艦船縮比模型電磁兼容性測試

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計研究院 上海200011）

引 言

電磁兼容性是艦船良好性能的一個重要方面。在艦船的論證設計初期，必須充分考慮其電磁兼容性設計，并通過驗證來掌握電磁兼容情況，才能保證實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，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計期電磁兼容性的一個有效方法。［1-2］

目前在艦船的論證設計期已經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，從理論到實踐，系統地闡述和總結艦船縮比模型電磁兼容性試驗的全過程，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輻射-散射問題中場分布的相似性。

設頻率為ω，介質電特性參數介電常數、磁導率和電導率分別為ε、μ、σ，長度矢量為r，電場強度和磁場強度分別為E和H。在原輻射-散射問題中，各參數用下標1表示；在新輻射-散射問題中，各參數用下標2表示。

由麥克斯韋方程，有

當由麥克斯韋方程，有

當要求兩個輻射-散射問題中的電磁場相等，即E1= E2H1= H2，由上式可得

因為r2=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，若能保持介質電特性參數 、μ不隨頻率ω變化，當頻率提高n倍，物理尺寸只需相應縮到原來的1/n（即電尺寸不變），則電磁場分布仍維持不變。［3-4］

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

當介質為有耗（即σ≠0），或者天線饋線中金屬導體的σ≠∞時，若在頻率增大n倍時仍保持 不變，則σ也應該增大n倍，即σ2= nσ1。然而，一般情況下這是難以實現的，此時，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。根據縮比原理，可以得到原尺寸與縮比尺寸的模擬參數關系，具體參見表1。

表1 原尺寸與縮比尺寸問題的參數關系

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要求，根據實船的三維 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

根據縮比原理，天線的尺寸縮小為1/n時，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，電導率為nσ。只要測試儀器的工作范圍能達到，采用nf的測量頻率是可行的。制作天線一般采用良導體，電導率較大，故nσ的要求較難實現。鑒于天線輻射的能量遠遠大于損耗，因此電導率達不到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率高的銅或鍍銀。［5］

天線與艦船要按照實船位置和情況真實連接，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行測量，其環境噪聲電平應至少低于最小接收信號6 dB。如果某些頻點達不到這一環境電平要求，在選擇模型測試頻率時應避開這些頻點。露天測試要在較好的天氣進行，風力不大于三級，以避免天線搖晃影響收發天線相對位置和測量的準確性。

測試設備和儀表的技術性能和指標應滿足測試頻率和功率以及試驗方法的要求，并在有效的計量日期內。

3.2 測試前準備

在開闊場進行船模試驗前，要將模型固定在轉臺上，可采用多點焊接接地，保證較小的接地電阻。天線通過低損耗電纜與儀器連接，電纜在模型殼體內和導電地板下走線，以減少對測試環境的影響。

用測量接收機對開闊場的電磁環境進行測試，確保干凈的測試環境。

測試前，根據縮比值n將天線原工作頻率范圍和發射功率轉化為實際的工作頻率范圍和發射功率，即模型天線所用頻率為原天線工作頻率的n倍，發射功率為P/n2。

用網絡分析儀對被測天線在其頻率覆蓋范圍內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絡分析儀的所有饋線進行歸零設置。在天線工作波段的高、中、低三個頻段，各選擇阻抗匹配好、駐波比小的有代表性的頻點作為模型測試頻率。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

船模置于轉臺，船模中軸線位于轉臺中心，船模首部對準接收天線的方向規定為基準0°，船模與轉臺有良好的電氣搭接。

信號源、功率計、功率放大器連接發射天線，接收天線置于天線遠場區，并經饋線與測量接收機連接。如果測量接收機收到的信號小于環境信號20 dB時，可以適當拉近測試天線與轉臺中心的距離，或者適當提高船模的輸出功率，待符合要求再進行方向圖的測試。

當發射天線以某確定發射頻率和發射功率發射時，使船模轉臺在0° ~ 360°旋轉一周，每轉動一個固定角度間隔（例如2°）測量接收機采集一次數據，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

在船模上確定一對發射天線和接收天線，將發射天線與接收天線通過低損耗電纜與矢量網絡分析儀連接，通過指定天線按選定的發射頻率和發射功率發射，從矢量網絡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發射天線和接收天線。發射天線與信號源、功率放大器、功率計連接，接收天線通過低損耗電纜與測量接收機連接。按選定的發射頻率和發射功率，并通過指定天線發射。通過測量接收機測量被測接收天線的輸出端功率，經過計算，轉換為50Ω負載的天線端感應電壓值。測試示意圖參見下頁圖4。

3.3.4 艦面電場強度

艦船上大功率短波超短波天線進行輻射時，獲取艦面關注位置的電場場強，測試示意圖參見圖5。根據要求在船模上標定出所有場強測量點的位置。信號源、功率放大器、功率計與發射天線連接，場強探頭經光纖電纜與場強儀或電腦連接，并將場強探頭放置在標定的測量位置上。發射天線按選定的發射頻率和發射功率進行發射，通過場強探頭接收，由場強儀或者電腦讀取測量位置在不同頻率上的場強值。通過改變天線及其工作狀態，改變測量點的位置，獲得需要的艦面場強分布情況。

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、場地和測試等三個主要方面，為確保得到有效準確的測試結果，整個測試過程尤其要注意以下幾點：

（1）選擇合適的縮比值n

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

（2）測試頻率點的選擇

模型天線的制作不夠精細，遠遠比不上原型天線，因此不能保證在整個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行工作頻段的天線阻抗和駐波比的測量。從測試結果中，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作為測試頻率進行后續測量。

（3）凈功率的考慮

在進行艦面場強的測量時，發射天線與信號源、功率放大器連接，天線的實際發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算，即天線實發功率為P實= P前- P反-線損。在進行數據處理時特別要充分考慮線纜等損耗。

（4）各種誤差的減小

在整個艦船縮比模型電磁兼容性測試過程中要從各個方面注意減小誤差，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、測量誤差的減小（尤其是近場測量要盡量減小電場探頭帶來的擾動誤差）、降低測量的不確定度等，從而不斷提高測量的精確度。