发动机尾焰微波衰减测试方法研究

曹 月 孙小续

(北京无线电计量测试研究所，北京 100039)

1 引 言

发动机的尾焰会对电磁波信号的幅值造成衰减，也会使其相位发生变化，这是由于发动机的推进剂在燃烧时，会产生温度高，流速快的尾焰，尾焰羽流由高浓度带电离子、中性粒子、自由电子等组成，形成不均匀等离子体。当电磁波信号穿过尾焰时，该混合体对信号产生吸收、反射及散射等作用，从而造成信号的衰减。此外，微波衰减的大小受通过尾焰的路径长度和角度的影响，与发动机结构、推进剂组分等有关。为了探索发动机尾焰对微波的衰减效应，国内外很多研究机构都开展了测试方法研究。

2 发动机尾焰微波衰减测试系统设计

发动机尾焰微波衰减测试是在自由空间进行试验，目的是探究发动机尾焰对微波传输的影响，分析尾焰微波衰减特性。在进行总体方案设计时，为保证微波衰减测试方法合理、可行，需要考虑到发动机试验场地的环境条件及发动机相关参数，采取相应措施减小试车台环境对尾焰衰减测试的影响，使测试方式尽量匹配发动机在实际运行过程中，微波穿过发动机尾焰的情况。确定测试方案后对所需测试设备进行设计和研制，并编写用于测试数据处理的算法软件，最后进行发动机尾焰微波衰减测试的现场试验，总结分析测试数据，得出试验报告，总体研究路线如图1所示。

图1 发动机尾焰微波衰减测试系统研究路线框图Fig.1 Research roadmap of microwave attenuation measurement system of motor plume

3 发动机尾焰微波衰减测试原理

微波衰减通常有直接测量和间接测量两种方式，间接测量即对尾焰各组分的浓度，电子碰撞频率等进行检测，然后采用相关算法模型计算得出在不同传输频率下尾焰对微波的衰减特性，但是此种测量方式在工程应用中技术难度相当大，很难实现，所以在实际测试中，一般采用直接测量法，即利用微波收发天线，对穿过发动机尾焰的微波进行测量。

目前应用较为广泛的微波衰减测量方法主要有高频替代法、中频替代法、调制副载波法、功率比法、阻抗法、自校准法和扫频法等，其中前4种方法都属于替代法，替代法是应用最为广泛的微波衰减测量方法。

对于发动机尾焰微波衰减的测量一般采用功率比法。测量的原理为：在发动机尾焰的一边利用微波发射天线来发射电磁波，在另一边利用微波接收天线来接收电磁波，根据发动机有无尾焰时所接收到的不同大小的微波信号，计算出衰减量值。测试时，假设无尾焰情况下，即发动机点火前，接收端接收到的微波功率为

P

(线性值)，发动机点火后，接收端接收到的微波功率为

P

(线性值)，则微波衰减值

A

如式(1)

(1)

4 尾焰微波衰减试验现场布局

在进行微波衰减测试现场布局时，要依据发动机试车现场实际环境，例如发动机试车台离地面的距离、环境温度的变化等，还需要考虑发动机的各项相关参数，包括喷管摆角、喷管膨胀比、推进剂配方等，此外，尾焰温度分布、天线能够承受的最高温度、接收设备的测试动态等都是方案设计时需要考虑到的问题。为了保证发动机尾焰微波衰减测试系统的稳定可靠，往往需要根据测试需求及现场环境来构建不同的测试系统布局，以达到更好的测试效果。

发动机尾焰微波衰减测试系统主要由收发透镜天线、测试线缆、发射及接收模块、控制与数据处理模块组成，其中，发射模块包括点频固态源、数控衰减器、微波开关三部分，接收模块包括接收前端和多路中频接收机，控制与数据处理模块包括计算机、控制软件和数据处理软件。为了更加全面的反映出尾焰对微波的衰减特性，设计了直射和斜射两种测试方式，测试系统组成如图2所示。

图2 发动机尾焰微波衰减测试系统组成示意图Fig.2 Microwave attenuation measurement system of motor plume

根据测试需求，由于试车台离地面较近，对信号会有反射，为了减小入射到地面的信号，天线选择了聚焦的透镜天线。测试频点选取为C波段，测试天线共4对，每对收发天线以尾焰轴线为中心，组成四个测试通道CH1，CH2，CH3和CH4，其中CH1，CH2，CH4三个通道为直穿，CH3采取斜穿方式，斜穿角度为45°。

发射模块由点频固态信号源、标准数控衰减器、微波开关等组成。信号源采用工业级的点频固态信号源，微波功率稳定度优于0.2dB，频率准确度优于5×10。标准数控衰减器选用温度补偿衰减器，可以在-40°C～+70°C温度范围内自动补偿，使不确定度控制在0.5dB之内。微波开关为单刀四掷开关，将信号源分为4路，按一定顺序切换。测试过程中，若4个测试点同时发射电磁波，由于场地复杂，天线旁瓣的反射，使几个通道相互影响，进而增加测试误差，为了减少各通道的相互影响，测试系统采用分时测量方式，用微波高速开关将发射信号轮流切换到四个通道，既起到了通道隔离作用，又对信号进行了脉冲调制。

接收设备包括接收天线，接收前端及中频接收机。其中，接收前端由低噪放大器、混频器、本振、滤波器、放大器组成，主要实现对接收到的微波信号进行放大、变频和中频放大。中频接收机对接收前端输出的中频信号进行调理，并对调理后的中频信号进行检波放大，将中频信号检波成直流信号，直流信号电压与中频信号功率成线性关系。直流电压供AD采样，大幅度降低AD采样要求，并降低功率测量误差。控制计算机是本系统的主控制器，用于发送控制指令和存储数据。

测试现场的环境一般比较恶劣，有很多的干扰因素，如高温、强烈的机械振动、声振、气浪冲击及电磁干扰，因此必须对尾焰微波衰减测试系统进行合理构建。在设计中可以采取将测试设备与发射/接收端进行物理隔离的方式，来避免现场环境对测试设备的影响。天线架结构及测试设备需要进行抗振设计，避免发动机点燃后产生共振，影响其正常工作。在电源部分加抗干扰滤波器，在电路设计中增加抗干扰和抗辐射设计。计算机采用便携式军用工控机，保证在恶劣的测试环境下仍能正常工作。现场布局示意图如图3所示。

5 尾焰微波衰减测试系统定标技术

通常情况下，发动机尾焰衰减测试现场的工作环境较为复杂，为了保证测试系统的发射/接收系统、控制与数据处理系统正常工作，减小设备、环境及人为等因素对试验结果造成影响，对整个测试系统在空间中进行定标是十分必要的。除此之外，各分系统的技术指标也会影响整体的试验结果，故在对整个测试系统定标前，要对各路测试系统进行现场校准，消除温度、反射、空间传输等影响。

图3 发动机尾焰微波衰减测试系统现场布局图Fig.3 Site layout of microwave attenuation measurement system of motor plume

在研究定标方法时，需结合现场实验条件合理布局。发动机尾焰衰减测试系统定标装置主要由空间衰减器、多波段尾焰衰减参考系统等组成，定标原理如图4所示。

图4 发动机尾焰微波衰减测试系统定标原理图Fig.4 The calibration principle of microwave attenuation measurement system of motor plume

图4中，空间衰减器由一组平行的细金属丝构成，对极化方向与其线栅方向平行的电磁波全反射，对极化方向与其线栅方向垂直的微波全透射，精确控制其旋转角度，就可控制微波衰减量。

在进行测试系统定标前，首先要通过衰减器旋转控制台改变空间衰减器的衰减值，利用多波段尾焰衰减参考系统对空间衰减器进行现场定标。空间衰减器理论上仅仅与自身的旋转角度相关，通过测量角度可以精确计算衰减器的衰减值，但对于微波衰减动态范围达到50dB的发动机，一级微波衰减器不能满足定标需求，通常需要2～3级串联，串联后的衰减值与理论值通常有比较大的差距，衰减值应充分考虑微波传输信号散射的特性，以及微波衰减器初始的旋转角度，为保证测试系统的定标数据准确，所以需要先对串联后的微波衰减器进行定标。

空间衰减器定标完成后，用尾焰微波衰减测试系统对同一个空间衰减器进行测试。通过对比空间衰减器相同刻度下参考系统和测量系统的衰减测量结果，对被测系统的测量结果进行修正，实现被测系统的定标。空间衰减器的直径可依据尾焰外形尺寸来进行设计，尾焰外形尺寸可由红外热像仪来获得，研制不同直径的空间衰减器，即可实现不同型号、不同测量位置的现场定标。经试验验证，应用此种定标方法得到校准结果的不确定度可信度较高。

6 尾焰微波衰减试验验证结果

6.1 测量设备不确定度分析

经过对整个测试系统的分析，测量设备不确定度包括环境反射影响、标准衰减器、衰减内插拟合、通道带内不平坦度、数据采集、发射系统稳定性引入的六项不确定度分量。

1)反射信号引入不确定度：在测试衰减时信号绕射和反射影响由天线的方向性和环境反射决定，透镜天线旁瓣抑制优于20dB，发射和接收天线副瓣为0.01×0.01，地面漫反射约为0.05，该分量需要对不同的衰减量测量分别评定，见表1。当衰减值小于30dB时，可以忽略该项不确定度，45dB衰减时，不确定度为

u

=0

.

43dB

表1 不同的衰减量时该项影响引入的不确定度分量值Tab.1 Uncertainty at different attenuation衰减值(dB)相对值引入的误差(dB)引入不确定度(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)内插拟合引入不确定度：衰减校准表是按0.5dB步进测试，其它点是根据拟合曲线内插计算，其引入的不确定度为

u

=0

.

3dB

4)带内不平坦度引入不确定度：在系统预热30min以后，频率在30min之内变化小于2MHz，接收前端带内不平坦是主要不确定度来源，根据接收通道的指标可得

u

=0

.

2dB

5)AD变换器引入不确定度：系统中数模转化的位数为14位，电压量程为(0～5)V，量化误差取5mV，根据系统的对数放大器和运算放大器可知其斜率为47mV/dB，因此数据采集引入的不确定度为

u

=0

.

1dB

测试数据的不确定度为以上6项不确定度分量的合成，经计算得到合成不确定度为

认为合成不确定度按正态分布，置信概率为95%时，取扩展因子

k

=2，进一步计算得到扩展不确定度为

U

=0

.

7dB×2=1

.

4dB(

k

=2)

6.2 测试结果

依据测试方案构建出发动机尾焰微波衰减测试系统，并对搭建好的测试系统在空间中进行定标，定标后进行微波衰减现场测试。为了探索斜穿时尾焰微波衰减的变化规律，首先进行了常温状态下，4个测试通道均为直穿的尾焰微波衰减测试，测试结果如图5所示。

图5 测试通道均为直穿时微波衰减测试结果图Fig.5 Experimental results of microwave attenuation when measurement channel is straight

由图5可以看出，4个通道的微波衰减量相对稳定；在(5～18)s的稳定状态下，各个通道的微波衰减平均值分别为24dB，30dB，32dB，8dB，与其它通道相比，第四通道的微波衰减相对较小，测试结果与预期基本相符。

直穿测试完成后，进行了常温状态下，CH1，CH2，CH4三个通道为直穿，CH3通道为斜穿，斜穿角度为45°的尾焰微波衰减测试，测试结果如图6所示。

图6 CH3通道为斜穿时微波衰减测试结果图Fig.6 Experimental results of microwave attenuation when measurement channel of CH3 is diagonal

通过图5和图6的对比可以看出，第二次的测试结果较第一次小，在(6～9)s稳定区间内，测试结果平均相差3.6dB，经过分析，可能是由于现场环境的变化及发动机状态变化所引起的衰减测量值的不同。

第二通道的测试面与第三通道测试面距发动机喷口距离较为相近，将第三通道即斜穿状态下测得的微波衰减值与第二通道的直穿测试衰减值进行差值处理，如图7所示。在(6.5～10)s时间内衰减测试差值最大为4.12dB，平均值相差1.45dB。从测试结果来看，由于第三通道微波信号穿过尾焰的路径较长，而且尾焰温度和电子密度分布不均匀，中间温度较高，外部温度较低，逐层变化，导致微波信号受到多次反射，因此斜穿通道微波衰减的测试结果比直穿通道大，测试结果与预期相符合。

图7 斜穿与直穿测试结果差值图Fig.7 The difference between straight and diagonal experimental results

7 结束语

本文对发动机尾焰微波衰减测试方法进行研究，根据发动机参数、试车环境等因素，应用微波收发透镜天线、数控衰减器、多路中频接收机、工控计算机等设备建立了尾焰微波衰减测试系统，并研究了发动机尾焰微波衰减测试系统现场定标方案，对测试系统在空间中进行定标，提高了采集数据的有效性及测量准确度。由于间接测量方式难以实现，故采用了直接测量方式，并通过将多组直穿和一组斜穿相结合的测试方式，获得大量微波衰减测试数据，经过计算机处理，分析得到发动机尾焰对测试电磁波的衰减特性。