0 引　言

气垫船自问世以来，就由于其与排水型船舶相比具有腾空运行的突出特点，受到各国军方的广泛关注。气垫船为完成使命任务，装备了大量的电子、电气设备和大功率发射天线。同时，在垫态航行时气垫船艇体与海水绝缘，电磁兼容性问题特殊。由于国内缺乏气垫船电磁兼容规范，加上气垫船特殊的船体结构，因此，必须开展气垫船电磁兼容性研究，分析气垫船的电磁干扰特点，提出合理的电磁兼容性要求，避免系统、设备出现电磁干扰，导致性能降低，保障气垫船整体效能的发挥。

1 气垫平台电磁兼容性特点

气垫平台具有以下电磁兼容性特点：

1）气垫船上层空间非常有限，安装了大量高功率通信、雷达发射源，天线安装密集，频谱占用宽，电磁干扰问题十分突出。

2）气垫船电磁兼容十分特殊，由于在垫态状态时艇体腾空运行，与海水绝缘，与一般金属舰艇相比，电磁兼容问题差别较大，对气垫船总体电磁兼容工作带来了新的巨大的挑战。

3）气垫船的上层建筑形状复杂，不规则，电磁波在复杂的建筑形状中产生各种反射、散射和绕射，产生的传导和辐射电磁波，使得气垫船的电磁干扰问题更加复杂。

2 天线间隔离度分析

收发无线系统间电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合，要分析气垫船天线收发系统间是否存在干扰，一般通过寻找干扰耦合途径来建立其之间的工作相关性，天线间的传输函数主要影响指标就是天线间隔离度，隔离度用来定量表征天线间的信号耦合大小的程度。常用的平台上天线间隔离度分析计算的方法有理论计算、工程简化公式计算和建模仿真等方法。理论计算和公式法是通过计算和分析推导天线隔离度，此种方法在一定条件下可以满足工程分析要求，但未能充分考虑船平台上层建筑的遮挡、实际负载等因素对计算分析的影响，本文重点采用建模仿真法进行仿真预测分析，并通过实船试验进行验证，开展气垫平台天线间隔离度分析。

2.1 理论公式计算

天线隔离度一般是指发射天线的输出功率与接收天线接收到的输入功率的比值（见图1），通常用符号L表示，见下式^[1]：

$ {{L}} = {\rm{10lg}}\frac{{{{{P}}_{{\rm{out}}}}}}{{{{{P}}_{{\rm{in}}}}}}\text{。} $

(1)

式中：L为隔离度，dB；P_out为发射天线端的净输出功率，W；P_in为接收天线端的净输入功率，W。

不考虑遮挡效应等影响时，全向天线的隔离度可由式（2）计算得出^[2]，此方法预测分析舰船天线间的隔离度可以满足工程上的要求。

$ {\rm{L}} = {\rm{18}}.{\rm{5}} + {\rm{20lg}}{\left( {{{d}}/\lambda } \right)^{\rm{2}}} - {\partial _t} - {\partial _r}{\text{。}} $

(2)

式中：λ为波长，m；d为天线水平间距，m； ${\partial _{{r}}}$ 为接收天线长度系数，dB； ${\partial _{\rm{t}}}$ 为发射天线长度系数，dB。

2.2 仿真预测分析

电磁场计算方法主要有数值方法、高频近似方法和混合方法。本文采用积分方程的数值方法开展建模仿真，将天线建立模型后安放到气垫平台上连同平台一起进行电磁建模仿真，分析气垫平台实际工作状态下的天线间隔离度。

2.2.1 仿真分析方法

建模仿真分析主要分为几何建模、网格剖分和仿真计算等过程。几何建模过程是建立气垫平台、上层建筑和天线等外形尺寸及数据，是电磁仿真计算的基础。电磁剖分过程主要是对几何模型进行网格剖分，由于原始的几何模型并不能满足数值方法的要求，只有形成网格模型，才适合电磁仿真计算。仿真计算过程则是应用合理的仿真算法计算天线隔离度，并通过相关标准要求判断结果的有效性，从而完成仿真分析，仿真预测分析方法流程见图2。

2.2.2 几何建模

进行电磁仿真分析前需对气垫船进行几何建模。气垫船上除了一般船舶所具有的承载船体、船上建筑和各种装备之外，还有围裙和推进风扇等特殊装置。对应积分方程方法的几何建模，主要有线框建模、表面建模和曲面建模等。由于不能完全用四边形面元划分装备曲面，比如类似带有尖锥形的问题。因此，在实际仿真中可以采用曲面结合平面的建模方法，其中采用三角形面元来模拟装备的尖劈表面。气垫平台几何建模方法如下^[3]：

1）船体及围裙。船头部涉及船舷形状参数，形状比较复杂，船头前缘曲线可用三次B样条或NURBS方法生成。船体围裙外壳水平方向不同高度的轮廓曲线，可由三次样条曲线生成。

2）推进风扇。底座和外轮廓可以用圆台、圆柱、多面体组合形成。叶片分段构建，建立截面关键点，将关键点连接成线，然后连接相应的线成面。

3）船上装备。包括雷达、天线、桅杆等的精确造型，可用圆柱、台及多面体生成。

采用建模方法，建立了气垫船模型，高4 m，气垫船裙边的相对介电常数采用尼龙/橡胶的特性。

2.2.3 网格剖分

气垫船模型建模完成后，设置工作频率，对模型进行网格剖分，以1/8λ为三角剖分单元，1/10λ为鞭天线长度剖分单元，对平台及天线进行网格剖分，对产生的不连续部位、断层等奇异点，一并处理优化，并重新剖分，建立用于计算的气垫船电磁模型，如图3所示。

天线与面连接结构是非常关键，短波天线在气垫平台上安装时，是典型的线-面连接结构（ru图4），最关键的问题是处理好三角面元与线元的交叉点。对于这样的导体与细导线连接的混合问题，采用求解电场积分方程途径。将气垫平台及天线离散化，气垫平台甲板面剖分为三角面元，天线剖分成线元^[4]。

天线与气垫平台甲板面结构相连，必须处理好线—面连接处的不连续性。同时，必须将线天线与整个平台进行一体化分析，才能准确得出电磁特性。因此，对基于矩量法和Costa基函数实现的线面连接结构有：

$ f_n^J(r) = f_n^{J,W}(r) + \sum\limits_{k = 1}^n {f_n^{J,k}(r)} \text{。} $

(3)

式中：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {f_n^{J,k}(r) = - \frac{1}{{{\alpha _n}}}\frac{{1 - {{(1 - \eta _n^k)}^2}}}{{{{(\rho _n^k)}^2}}}\rho _n^k}\text{，}&{r = T_n^k}\text{，}\\ {f_n^{J,W}(r) = \frac{{r - {r_0}}}{{\left| {{r_0} - {r_1}} \right|}}}\text{，}&{r \in C_n^0}\text{。} \end{array}} \right. $

(4)

式中： ${\alpha _n}$ 表示与连接点相连的三角形在连接点周围所张的角度，这个系数主要是为了与线部分的电流保持连续。以结构的中间部分为例，一般值为 $2{\text{π}}$ 。可以看到，线部分的处理与普通线状结构的处理一样，所不同的是这里只有半个基函数。面部分的散度可以表示为^[5]：

$ \nabla \cdot f_n^{J,k}(r) = \frac{2}{{{\alpha _n}}}\frac{{{{(1 - \eta _n^k)}^2}}}{{{{(\rho _n^k)}^2}}} \text{。} $

(5)

使用这样的形式强调了电流在平面上 $1/\rho $ 的变化特性。

2.2.4 仿真计算

设定重点关注的计算区，设置电平等激励参数，开展仿真计算。对细导线与导体面的混合结构，假设其线元的节点数目为 ${N_W}$ ，三角面元值公共边的个数为 ${N_S}$ ，三角面元与线元的交叉点个数为 ${N_j}$ ，则此结构上的电流分布可展开为^[4]：

$ J(r) = \sum\limits_{n = 1}^{{N_S}} {I_n^s} f_n^s(r) + \sum\limits_{n = 1}^{{N_W}} {I_n^w} f_n^w(r) + \sum\limits_{n = 1}^{{N_j}} {I_n^j} f_n^j(r) \text{。} $

(6)

式中： $f_n^s(r)$ 为三角面元的基函数，可采用RWG基函数； $f_n^w(r)$ 为线元的基函数，可采用三角形屋顶函数； $f_n^j(r)$ 为线元交叉点与面元的基函数。将不同的基函数代入电场积分方程，采用矩量法的求解方法步骤，得到如下矩阵方程：

$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{Z_{ss}}}&{{Z_{s\omega }}}&{{Z_{sj}}} \\ {{Z_{\omega s}}}&{{Z_{\omega \omega }}}&{{Z_{\omega j}}} \\ {{Z_{js}}}&{{Z_{j\omega }}}&{{Z_{jj}}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{I_s}} \\ {{I_\omega }} \\ {{I_j}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{V_s}} \\ {{V_\omega }} \\ {{V_j}} \end{array}} \right]\text{。}$

(7)

式中：阻抗矩阵由不同部分组成，分别表示三角面元及线元的自作用及相互作用。求解矩阵方程，即可获得面电流、线电流及面元和线元之交叉点处电流的展开系数，进而计算出混合结构的近远场。

发射天线工作时对其它天线可能产生干扰。重点对天线TA1和天线TA2工作时，与其它天线间的隔离度进行分析。采用电压源激励给天线馈电，调整发射天线TA1和天线TA2的负载，使其工作在匹配状态，确保电磁能量有效辐射出去。

对大功率发射天线TA1和天线TA2工作时，与其他天线间的隔离度进行仿真分析，不同频率发射和在不同距离上天线间，其规律和结果如图5和图6所示。

2.3 接/不接地影响分析

基于气垫平台实际情况，对平台连接/不连接海平面对天线间隔离度影响进行分析，对模型进行尾部连接海平面处理，上层平面为气垫平台，下层为海平面。上层安装2个天线，调整连接部分宽度，如图7所示。

先计算上下层之间无连接时的隔离度，再计算上下层之间有连接时的隔离度。同时，调整连接部分的宽窄度，分析计算结果的变化。有连接和没有连接时，TA1和TA2 的隔离度结果如图8所示。调整连接部分宽度（1～4 m），TA1和TA2之间的隔离度变化规律与图8基本一致，可见，气垫状态下采取措施将船体连接海面，对天线间隔离度没有明显影响和改善。

3 测试验证

在实际气垫平台工作状态下，对大功率发射天线TA1工作发射时，与其他天线间的隔离度进行实测验证。

3.1 测试验证方法

天线间隔离度的测试验证在实船上进行，采用的测试验证方法是使用船上发射机进行满功率发射，接收天线进行接收，使发射机按额定功率发射，使用通过式功率计来确定发射功率，在接收输入端采用测量接收机或频谱仪进行测试。测试验证方法布置如图9所示。

3.2 结果对比

TA1发射时，各被测天线间隔离度实测与仿真结果比对如图10～图12所示，具有较好的一致性。

4 结　语

开展气垫船全船电磁兼容性分析研究，天线间隔离度分析对电磁兼容研究十分关键。针对气垫船航行时艇体与海水绝缘的特点，研究了气垫平台电磁仿真建模、电磁计算方法和网格剖分尺寸的参数设置等关键问题，通过仿真计算和测试验证，得出了气垫平台上多副天线之间的隔离度数据，分析了气垫状态下船体是否连接海面对天线隔离度的影响。在气垫船总体电磁兼容研制中采用得出的结果和规律，发现可能存在的电磁干扰问题，进而调整天线布局设计方案，采取有针对性的措施进行电磁干扰控制，保证气垫平台上电子电气设备、系统正常兼容工作，为气垫平台总体电磁兼容研制、设计提供技术和数据支撑。