舰船缩比模型电磁兼容性测试

蔡明娟 陆佳骏 万海军

（1.海军研究院 上海 200235；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

电磁兼容性是舰船良好性能的一个重要方面。在舰船的论证设计初期，必须充分考虑其电磁兼容性设计，并通过验证来掌握电磁兼容情况，才能保证实船的良好电磁兼容性能。电磁场理论的缩比原理为舰船的缩比模型电磁兼容性测试提供了理论基础，因此，采用舰船的缩比模型电磁兼容性测试是把握舰船论证设计期电磁兼容性的一个有效方法。［1-2］

目前在舰船的论证设计期已经开展了一些船模的缩比模型电磁兼容性测试。本文立足于工程，从理论到实践，系统地阐述和总结舰船缩比模型电磁兼容性试验的全过程，并提出合理的建议。

1 舰船缩比原理模型

缩比原理阐述了具有不同物理尺度但保持相同电尺寸的两个辐射-散射问题中场分布的相似性。

设频率为ω，介质电特性参数介电常数、磁导率和电导率分别为ε、μ、σ，长度矢量为r，电场强度和磁场强度分别为E和H。在原辐射-散射问题中，各参数用下标1表示；在新辐射-散射问题中，各参数用下标2表示。

由麦克斯韦方程，有

当由麦克斯韦方程，有

当要求两个辐射-散射问题中的电磁场相等，即E1= E2H1= H2，由上式可得

因为r2=n1r1，可得可得

比较式（1）、（2）、（5）、（6）、（7），必有 n1·n2·n3=1，n1·n2·n4=1。令 n3=n4=1，则有 n1=1/n2。

因此，在一般的辐射-散射问题中，若能保持介质电特性参数 、μ不随频率ω变化，当频率提高n倍，物理尺寸只需相应缩到原来的1/n（即电尺寸不变），则电磁场分布仍维持不变。［3-4］

在实际辐射-散射问题中，若在介质里σ = 0，金属结构中σ=∞，则 可视为不随频率变化。这时，缩比模型中的辐射方向图以及天线输入阻抗和真实尺寸下的方向和天线输入阻抗非常接近。

当介质为有耗（即σ≠0），或者天线馈线中金属导体的σ≠∞时，若在频率增大n倍时仍保持 不变，则σ也应该增大n倍，即σ2= nσ1。然而，一般情况下这是难以实现的，此时，场的缩比原理不成立。由于天线中的σ不能视为无穷大，因此利用缩比测量导致的输入阻抗误差比方向图误差要大一些。［1］

选择舰船原尺寸问题和舰船缩比尺寸问题均在空气中，两种问题中的天线均采用相同的电磁单位，模型各线性尺寸取同一缩尺比n。根据缩比原理，可以得到原尺寸与缩比尺寸的模拟参数关系，具体参见表1。

表1 原尺寸与缩比尺寸问题的参数关系

2 舰船缩比模型

2.1 舰船模型

选定船模缩比为n，按照缩比要求和模型制作技术要求，根据实船的三维 CAD图及天线布置图可确定船模的外形图和船模天线布置位置，以便船模制作和使用。船模若采用全金属制作会使船模很重；因此可采用铜板、部分木头支撑外加铜皮覆盖来制作。为使船模制作的误差尽可能小，要求船模表面光滑，不能凹凸不平；表面不能涂非金属材料；模型上各处焊接要牢固，各连接处保证光滑。

2.2 天线模型

根据缩比原理，天线的尺寸缩小为1/n时，为保持两种天线的辐射特性相同，模型天线的工作频率为nf，电导率为nσ。只要测试仪器的工作范围能达到，采用nf的测量频率是可行的。制作天线一般采用良导体，电导率较大，故nσ的要求较难实现。鉴于天线辐射的能量远远大于损耗，因此电导率达不到nσ的影响可以视为较小。目前，模型天线的制作材料通常选用电导率高的铜或镀银。［5］

天线与舰船要按照实船位置和情况真实连接，工艺良好，以减少损耗和反射，保证良好的天线阻抗和驻波比。

3 船模电磁兼容性测试

3.1 测试场地和仪器

由于船模较大，一般选择在开阔场中进行测量，其环境噪声电平应至少低于最小接收信号6 dB。如果某些频点达不到这一环境电平要求，在选择模型测试频率时应避开这些频点。露天测试要在较好的天气进行，风力不大于三级，以避免天线摇晃影响收发天线相对位置和测量的准确性。

测试设备和仪表的技术性能和指标应满足测试频率和功率以及试验方法的要求，并在有效的计量日期内。

3.2 测试前准备

在开阔场进行船模试验前，要将模型固定在转台上，可采用多点焊接接地，保证较小的接地电阻。天线通过低损耗电缆与仪器连接，电缆在模型壳体内和导电地板下走线，以减少对测试环境的影响。

用测量接收机对开阔场的电磁环境进行测试，确保干净的测试环境。

测试前，根据缩比值n将天线原工作频率范围和发射功率转化为实际的工作频率范围和发射功率，即模型天线所用频率为原天线工作频率的n倍，发射功率为P/n2。

用网络分析仪对被测天线在其频率覆盖范围内测量电压驻波比和输入阻抗。测试之前须将天线端口连接至矢量网络分析仪的所有馈线进行归零设置。在天线工作波段的高、中、低三个频段，各选择阻抗匹配好、驻波比小的有代表性的频点作为模型测试频率。测试示意图参见图1。

图1 驻波比和输入阻抗测量

3.3 测 试

3.3.1 方向图

船模置于转台，船模中轴线位于转台中心，船模首部对准接收天线的方向规定为基准0°，船模与转台有良好的电气搭接。

信号源、功率计、功率放大器连接发射天线，接收天线置于天线远场区，并经馈线与测量接收机连接。如果测量接收机收到的信号小于环境信号20 dB时，可以适当拉近测试天线与转台中心的距离，或者适当提高船模的输出功率，待符合要求再进行方向图的测试。

当发射天线以某确定发射频率和发射功率发射时，使船模转台在0° ~ 360°旋转一周，每转动一个固定角度间隔（例如2°）测量接收机采集一次数据，最终绘制成该天线的方向图。测试示意图参见图2。

图2 天线方向图测试

3.3.2 隔离度

在船模上确定一对发射天线和接收天线，将发射天线与接收天线通过低损耗电缆与矢量网络分析仪连接，通过指定天线按选定的发射频率和发射功率发射，从矢量网络分析仪得到天线间隔离度的值。测试示意图参见图3。

图3 天线隔离度测试

3.3.3 端口电压

确定船模上要测量的一对发射天线和接收天线。发射天线与信号源、功率放大器、功率计连接，接收天线通过低损耗电缆与测量接收机连接。按选定的发射频率和发射功率，并通过指定天线发射。通过测量接收机测量被测接收天线的输出端功率，经过计算，转换为50Ω负载的天线端感应电压值。测试示意图参见下页图4。

3.3.4 舰面电场强度

舰船上大功率短波超短波天线进行辐射时，获取舰面关注位置的电场场强，测试示意图参见图5。根据要求在船模上标定出所有场强测量点的位置。信号源、功率放大器、功率计与发射天线连接，场强探头经光纤电缆与场强仪或电脑连接，并将场强探头放置在标定的测量位置上。发射天线按选定的发射频率和发射功率进行发射，通过场强探头接收，由场强仪或者电脑读取测量位置在不同频率上的场强值。通过改变天线及其工作状态，改变测量点的位置，获得需要的舰面场强分布情况。

图4 天线端口电压测试

图5 电场测量

4 测度中应注意问题

舰船缩比模型电磁兼容性测试涉及模型制作、场地和测试等三个主要方面，为确保得到有效准确的测试结果，整个测试过程尤其要注意以下几点：

（1）选择合适的缩比值n

缩比值n选择的值较小，优势是舰船模型尺寸、体积和质量都会减小，容易制造和搬运；但会带来较高测试频率，测试仪器需满足频率范围要求；同时，模型天线较小，发射功率过低，不利于捕捉测试信号。因此，要综合考虑各种因素，权衡后确定合理的缩比值。

（2）测试频率点的选择

模型天线的制作不够精细，远远比不上原型天线，因此不能保证在整个工作频段具有一致良好的驻波比。所以，在开展测试前必须在模型天线端口进行工作频段的天线阻抗和驻波比的测量。从测试结果中，在天线工作波段的高、中、低频段中选取驻波比接近于1的频率有代表性的频点作为测试频率进行后续测量。

（3）净功率的考虑

在进行舰面场强的测量时，发射天线与信号源、功率放大器连接，天线的实际发射功率是可通过功放的前向功率和反向功率以及天线端口连接至功率放大器之间线缆的损耗来计算，即天线实发功率为P实= P前- P反-线损。在进行数据处理时特别要充分考虑线缆等损耗。

（4）各种误差的减小

在整个舰船缩比模型电磁兼容性测试过程中要从各个方面注意减小误差，如尽量提高舰船缩比模型和模型天线的制作工艺和精度、对船模的良好接地、模型天线在船模上的良好电连接、测量误差的减小（尤其是近场测量要尽量减小电场探头带来的扰动误差）、降低测量的不确定度等，从而不断提高测量的精确度。