白楊 孔維剛 董偉

摘? ?要：AFDX網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際公認(rèn)的運(yùn)輸機(jī)主流機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。AFDX作為航電主干網(wǎng)絡(luò)，連接諸多AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此，這些機(jī)載設(shè)備的電磁兼容問題則顯得尤為重要。文章針對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電磁兼容問題，從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，針對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，分析了時(shí)鐘電路、接口電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)及外圍電纜的電磁兼容影響，提出了實(shí)際的設(shè)計(jì)方法和典型的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：航空電子全雙工交換式以太網(wǎng);電磁兼容;電磁干擾

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）是當(dāng)前國際公認(rèn)的運(yùn)輸機(jī)主流機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。隨著航空電子設(shè)備數(shù)據(jù)處理能力和綜合化程度的發(fā)展，掛接在AFDX網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)載電子設(shè)備數(shù)量日益增多，在飛機(jī)機(jī)艙空間中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁兼容問題。文章分析了電磁兼容問題產(chǎn)生的原因，并分別提出了實(shí)際的設(shè)計(jì)方法。

1? ? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電磁環(huán)境分析

AFDX網(wǎng)絡(luò)通常在飛機(jī)中作為飛機(jī)主干網(wǎng)絡(luò)，為飛機(jī)各分系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廣泛分布于機(jī)載電子設(shè)備中。同時(shí)，機(jī)載設(shè)備工作頻譜分布較為擁擠，AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾極易干擾超短波電臺(tái)，影響飛機(jī)通信。因此，電磁兼容性作為現(xiàn)代航空裝備的重要技術(shù)指標(biāo)之一，必須在AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研制的各個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代和優(yōu)化。

2? ? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電磁兼容分析

2.1? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備干擾源分析

AFDX網(wǎng)絡(luò)的物理層滿足IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前，在飛機(jī)中采用的AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信速率多為100 Mbps。

AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在物理層通信，主要通過物理層PHY芯片的MII/RMII等介質(zhì)獨(dú)立接口與MAC芯片完成數(shù)據(jù)傳輸和交互。MII接口采用4根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)100 Mbsp速率傳輸，而RMII接口則采用2根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)100 Mbsp速率傳輸。因此，AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常采用25 MHz時(shí)鐘或50 MHz時(shí)鐘的晶振來匹配MII接口或RMII接口。而25 MHz，50 MHz以及其倍頻的電磁干擾會(huì)耦合至設(shè)備內(nèi)部電源和信號(hào)中，并通過空間、傳導(dǎo)的方式從設(shè)備外殼、縫隙、接口及線纜向外發(fā)射。

2.2? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要用于飛機(jī)主干網(wǎng)絡(luò)，為滿足機(jī)載應(yīng)力環(huán)境，需要保證其良好的散熱和強(qiáng)度較高的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)需要起到對(duì)電磁干擾的屏蔽和抑制作用。

AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在飛機(jī)中較多的裝備在設(shè)備艙，采用風(fēng)冷散熱，因此設(shè)備殼體多留有通風(fēng)孔，航插連接器信號(hào)集中，有些面板還存在離散量開關(guān)、指示燈等組件;另外，還需要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的減重設(shè)計(jì)，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)各部件之間的縫隙增多，以上因素均會(huì)導(dǎo)致電磁干擾通過這些縫隙產(chǎn)生輻射。

2.3? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備線纜分析

在當(dāng)前飛機(jī)主干網(wǎng)絡(luò)中，AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信線纜仍以四同軸屏蔽線纜為主，光纖為輔，電磁兼容問題主要通過四同軸線纜產(chǎn)生。

四同軸線纜由4根芯線和芯線外部包裹的屏蔽層組成，4根芯線傳輸AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，屏蔽層則實(shí)現(xiàn)電磁防護(hù)，但往往由于屏蔽層處理不當(dāng)，導(dǎo)致其非但未能起到電磁屏蔽作用，還會(huì)形成天線效應(yīng)，從而產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。另外，四同軸線纜往往與電源線纜、離散量相互耦合，導(dǎo)致輻射耦合至其他線纜產(chǎn)生電磁干擾的傳導(dǎo)發(fā)射。

3? ? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)應(yīng)該從電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電纜屏蔽濾波幾方面著手。

3.1? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電路原理設(shè)計(jì)優(yōu)化

AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電路由印刷電路板實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)電路板的合理優(yōu)化能夠有效減少電磁輻射。首先，在印刷電路特別是時(shí)鐘電路中，配置去耦電容，能夠有效減少電磁干擾的影響。其次，合理地設(shè)計(jì)布局電路板各類元器件能夠大大提高其抗干擾能力，減少電磁干擾的影響。最后，走線要避免使用直角布線，盡量加粗電源線與接地線，并采用獨(dú)立的電源層和接地層，減少表面相互間的電磁干擾。

AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口電路通常采用物理層PHY芯片及其相應(yīng)配置電路構(gòu)成，如圖1所示。

為了減小電磁干擾通過AFDX網(wǎng)絡(luò)接口向外輻射，以太網(wǎng)變壓器和連接器之間應(yīng)增加Bob-smith電路，同時(shí)，保證以太網(wǎng)變壓器初級(jí)線圈中間抽頭接地的通道不能過于狹窄，接機(jī)殼地，保證共模泄放路徑的暢通。次級(jí)線圈中間抽頭接地應(yīng)當(dāng)接印制板內(nèi)部的數(shù)字地，保證以太網(wǎng)變壓器兩側(cè)隔離，減少電磁干擾在兩側(cè)的耦合。以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

機(jī)械結(jié)構(gòu)的良好設(shè)計(jì)，能夠在很大程度上阻斷AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部印制板與外界的電磁干擾。

在AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該最大限度地避免通信設(shè)備機(jī)箱上的電不連續(xù)性問題。因此，在機(jī)箱和前面板接觸表面的位置增加一定凹槽，槽內(nèi)增加金屬編織絲網(wǎng)襯墊，金屬編織絲網(wǎng)襯墊中需要帶有導(dǎo)電橡膠芯，保證前面板和箱體緊密接觸。同時(shí)，由于AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在飛機(jī)中較多的裝備在設(shè)備艙，采用風(fēng)冷散熱，因此設(shè)備殼體多留有通風(fēng)孔，為實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，需要在通風(fēng)孔內(nèi)裝配金屬屏蔽絲網(wǎng)[2]。

蓋板的設(shè)計(jì)中采用導(dǎo)電氧化處理的鋁合金板材，保證良好的電連續(xù)接觸，增強(qiáng)電磁屏蔽作用。

機(jī)箱有良好的接地，能夠?qū)﹄姶鸥蓴_信號(hào)形成通常的泄放通路。通過接地能夠保證整個(gè)通信設(shè)備機(jī)箱等電位，最終實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備以及機(jī)箱的電磁兼容。

3.3? AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電纜設(shè)計(jì)優(yōu)化

AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電纜通常分為3類：電源電纜、離散量信號(hào)線纜以及AFDX網(wǎng)絡(luò)通信線纜。

（1）針對(duì)電源電纜，可在電源輸入端增加濾波器，濾波器選取需要根據(jù)供電電源特有頻率以及AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的固有頻率選取，保證輻射能量的最小化。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在電源正負(fù)線中，串接高頻穿心磁珠能夠?qū)?5 MHz，50 MHz及其倍頻耦合在電源線的電磁干擾產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用，可有效解決以太網(wǎng)信號(hào)在電源線上的電磁干擾問題。

（2）離散量信號(hào)則可采用光電耦合器件，將印制板內(nèi)的電磁干擾通過光電子器件隔離在板內(nèi)[3]。

（3）AFDX網(wǎng)絡(luò)通信線纜通常采用四同軸屏蔽線纜，為了達(dá)到良好的屏蔽效果，四同軸的屏蔽層需要從連接器端實(shí)現(xiàn)360°環(huán)接，并且保證通信線纜兩端均能通過AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)良好的接地。

4? ? 結(jié)語

文章從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，分析了AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)鐘、接口電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)及外圍電纜的電磁兼容影響，提出了實(shí)際的設(shè)計(jì)方法和典型的應(yīng)用實(shí)例。相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電磁兼容問題必將得到進(jìn)一步的解決。

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Analysis of electromagnetic interference design method of AFDX network equipment

Bai Yang， Kong Weigang， Dong Wei

（Xian Institute of Aeronautical Computing Technology， AVIC， Xian 710065， China）

Abstract：AFDX is currently internationally recognized as the mainstream airborne network of transport aircraft. AFDX， as the main network of avionics， connects a lot of AFDX network equipment. Therefore， the EMC of these airborne equipment is particularly important. In this paper， based on the actual engineering experience， for AFDX network equipment， analyzes the EMC influence of the clock circuit， interface circuit， mechanical structure and cables. In addition， the practical design method and typical application examples are proposed.

Key words：avionics full duplex switched Ethernet; electromagnetic compatibility; electromagnetic interference