于洋 王悅飛 周福強(qiáng)

(北京飛機(jī)強(qiáng)度研究所,北京 100083)

無人機(jī)測(cè)試系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于洋 王悅飛 周福強(qiáng)

(北京飛機(jī)強(qiáng)度研究所,北京 100083)

飛機(jī)上裝機(jī)的設(shè)備大多伴著電磁能量的轉(zhuǎn)換,尤其無人機(jī)電磁環(huán)境更加復(fù)雜。為獲取飛機(jī)載荷/環(huán)境參數(shù)而加裝的測(cè)試系統(tǒng)處于電磁環(huán)境當(dāng)中,受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文分析了測(cè)試系統(tǒng)電磁兼容不利因素,采用接地、屏蔽、優(yōu)化電纜走線等方式改進(jìn)電磁兼容性。應(yīng)用于某型無人機(jī)飛行測(cè)試中,有效降低電磁干擾的影響,保證了測(cè)試系統(tǒng)和飛機(jī)系統(tǒng)的兼容工作。

電磁兼容 無人機(jī) 測(cè)試系統(tǒng) 接地 屏蔽

1 引言

現(xiàn)代飛機(jī)裝機(jī)設(shè)備繁多,向高頻、高速、高靈敏度、高安裝密度、高集成度、高可靠性方向發(fā)展。系統(tǒng)中采用的電氣及電子設(shè)備數(shù)量大幅增加,電子設(shè)備的頻帶日益加寬,不同設(shè)備的頻率范圍相互重疊,功率逐漸增大,信息傳輸速率提高,靈敏度提高,連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜。對(duì)于無人機(jī)系統(tǒng)包括幾十種電子設(shè)備,它們中有功率巨大的雷達(dá)發(fā)射機(jī)(脈沖功率達(dá)到幾十甚至幾百兆瓦)和短波通信電臺(tái),有靈敏度極高的各種接收機(jī),還有各種既輻射電磁能量又對(duì)干擾靈敏度高的高速數(shù)字電路。它們的發(fā)射、接收、信號(hào)處理與電源分機(jī)都必須安裝在體積狹小的設(shè)備艙內(nèi),占用的頻帶范圍很寬。天線又只能分布在面積和尺寸都受限制的機(jī)身上,它們互相之間的電磁干擾,既有天線之間的耦合,又有機(jī)艙內(nèi)導(dǎo)線間、共用電源、共同的回路以及空間輻射等耦合,電磁環(huán)境極其復(fù)雜。電磁兼容性問題有可能導(dǎo)致飛機(jī)不能正常工作,也有可能削弱部分電子設(shè)備的技術(shù)性能,設(shè)備失靈,測(cè)試數(shù)據(jù)失真,甚至引起嚴(yán)重事故。因此,系統(tǒng)的電磁兼容問題,亦即如何保證所有電子設(shè)備能同時(shí)正常工作,不因相互電磁干擾而降低性能到容限以下是一個(gè)重大而復(fù)雜的問題[1]。

在某型無人機(jī)上加裝綜合測(cè)試系統(tǒng),包括加裝改裝GPS系統(tǒng)、振動(dòng)、過載等傳感器,粘貼應(yīng)變計(jì),敷設(shè)測(cè)試電纜,對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)、載荷、應(yīng)變、振動(dòng)、過載、開關(guān)量等多種信號(hào)進(jìn)行采集記錄,勢(shì)必會(huì)遇到電磁兼容性問題。做好測(cè)試系統(tǒng)的電磁兼容性,保證系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備正常工作,保障系統(tǒng)效能得到充分發(fā)揮,保障實(shí)測(cè)參數(shù)的正確可靠,必須在飛行測(cè)試項(xiàng)目論證設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮,不斷探索,使測(cè)試系統(tǒng)不斷完善完整?！叭绻粋€(gè)設(shè)備或系統(tǒng)在制造(加裝)之前就能對(duì)它的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),改進(jìn)不合理的設(shè)計(jì),進(jìn)行優(yōu)化,遠(yuǎn)比把設(shè)備制造(加裝)出來后發(fā)現(xiàn)問題再加以改進(jìn)經(jīng)濟(jì)得多,安全得多”[2]。因此,必須重視電子設(shè)備改裝時(shí)的電磁兼容問題研究,以保證設(shè)備改裝后能正常工作,通過各種措施,增強(qiáng)設(shè)備或系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力,降低機(jī)上設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的干擾。

本文在分析機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)電磁兼容性模型的基礎(chǔ)上,建立了機(jī)載測(cè)試設(shè)備電磁干擾模型,提出了電磁干擾分層影響,提出接地、屏蔽和優(yōu)化電纜路徑的改進(jìn)方法,應(yīng)用于某無人機(jī)飛行測(cè)試項(xiàng)目中,有效降低了電磁干擾。

圖1 機(jī)上設(shè)備電磁干擾網(wǎng)絡(luò)

2 電磁兼容模型

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指系統(tǒng)、分系統(tǒng)、電路和元器件在指定的工作環(huán)境中能按設(shè)計(jì)要求工作,而不會(huì)因電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)造成失效或不允許的性能惡化的能力[3]。即研究在有限的空間、時(shí)間和頻譜資源下,各種電子設(shè)備或系統(tǒng)可以共存而不致引起降級(jí),不會(huì)因?yàn)閮?nèi)部或彼此間存在的電磁干擾而影響其正常工作的一門科學(xué)。電磁兼容包括電磁干擾和電磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility,EMS)兩方面:(1)任何設(shè)備或系統(tǒng)不得因輻射或傳導(dǎo)產(chǎn)生的電磁干擾而對(duì)其他設(shè)備或系統(tǒng)的工作造成有害的影響;(2)不會(huì)因其他設(shè)備的干擾造成本身工作不正常,即具有抗干擾的能力。

這些參數(shù)中,有些相對(duì)獨(dú)立、不會(huì)受其他設(shè)備、參數(shù)變化的影響;有些則相互關(guān)聯(lián),當(dāng)其它設(shè)備、參數(shù)發(fā)生變化時(shí),該參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,比如當(dāng)天線的安裝位置和角度發(fā)生變化時(shí),天線的輻射特性、功率增益、天線間的極化損耗等參數(shù)均會(huì)發(fā)生變化。通常在測(cè)試系統(tǒng)改裝中,分析遇到的電磁干擾不利因素,有針對(duì)性的選用降低電磁干擾的技術(shù)方法,增強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的電磁兼容性能。

3 機(jī)上測(cè)試系統(tǒng)改裝中的電磁干擾

飛機(jī)改裝是飛機(jī)飛行實(shí)測(cè)的重要環(huán)節(jié),涉及到試驗(yàn)飛機(jī)上加裝的機(jī)載測(cè)試設(shè)備、被測(cè)對(duì)象,以及按照任務(wù)需要對(duì)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)、飛行姿態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓管路、環(huán)控管路、起落架等重要系統(tǒng)的測(cè)試。改裝中加裝的電氣線路或經(jīng)過改裝的原機(jī)線路與試驗(yàn)機(jī)原有電氣線路和系統(tǒng)間存在著復(fù)雜的電氣或電磁交聯(lián),因此,做好電磁兼容防護(hù)在飛機(jī)改裝工作中十分重要[4]。

而無人機(jī)測(cè)試系統(tǒng)改裝中,具有較多電磁干擾的不利因素:

(1)無人機(jī)設(shè)備艙設(shè)備多、安裝密集、可用空間狹小,施工空間開敞性差、限制多,改裝加裝的設(shè)備和電線電纜的布局安裝難度較大。

(2)無人機(jī)上的電氣設(shè)備眾多、用于任務(wù)系統(tǒng)的精密、敏感設(shè)備較多,大功率設(shè)備較多,產(chǎn)生電磁兼容問題的可能性非常嚴(yán)重。

(3)測(cè)試參數(shù)眾多,需要對(duì)載荷、應(yīng)變、數(shù)字量、模擬量、總線信號(hào)等多種信號(hào)采集,測(cè)試系統(tǒng)用電功率大,飛機(jī)改裝面對(duì)的電磁環(huán)境復(fù)雜。

(4)需要對(duì)飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、起落架、操縱舵面等多個(gè)部位進(jìn)行參數(shù)采集測(cè)試,電纜在飛機(jī)上敷設(shè)路徑多,必然臨近機(jī)上其他設(shè)備電纜,電磁兼容問題的定位和排除困難。機(jī)上系統(tǒng)、電纜若距離很近,即使沒有直接連接,沒有互傳導(dǎo)耦合,由于電路間存在的磁感應(yīng)或靜電感應(yīng),也會(huì)產(chǎn)生耦合。機(jī)載設(shè)備的電纜一般都捆扎成束,固定防振,利于維修檢查,必然增強(qiáng)了電纜內(nèi)部導(dǎo)線間的耦合感應(yīng)作用。據(jù)資料報(bào)道機(jī)載設(shè)備中由于電纜引入的干擾占整個(gè)電磁干擾的60%[5]。

(5)飛機(jī)整機(jī)屬于大型復(fù)雜電子系統(tǒng),沒有大型的屏蔽暗室為之配套,測(cè)試系統(tǒng)的改裝也是在飛機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)定型后,在現(xiàn)有飛機(jī)上而不是在飛機(jī)總裝時(shí)進(jìn)行的,無法完整實(shí)現(xiàn)電磁兼容性試驗(yàn),因此多采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方案,保證加改裝測(cè)試系統(tǒng)與機(jī)上成品系統(tǒng)間無干擾,能夠正常兼容工作。

由于電磁兼容分析與設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,以及各種雜散發(fā)射千差萬別,很難控制,因此,對(duì)于電磁兼容技術(shù)來說,其理論計(jì)算結(jié)果更加需要實(shí)際測(cè)量來檢驗(yàn),至今在電磁兼容領(lǐng)域?qū)Υ蠖鄶?shù)情況仍主要依靠測(cè)試來分析、判斷、解決問題。

4 測(cè)試系統(tǒng)消除電磁干擾方案

通常采用的電磁干擾控制技術(shù)有:濾波、吸收與旁路、屏蔽、接地、布局布線、工藝控制、天線配置、頻率管理等,以降低所產(chǎn)生的干擾電平,增加干擾在傳播途徑上的衰減。在無人機(jī)測(cè)試系統(tǒng)改裝中,選用接地、屏蔽和優(yōu)化電纜路徑的方式降低電磁干擾。

4.1 接地

接地是設(shè)備或系統(tǒng)正常工作的基本技術(shù)要求之一,也是電磁兼容性能高低的關(guān)鍵因素。因此,接地是電磁兼容性最重要的改善方法,它具有效果突出,經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn),是較容易實(shí)現(xiàn)但又難于掌握的一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。正確的接地既能抑制干擾的影響,又能抑制設(shè)備向外發(fā)射干擾;反之,錯(cuò)誤的接地反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾,設(shè)置使電子設(shè)備無法正常工作。理想的接地平面必須是一個(gè)零電位、零阻抗的物理實(shí)體,其上各點(diǎn)之間不應(yīng)存在電位差,可以作為系統(tǒng)中所有信號(hào)電平的參考點(diǎn)。

對(duì)接地的基本要求是:(1)接地面應(yīng)是零電位,它作為設(shè)備或系統(tǒng)中所有信號(hào)的公共電位參考點(diǎn)。(2)接地線、接地面應(yīng)采用低阻抗材料制成,并且有足夠的寬度和厚度,接地線應(yīng)盡量短而且足夠粗,接地面的面積應(yīng)足夠大。(3)良好的接地要求應(yīng)盡量減少多路公共接地阻抗上所產(chǎn)生的干擾電壓和電感,同時(shí)還要盡量避免形成不必要的地回路。(4)數(shù)字信號(hào)地與模擬信號(hào)地分開,大電流信號(hào)地與小電流信號(hào)地分開,電源地與信號(hào)地分開。

一般電纜屏蔽層采用單點(diǎn)接地,敏感數(shù)據(jù)線屏蔽層在負(fù)載端接地,高電平信號(hào)線屏蔽層在信號(hào)源端接地,在射頻屏蔽線的兩端以及沿線所有斷開(開口)處都必須一一接地,在射頻頻率高時(shí),必須采用多點(diǎn)接地方式。

4.2 屏蔽

電磁屏蔽是抑制輻射干擾的重要手段,屏蔽設(shè)計(jì)也是電磁兼容性設(shè)計(jì)中重要內(nèi)容之一。屏蔽有兩個(gè)目的,一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄露出該內(nèi)部區(qū)域,二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入某一區(qū)域。

在測(cè)試系統(tǒng)中,在粘貼的應(yīng)變計(jì)上覆蓋一層錫箔紙,可反射電磁波,防止外來輻射干擾影響。應(yīng)變電纜線使用屏蔽絞線,一方面采用導(dǎo)線絞合,減小導(dǎo)線所圍面積,增大兩回路間距離減小電感干擾,另一方面將電纜導(dǎo)線包起來,防止了外部輻射干擾的影響。

測(cè)試系統(tǒng)盒體采用整塊鋁錠一次掏銑成型工藝,而不采用加工鋁板再拼合的工藝加工,去除拼接接縫處容易透過電磁干擾波的隱患。在盒體與盒蓋接縫處,刷一層導(dǎo)電膠,為進(jìn)一步降低干擾能級(jí),在接縫外再粘貼一層鋁箔,通過上述方法,將測(cè)試系統(tǒng)采集器的電磁干擾降到最低。為避免在前面板的縫隙處、插頭孔槽位置透過電磁干擾波,孔槽尺寸與插頭位置嚴(yán)格貼合,也粘貼一層鋁箔過濾電磁干擾波。

機(jī)箱安裝位置遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源,切斷與干擾源導(dǎo)體表面的電力線通道,降低設(shè)備機(jī)箱間耦合電容。將機(jī)箱接地。在機(jī)箱接地栓處打磨出光潔表面,沒有非導(dǎo)電物質(zhì),與接地線緊固連接緊密,防止在飛機(jī)飛行時(shí),受振動(dòng)而松動(dòng),產(chǎn)生接觸電阻。接地線盡量短、粗、直,保證較小的接地電阻和電感。對(duì)接地處采取防潮和防腐蝕的保護(hù)措施。譬如,搭接后涂上環(huán)氧樹脂、填縫劑、密封劑等。

4.3 電纜優(yōu)化

設(shè)備的電纜布線是影響系統(tǒng)電磁兼容性的一個(gè)重要因素。飛機(jī)上的主要電線可分為一次電源線、二次電源線、控制線、低電平敏感線、隔離線、系統(tǒng)布線等。采用系統(tǒng)工程方法、電路技術(shù)方法、設(shè)計(jì)和工藝方法的總和。改善無線電設(shè)備、電子設(shè)備、電氣設(shè)備的性能。降低所產(chǎn)生的干擾電平,增加干擾在傳播途徑上的衰減,降低感受器(敏感體)對(duì)干擾的敏感程度。依靠信息的傳輸與處理方法減小電磁干擾作用。

在無人機(jī)測(cè)試系統(tǒng)安裝部署時(shí),遵從以下原則:(1)無線接收設(shè)備應(yīng)與大功率無線發(fā)射設(shè)備盡可能遠(yuǎn)離;(2)敏感設(shè)備應(yīng)與干擾源設(shè)備盡可能遠(yuǎn)離;(3)設(shè)備間連線必須按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行布設(shè);(4)電源線與信號(hào)線必須交叉時(shí),應(yīng)使其盡可能相互垂直;(5)使用同軸線或絞線代替普通導(dǎo)線;(6)為降低電感,敷設(shè)的電纜貼近機(jī)體。

5 結(jié)語

無人機(jī)由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,設(shè)備眾多、功率較大,對(duì)于飛機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的電磁干擾較大,電磁兼容問題愈加突出。本文分析了測(cè)試系統(tǒng)電磁兼容不利因素,選取采用接地、屏蔽、優(yōu)化電纜走線等方式改進(jìn)電磁兼容性方法,有效降低電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響,保證了測(cè)試系統(tǒng)和飛機(jī)系統(tǒng)的正常兼容工作。

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[5]郭燕.飛機(jī)加載電子裝備時(shí)的電磁兼容分析[J].火控雷達(dá)技術(shù),2005,03:84-87+90.

[6]GJB 1389A-2005,系統(tǒng)電磁兼容要求.

[7]GJB1210-91,接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)的實(shí)施.

[8]GJB 152A-1997,軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量.