發動機尾焰微波衰減測試方法研究

曹 月 孫小續

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

發動機的尾焰會對電磁波信號的幅值造成衰減，也會使其相位發生變化，這是由于發動機的推進劑在燃燒時，會產生溫度高，流速快的尾焰，尾焰羽流由高濃度帶電離子、中性粒子、自由電子等組成，形成不均勻等離子體。當電磁波信號穿過尾焰時，該混合體對信號產生吸收、反射及散射等作用，從而造成信號的衰減。此外，微波衰減的大小受通過尾焰的路徑長度和角度的影響，與發動機結構、推進劑組分等有關。為了探索發動機尾焰對微波的衰減效應，國內外很多研究機構都開展了測試方法研究。

2 發動機尾焰微波衰減測試系統設計

發動機尾焰微波衰減測試是在自由空間進行試驗，目的是探究發動機尾焰對微波傳輸的影響，分析尾焰微波衰減特性。在進行總體方案設計時，為保證微波衰減測試方法合理、可行，需要考慮到發動機試驗場地的環境條件及發動機相關參數，采取相應措施減小試車臺環境對尾焰衰減測試的影響，使測試方式盡量匹配發動機在實際運行過程中，微波穿過發動機尾焰的情況。確定測試方案后對所需測試設備進行設計和研制，并編寫用于測試數據處理的算法軟件，最后進行發動機尾焰微波衰減測試的現場試驗，總結分析測試數據，得出試驗報告，總體研究路線如圖1所示。

圖1 發動機尾焰微波衰減測試系統研究路線框圖Fig.1 Research roadmap of microwave attenuation measurement system of motor plume

3 發動機尾焰微波衰減測試原理

微波衰減通常有直接測量和間接測量兩種方式，間接測量即對尾焰各組分的濃度，電子碰撞頻率等進行檢測，然后采用相關算法模型計算得出在不同傳輸頻率下尾焰對微波的衰減特性，但是此種測量方式在工程應用中技術難度相當大，很難實現，所以在實際測試中，一般采用直接測量法，即利用微波收發天線，對穿過發動機尾焰的微波進行測量。

目前應用較為廣泛的微波衰減測量方法主要有高頻替代法、中頻替代法、調制副載波法、功率比法、阻抗法、自校準法和掃頻法等，其中前4種方法都屬于替代法，替代法是應用最為廣泛的微波衰減測量方法。

對于發動機尾焰微波衰減的測量一般采用功率比法。測量的原理為：在發動機尾焰的一邊利用微波發射天線來發射電磁波，在另一邊利用微波接收天線來接收電磁波，根據發動機有無尾焰時所接收到的不同大小的微波信號，計算出衰減量值。測試時，假設無尾焰情況下，即發動機點火前，接收端接收到的微波功率為

P

(線性值)，發動機點火后，接收端接收到的微波功率為

P

(線性值)，則微波衰減值

A

如式(1)

(1)

4 尾焰微波衰減試驗現場布局

在進行微波衰減測試現場布局時，要依據發動機試車現場實際環境，例如發動機試車臺離地面的距離、環境溫度的變化等，還需要考慮發動機的各項相關參數，包括噴管擺角、噴管膨脹比、推進劑配方等，此外，尾焰溫度分布、天線能夠承受的最高溫度、接收設備的測試動態等都是方案設計時需要考慮到的問題。為了保證發動機尾焰微波衰減測試系統的穩定可靠，往往需要根據測試需求及現場環境來構建不同的測試系統布局，以達到更好的測試效果。

發動機尾焰微波衰減測試系統主要由收發透鏡天線、測試線纜、發射及接收模塊、控制與數據處理模塊組成，其中，發射模塊包括點頻固態源、數控衰減器、微波開關三部分，接收模塊包括接收前端和多路中頻接收機，控制與數據處理模塊包括計算機、控制軟件和數據處理軟件。為了更加全面的反映出尾焰對微波的衰減特性，設計了直射和斜射兩種測試方式，測試系統組成如圖2所示。

圖2 發動機尾焰微波衰減測試系統組成示意圖Fig.2 Microwave attenuation measurement system of motor plume

根據測試需求，由于試車臺離地面較近，對信號會有反射，為了減小入射到地面的信號，天線選擇了聚焦的透鏡天線。測試頻點選取為C波段，測試天線共4對，每對收發天線以尾焰軸線為中心，組成四個測試通道CH1，CH2，CH3和CH4，其中CH1，CH2，CH4三個通道為直穿，CH3采取斜穿方式，斜穿角度為45°。

發射模塊由點頻固態信號源、標準數控衰減器、微波開關等組成。信號源采用工業級的點頻固態信號源，微波功率穩定度優于0.2dB，頻率準確度優于5×10。標準數控衰減器選用溫度補償衰減器，可以在-40°C～+70°C溫度范圍內自動補償，使不確定度控制在0.5dB之內。微波開關為單刀四擲開關，將信號源分為4路，按一定順序切換。測試過程中，若4個測試點同時發射電磁波，由于場地復雜，天線旁瓣的反射，使幾個通道相互影響，進而增加測試誤差，為了減少各通道的相互影響，測試系統采用分時測量方式，用微波高速開關將發射信號輪流切換到四個通道，既起到了通道隔離作用，又對信號進行了脈沖調制。

接收設備包括接收天線，接收前端及中頻接收機。其中，接收前端由低噪放大器、混頻器、本振、濾波器、放大器組成，主要實現對接收到的微波信號進行放大、變頻和中頻放大。中頻接收機對接收前端輸出的中頻信號進行調理，并對調理后的中頻信號進行檢波放大，將中頻信號檢波成直流信號，直流信號電壓與中頻信號功率成線性關系。直流電壓供AD采樣，大幅度降低AD采樣要求，并降低功率測量誤差。控制計算機是本系統的主控制器，用于發送控制指令和存儲數據。

測試現場的環境一般比較惡劣，有很多的干擾因素，如高溫、強烈的機械振動、聲振、氣浪沖擊及電磁干擾，因此必須對尾焰微波衰減測試系統進行合理構建。在設計中可以采取將測試設備與發射/接收端進行物理隔離的方式，來避免現場環境對測試設備的影響。天線架結構及測試設備需要進行抗振設計，避免發動機點燃后產生共振，影響其正常工作。在電源部分加抗干擾濾波器，在電路設計中增加抗干擾和抗輻射設計。計算機采用便攜式軍用工控機，保證在惡劣的測試環境下仍能正常工作。現場布局示意圖如圖3所示。

5 尾焰微波衰減測試系統定標技術

通常情況下，發動機尾焰衰減測試現場的工作環境較為復雜，為了保證測試系統的發射/接收系統、控制與數據處理系統正常工作，減小設備、環境及人為等因素對試驗結果造成影響，對整個測試系統在空間中進行定標是十分必要的。除此之外，各分系統的技術指標也會影響整體的試驗結果，故在對整個測試系統定標前，要對各路測試系統進行現場校準，消除溫度、反射、空間傳輸等影響。

圖3 發動機尾焰微波衰減測試系統現場布局圖Fig.3 Site layout of microwave attenuation measurement system of motor plume

在研究定標方法時，需結合現場實驗條件合理布局。發動機尾焰衰減測試系統定標裝置主要由空間衰減器、多波段尾焰衰減參考系統等組成，定標原理如圖4所示。

圖4 發動機尾焰微波衰減測試系統定標原理圖Fig.4 The calibration principle of microwave attenuation measurement system of motor plume

圖4中，空間衰減器由一組平行的細金屬絲構成，對極化方向與其線柵方向平行的電磁波全反射，對極化方向與其線柵方向垂直的微波全透射，精確控制其旋轉角度，就可控制微波衰減量。

在進行測試系統定標前，首先要通過衰減器旋轉控制臺改變空間衰減器的衰減值，利用多波段尾焰衰減參考系統對空間衰減器進行現場定標。空間衰減器理論上僅僅與自身的旋轉角度相關，通過測量角度可以精確計算衰減器的衰減值，但對于微波衰減動態范圍達到50dB的發動機，一級微波衰減器不能滿足定標需求，通常需要2～3級串聯，串聯后的衰減值與理論值通常有比較大的差距，衰減值應充分考慮微波傳輸信號散射的特性，以及微波衰減器初始的旋轉角度，為保證測試系統的定標數據準確，所以需要先對串聯后的微波衰減器進行定標。

空間衰減器定標完成后，用尾焰微波衰減測試系統對同一個空間衰減器進行測試。通過對比空間衰減器相同刻度下參考系統和測量系統的衰減測量結果，對被測系統的測量結果進行修正，實現被測系統的定標。空間衰減器的直徑可依據尾焰外形尺寸來進行設計，尾焰外形尺寸可由紅外熱像儀來獲得，研制不同直徑的空間衰減器，即可實現不同型號、不同測量位置的現場定標。經試驗驗證，應用此種定標方法得到校準結果的不確定度可信度較高。

6 尾焰微波衰減試驗驗證結果

6.1 測量設備不確定度分析

經過對整個測試系統的分析，測量設備不確定度包括環境反射影響、標準衰減器、衰減內插擬合、通道帶內不平坦度、數據采集、發射系統穩定性引入的六項不確定度分量。

1)反射信號引入不確定度：在測試衰減時信號繞射和反射影響由天線的方向性和環境反射決定，透鏡天線旁瓣抑制優于20dB，發射和接收天線副瓣為0.01×0.01，地面漫反射約為0.05，該分量需要對不同的衰減量測量分別評定，見表1。當衰減值小于30dB時，可以忽略該項不確定度，45dB衰減時，不確定度為

u

=0

.

43dB

表1 不同的衰減量時該項影響引入的不確定度分量值Tab.1 Uncertainty at different attenuation衰減值(dB)相對值引入的誤差(dB)引入不確定度(dB)-100.10.00020.00013-200.010.00220.0013-300.0010.0220.013-350.000320.0690.040-400.00010.220.13-450.0000320.750.43-500.000013.011.74

3)內插擬合引入不確定度：衰減校準表是按0.5dB步進測試，其它點是根據擬合曲線內插計算，其引入的不確定度為

u

=0

.

3dB

4)帶內不平坦度引入不確定度：在系統預熱30min以后，頻率在30min之內變化小于2MHz，接收前端帶內不平坦是主要不確定度來源，根據接收通道的指標可得

u

=0

.

2dB

5)AD變換器引入不確定度：系統中數模轉化的位數為14位，電壓量程為(0～5)V，量化誤差取5mV，根據系統的對數放大器和運算放大器可知其斜率為47mV/dB，因此數據采集引入的不確定度為

u

=0

.

1dB

測試數據的不確定度為以上6項不確定度分量的合成，經計算得到合成不確定度為

認為合成不確定度按正態分布，置信概率為95%時，取擴展因子

k

=2，進一步計算得到擴展不確定度為

U

=0

.

7dB×2=1

.

4dB(

k

=2)

6.2 測試結果

依據測試方案構建出發動機尾焰微波衰減測試系統，并對搭建好的測試系統在空間中進行定標，定標后進行微波衰減現場測試。為了探索斜穿時尾焰微波衰減的變化規律，首先進行了常溫狀態下，4個測試通道均為直穿的尾焰微波衰減測試，測試結果如圖5所示。

圖5 測試通道均為直穿時微波衰減測試結果圖Fig.5 Experimental results of microwave attenuation when measurement channel is straight

由圖5可以看出，4個通道的微波衰減量相對穩定；在(5～18)s的穩定狀態下，各個通道的微波衰減平均值分別為24dB，30dB，32dB，8dB，與其它通道相比，第四通道的微波衰減相對較小，測試結果與預期基本相符。

直穿測試完成后，進行了常溫狀態下，CH1，CH2，CH4三個通道為直穿，CH3通道為斜穿，斜穿角度為45°的尾焰微波衰減測試，測試結果如圖6所示。

圖6 CH3通道為斜穿時微波衰減測試結果圖Fig.6 Experimental results of microwave attenuation when measurement channel of CH3 is diagonal

通過圖5和圖6的對比可以看出，第二次的測試結果較第一次小，在(6～9)s穩定區間內，測試結果平均相差3.6dB，經過分析，可能是由于現場環境的變化及發動機狀態變化所引起的衰減測量值的不同。

第二通道的測試面與第三通道測試面距發動機噴口距離較為相近，將第三通道即斜穿狀態下測得的微波衰減值與第二通道的直穿測試衰減值進行差值處理，如圖7所示。在(6.5～10)s時間內衰減測試差值最大為4.12dB，平均值相差1.45dB。從測試結果來看，由于第三通道微波信號穿過尾焰的路徑較長，而且尾焰溫度和電子密度分布不均勻，中間溫度較高，外部溫度較低，逐層變化，導致微波信號受到多次反射，因此斜穿通道微波衰減的測試結果比直穿通道大，測試結果與預期相符合。

圖7 斜穿與直穿測試結果差值圖Fig.7 The difference between straight and diagonal experimental results

7 結束語

本文對發動機尾焰微波衰減測試方法進行研究，根據發動機參數、試車環境等因素，應用微波收發透鏡天線、數控衰減器、多路中頻接收機、工控計算機等設備建立了尾焰微波衰減測試系統，并研究了發動機尾焰微波衰減測試系統現場定標方案，對測試系統在空間中進行定標，提高了采集數據的有效性及測量準確度。由于間接測量方式難以實現，故采用了直接測量方式，并通過將多組直穿和一組斜穿相結合的測試方式，獲得大量微波衰減測試數據，經過計算機處理，分析得到發動機尾焰對測試電磁波的衰減特性。