仵 浩，李潤玲，王 娜，苗 強

(1. 93128部隊，北京 100000；2. 931601部隊，北京 100000；3. 218廠，北京 100176)

航空器中電子設(shè)備越來越多，也越來越復雜，電磁環(huán)境日益惡劣，設(shè)備之間的電磁互擾日益嚴重，影響了電氣、設(shè)備和系統(tǒng)的功能性能，電磁兼容設(shè)計[1-2]顯得尤為重要。各種電氣或電子設(shè)備在電磁環(huán)境復雜的共同空間中，以規(guī)定的安全系數(shù)滿足設(shè)計要求的工作能力，即為電磁兼容性。為了保證產(chǎn)品滿足航空器電磁兼容要求，在設(shè)計之初就開展電磁兼容性設(shè)計，引入電磁兼容設(shè)計約束，但是由于考慮不足和缺乏設(shè)計經(jīng)驗，往往在試驗驗證時暴露出相應的設(shè)計缺陷。本文以某型備份顯示系統(tǒng)的試驗問題，從結(jié)構(gòu)、接地、振蕩源、電纜方面開展電磁兼容性分析，找到問題的癥結(jié)。

1 EMC試驗中常用理論及處理方法

1.1 電磁干擾三要素

1)干擾源[3]：產(chǎn)生電磁干擾的任何器件、設(shè)備或自然現(xiàn)象，如雷電、電路板上的高頻時鐘、開關(guān)電源的開關(guān)頻率等。

2)耦合路徑：能夠?qū)⒏蓴_源產(chǎn)生的干擾能量傳遞到敏感源的路徑。干擾的耦合路徑通常分為傳導耦合及輻射耦合。傳導耦合即通過導線傳輸帶來的耦合干擾，主要通過共阻抗耦合和地環(huán)路耦合方式產(chǎn)生干擾；輻射耦合即通過空間傳播產(chǎn)生的干擾。

3)敏感設(shè)備：受電磁干擾影響的電路或設(shè)備弱電信號中的放大器、A/D變換器敏感元件，數(shù)字電路中的高速時鐘線、控制線和地址數(shù)據(jù)線等均是敏感器件。

1.2 常用處理方法

為了實現(xiàn)電磁兼容，必須從上述3個要素出發(fā)，確定電磁干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備，采取對干擾源屏蔽、濾波的方法，切斷、濾除或減小干擾源干擾幅值，降低敏感設(shè)備對干擾源的響應。

1)屏蔽。

屏蔽[4]就是對2個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應和輻射。屏蔽對于削弱或切斷電場、磁場和電磁輻射3種干擾耦合方式是行之有效的。圖1所示為磁場耦合示意圖[5]，采用高磁導率的磁性材料做屏蔽殼體[6]，利用其磁阻小的特點給干擾磁通提供了一條低阻通路，使得空間磁場集中在屏蔽材料中，從而使敏感器件免受磁場干擾，實現(xiàn)電磁屏蔽。

圖1 磁場屏蔽示意圖

2)接地。

“接地”[7]一般是指電路或系統(tǒng)與“地”之間構(gòu)成低阻抗通路。接地基本目的有2個：一個是信號接地為信號電壓提供一個零電位參考點；另一個是為了安全接地。電磁兼容技術(shù)的接地屬于信號接地，良好的接地是改善電路或系統(tǒng)電磁兼容性能的一種有效而經(jīng)濟的方案。信號接地方式有如下幾種：共用地線串聯(lián)一點接地；獨立地線并聯(lián)一點接地；獨立地線并聯(lián)多點接地；電路系統(tǒng)的組合接地。

3)濾波器。

濾波器[8]的主要功能是將有用信號以外的信號能量進行抑制，可以顯著減弱干擾源和被干擾電路之間的傳導干擾電平，它是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器是由集中參數(shù)的電阻、電感和電容，或分布參數(shù)的電阻、電感和電容構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)。濾波器按頻率特性一般分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器；按濾波機理來分，可分為吸收型濾波器和反射型濾波器；按選用的元件分為有源濾波器和無源濾波器。濾波器按電路一般分為單電容型(C型)、單電感型(L型)、Γ型、反Γ型、T型和π型(見圖2)。

圖2 各種不同類型的濾波器

2 某型備份顯示系統(tǒng)RE102試驗暴露問題

某型備份顯示系統(tǒng)由備份飛行顯示器和捷聯(lián)磁傳感器兩部分構(gòu)成，其中備份飛行顯示器將慣性測量單元、航姿解算單元、動靜壓傳感器組件、大氣解算單元以及LCD顯示及圖形處理單元等模塊集成在一起，同時配備外置捷聯(lián)安裝的磁傳感器，使得整個系統(tǒng)具有解算并顯示飛機的姿態(tài)、航向、指示空速、升降速度和高度等參數(shù)信息。系統(tǒng)內(nèi)部原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部原理框圖

備份顯示系統(tǒng)設(shè)計過程也遵從了相應的電磁兼容性設(shè)計準則，但是在第一次進行RE102試驗驗證時，在3M～30M之間超出的點多且超出的量值比較大，最大點接近20 dB，RE102試驗未能通過。第一次RE102試驗圖譜如圖4所示。

圖4 第一次RE102試驗圖譜

3 電磁兼容試驗的故障排查與設(shè)計改進

由于捷聯(lián)磁傳感器是我國電子領(lǐng)域中常用的成熟顯示元件，能夠獨立通過電磁兼容試驗，較好地滿足抗電磁干擾的三要素需求，因此無需考慮捷聯(lián)磁傳感器本身的電磁干擾問題，而是從備份飛行顯示器的系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計上進行創(chuàng)新與改進，使其滿足航空器電子產(chǎn)品電磁兼容性要求。

3.1 備份飛行顯示器EMC故障排查

針對RE102試驗中暴露的問題，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部振蕩源、接地情況、電纜狀態(tài)等4個方面進行備份飛行顯示系統(tǒng)的EMC故障排查。

1)備份飛行顯示器結(jié)構(gòu)分析。

理想的屏蔽結(jié)構(gòu)是無縫隙、無孔洞、無滲透的金屬結(jié)構(gòu)體[9]。備份飛行顯示器結(jié)構(gòu)如圖5所示，從圖5中可以看出，備份飛行顯示器螺釘接合的地方有4處：導光板與外殼、外殼與后蓋、外殼與散熱器、產(chǎn)品插座與后蓋。從輻射理論考慮，在機箱的接縫處往往會導致屏蔽體上形成不連續(xù)的導電點，易產(chǎn)生電磁泄漏，應在接縫處選擇適當?shù)钠帘尾牧蟻矶驴p。而且由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，為了減小體積，電路板之間采用了飛線連接，增加了導線與導線之間的場耦合。

圖5 備份飛行顯示器結(jié)構(gòu)圖

2)備份飛行顯示器內(nèi)部振蕩源的查找。

電源組件：開關(guān)電源模塊，開關(guān)頻率約為300～500 kHz；航姿解算板組件：單工RS422接口波特率分別為19 200和38 400 bps，雙工RS422接口波特率分別為115 200和19 200 bps，雙工ARINC429總線波特率為100 kHz，晶振3.686 4 MHz；大氣圖形板組件：RS422雙工接口波特率為19 200 bps，晶振10 MHz；D/S板組件：RS422雙工接口波特率為115 200 bps，晶振22.118 4 MHz；大氣傳感器組件：TTL方波，頻率范圍為30～45 kHz；慣性測量單元：RS422接口波特率為38 400 bps。對比產(chǎn)品內(nèi)部振蕩源頻率和RE102試驗圖譜，航姿解算板組件、大氣圖形板組件中的晶振頻率為3～30 MHz，符合故障頻段。

3)備份飛行顯示器接地分析。

航姿解算板、大氣圖形板、DS轉(zhuǎn)換板都有獨立的數(shù)字地和模擬地，且各電路板上都有二次電源芯片，同時電源的輸入端、輸出端進行了濾波設(shè)計。電路板布局設(shè)計中，依據(jù)電磁兼容性設(shè)計準則，定義了獨立的電源層和地層。

對電源組件中地的設(shè)計進行分析：電源組件主要是為了對輸入28 V電源進行濾波以及電源轉(zhuǎn)換。在電源電路設(shè)計中，考慮到電磁兼容性要求，為了抑制來自電源線上的輻射干擾和傳導干擾，電源濾波器安裝到設(shè)備屏蔽殼體的入口處，即電源濾波器緊靠產(chǎn)品連接器安裝，濾波器殼體與產(chǎn)品殼體良好搭接，使濾波器具有良好的濾波特性，充分發(fā)揮濾波效果，有效抑制了紋波；同時，通過電源濾波器FK9501內(nèi)部的電感隔離機上電源地與產(chǎn)品內(nèi)部電源地，保證外部噪聲無法通過電源線引入到系統(tǒng)內(nèi)部。

但在故障排查檢測時[10]發(fā)現(xiàn)，電源濾波器FK9501的殼地實際上與電源地短接在一起，導致電源濾波器的Y電容(抑制共模干擾的電容)變成了X電容(抑制差模干擾的電容)，從而對于共模干擾無法進行有效濾波，導致RE102試驗中3M～30M之間頻點超出，因此更改電源濾波器FK9501的殼地改接至產(chǎn)品殼地。

4)備份飛行顯示器電纜分析。

從電纜設(shè)計上看，按照一般的設(shè)計思路，電纜插頭均選用屏蔽插頭和屏蔽尾附，導線外層套防波套，防波套與電纜尾附件360°搭接。電纜內(nèi)部導線均選用屏蔽線，其中對于電源線和開關(guān)量選用單股屏蔽線，對于數(shù)字信號線選用雙絞屏蔽線和三絞屏蔽線，整個電纜的屏蔽層和導線的屏蔽層最終與產(chǎn)品殼地相連，即按照正常生產(chǎn)工藝加工的電纜對于電場輻射有良好的抑制作用，自身沒有泄漏點。

3.2 備份飛行顯示器EMC設(shè)計改進

針對備份飛行顯示器的EMC故障點，設(shè)計備份飛行顯示器EMC改進方案，提出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進、振蕩源優(yōu)化、液晶屏優(yōu)化等工藝改進措施。

1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝改進。

產(chǎn)品外殼和后蓋的氧化處理方式為硬鋁陽極氧化，縫隙處采用普通橡膠條密封，導致后蓋與產(chǎn)品外殼接縫處不導電連接，后蓋上濾波插座并沒有與殼地真正連接，同時產(chǎn)品的殼地也沒有真正同大地連接，屬于懸浮狀態(tài)。為了增加產(chǎn)品整體導電的連續(xù)性，達到連續(xù)金屬屏蔽結(jié)構(gòu)體，進行工藝改進。首先，將產(chǎn)品的外殼、后蓋的氧化處理方式變?yōu)閷щ娧趸?；同時在接縫處的端面部位不做噴漆處理，保留導電氧化層的狀態(tài)；然后，將原縫隙處的普通橡膠條或橡膠板更換為導電橡膠條和導電橡膠板，并使用導電膠固化，實現(xiàn)導電連續(xù)性。

2)振蕩源的設(shè)計改進。

產(chǎn)品電路板之間飛線為普通導線，增加了導線與導線之間、導線與晶振電磁場之間的耦合。進行設(shè)計改進：板與板之間的數(shù)字信號線(RS422信號線、ARINC429信號線)均更換為雙絞屏蔽線；根據(jù)4.1.2中分析的產(chǎn)品內(nèi)部振蕩源，晶振的外殼采取接地處理。

3)液晶屏的設(shè)計優(yōu)化。

查找液晶顯示器的手冊，該顯示器能夠通過電磁兼容試驗，但是在試驗室近場探頭掃描卻發(fā)現(xiàn)顯示屏在近場掃描時仍有少量輻射，恰好與RE102圖譜中未通過頻率吻合。進一步優(yōu)化電磁設(shè)計，液晶屏加裝屏蔽玻璃，加裝后進行試驗室近場掃描，屏蔽效果明顯。

4 改進系統(tǒng)的EMC試驗與分析

最后，對改進系統(tǒng)進行電磁兼容試驗與分析，經(jīng)RE102試驗表明，改進后的系統(tǒng)能夠解決3M～30M段輻射量值超高的問題，滿足航空器電子產(chǎn)品電磁兼容性要求。

經(jīng)過上述工藝、設(shè)計改進后，產(chǎn)品進行第二次RE102試驗，原先3M～4M處的輻射量值明顯降低，但6M～30M處的輻射量值沒有很大的改善。第二次RE102試驗圖譜如圖6所示。

圖6 第二次RE102試驗圖譜

從系統(tǒng)角度再次分析，備份顯示系統(tǒng)包含備份飛行顯示器和捷聯(lián)磁傳感器兩部分，而捷聯(lián)磁傳感器為外購產(chǎn)品，該產(chǎn)品已通過電磁兼容試驗，因此，輻射信號仍然是備份飛行顯示器信號或2個設(shè)備之間交聯(lián)鏈路產(chǎn)生；為了驗證備份飛行顯示器液晶屏電磁兼容性，取下屏蔽玻璃，圖譜沒有變化，因此判定電磁泄漏為產(chǎn)品內(nèi)部輻射出來的信號。再次進行干擾源和干擾鏈路分析。

備份飛行顯示器與磁傳感器相交聯(lián)的引線包含8 V電源線和RS422信號線，備份飛行顯示器提供8 V電源信號給捷聯(lián)磁傳感器，電路設(shè)計中未對8 V輸出電源信號進行濾波，而其開關(guān)頻率產(chǎn)生的輻射信號不可忽略；備份飛行顯示器插座上含有RS422信號和ARINC429數(shù)字信號，插座引線均使用普通導線，導線之間容易場耦合。

針對上述分析，系統(tǒng)電路設(shè)計改進：備份飛行顯示器內(nèi)部插座上的RS422信號線、ARINC429信號線從普通導線更換為雙絞屏蔽線；備份飛行顯示器與捷聯(lián)磁傳感器相交聯(lián)的RS422信號線更換為雙絞屏蔽線；在備份飛行顯示器8 V電源信號線的輸出端增加通用電源濾波器。改進完成后再次進行RE102試驗驗證，6M～30M段的輻射量值大幅下降，滿足航空器電子產(chǎn)品電磁兼容性要求。第三次RE102試驗圖譜如圖7所示。

圖7 第三次RE102試驗圖譜

5 結(jié)語

航空飛行器越來越復雜，集成度越來越高，這就帶來電子設(shè)備電磁兼容性的困難。一般情況下，航空電子設(shè)備均會依據(jù)通用電磁兼容性原則進行設(shè)計，并形成電磁兼容設(shè)計方案落實到產(chǎn)品圖樣中，但通常在進行電磁兼容試驗時，還是存在有些試驗不能通過的風險，尤其RE102最不容易通過。

本文針對備份顯示系統(tǒng)在RE102試驗中超標的問題，依據(jù)電磁干擾理論，對設(shè)備內(nèi)部電路、干擾源、結(jié)構(gòu)、設(shè)備之間交聯(lián)系統(tǒng)分析查找干擾源和干擾鏈路，采用工程方法對產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計加以改進，最終使得產(chǎn)品通過RE102項試驗。電磁兼容是一門理論結(jié)合實際的學科，它不僅有豐富的理論知識，同時更需要實際的工程實踐，在產(chǎn)品設(shè)計過程中引入電磁兼容設(shè)計的要求，在試驗階段輔以相應的檢測手段進行定位，快速實現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計。