中選取駐波比接近于1的頻率有代表性的頻點(diǎn)作為測試頻率進(jìn)行后續(xù)測量。

（3）凈功率的考慮

在進(jìn)行艦面場強(qiáng)的測量時(shí)，發(fā)射天線與信號(hào)源、功率放大器連接，天線的實(shí)際發(fā)射功率是可通過功放的前向功率和反向功率以及天線端口連接至功率放大器之間線纜的損耗來計(jì)算，即天線實(shí)發(fā)功率為P實(shí)= P前- P反-線損。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)特別要充分考慮線纜等損耗。

（4）各種誤差的減小

在整個(gè)艦船縮比模型電磁兼容性測試過程中要從各個(gè)方面注意減小誤差，如盡量提高艦船縮比模型和模型天線的制作工藝和精度、對(duì)船模的良好接地、模型天線在船模上的良好電連接、測量誤差的減?。ㄓ绕涫墙鼒鰷y量要盡量減小電場探頭帶來的擾動(dòng)誤差）、降低測量的不確定度等，從而不斷提高測量的精確度。