趙明橋 ，林 俊 ，劉仲義 ，賀冠鵬 ，徐 偉 ，周澤仕 ， 余健銘 ，李 惠 ，邱秀鳳 ，黎春茶

（1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，廣東 廣州 510670；2.廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，廣東 河源 517001）

國務(wù)院印發(fā)的《“十四五”推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中提出，加強大中型、智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機械研發(fā)應(yīng)用，農(nóng)作物耕種收綜合機械化率指標(biāo)提高至75%[1]。而植保無人機作為新一代農(nóng)業(yè)機械，具有成本低、效率高、精準(zhǔn)噴灑、不受地形限制等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于播種、撒肥及噴灑農(nóng)藥。植保無人機作為農(nóng)業(yè)機械電子系統(tǒng)設(shè)備，其電磁兼容性尤為重要，課題組主要根據(jù)植保無人機電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)要求，對植保無人機電磁兼容性能缺陷問題進行研究與分析，提出消除缺陷或降低電磁兼容安全風(fēng)險的方法，從而提升植保無人機產(chǎn)品的綜合性能。

1 輻射發(fā)射測試概述

輻射發(fā)射是指在正常工作狀態(tài)下，電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部電路工作和設(shè)備機殼端口向周圍空間發(fā)射的電磁波，測量過程中，被測電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的工作頻段和雜散發(fā)射均應(yīng)被忽略，其單位一般為dBμV/m。輻射發(fā)射試驗主要判定其產(chǎn)生的輻射發(fā)射是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，以至于電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在正常使用過程中在同一電磁環(huán)境下不對其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)造成影響。

輻射發(fā)射測試系統(tǒng)一般由接收天線、射頻電纜、測量接收機、測試軟件以及電波暗室構(gòu)成。通過電波暗室屏蔽外界電磁干擾，提供一個沒有干擾信號的純凈電磁環(huán)境[2]，將被測設(shè)備放置于電波暗室的指定位置，運行測試系統(tǒng)，由測量接收機接收天線接收被測設(shè)備的騷擾信號，最終通過測試軟件呈現(xiàn)騷擾信號數(shù)據(jù)。

輻射發(fā)射的測量方法，可根據(jù)電波暗室尺寸大小分為3米法、5米法及10米法，也可在開闊試驗場進行測試，目前國內(nèi)常用電波暗室3米法進行輻射發(fā)射的測量。

2 植保無人機輻射發(fā)射的測試研究與工作狀態(tài)

2.1 植保無人機輻射發(fā)射測試研究

植保無人機由飛行平臺、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)或播撒系統(tǒng)組成，通過地面控制器與植保無人機建立通訊連接后，控制植保無人機作業(yè)飛行，實現(xiàn)播種、撒肥及噴灑農(nóng)藥等作業(yè)。而飛行平臺是植保無人機各模塊搭載的基礎(chǔ)平臺，為動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、機載設(shè)備提供安裝接口。機身上裝載飛控、數(shù)鏈、RTK模塊、電源分線板、電調(diào)模塊、電機、噴灑模塊等多種設(shè)備，而多種設(shè)備同時工作更容易產(chǎn)生電磁干擾。因此，當(dāng)植保無人機正常作業(yè)飛行時，就可能會產(chǎn)生除工作頻率之外的電磁波，污染外界電磁環(huán)境，進而干擾到電磁環(huán)境中其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作。

因此，檢測植保無人機輻射發(fā)射特性，對植保無人機電磁兼容性能極為重要。植保無人機的工作狀態(tài)和其他電子設(shè)備差異很大，在檢測植保無人機輻射發(fā)射時，應(yīng)考慮植保無人機飛行作業(yè)的特點，選擇合適的工作狀態(tài)，并根據(jù)植保無人機輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)要求進行測量，完成植保無人機輻射發(fā)射項目的檢測研究。

2.2 植保無人機的工作狀態(tài)研究

通過對以往電子產(chǎn)品輻射發(fā)射的測量經(jīng)驗，被測設(shè)備的工作狀態(tài)是影響輻射發(fā)射測量結(jié)果的一個重要因素，而植保無人機作為農(nóng)業(yè)機械，其工作狀態(tài)也極其復(fù)雜。因此，植保無人機輻射發(fā)射測試的工作狀態(tài)也尤為重要。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 3213—2018《植保無人飛機 質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》中植保無人機電磁兼容試驗要求，引用GB/T 9254.1—2021《信息技術(shù)設(shè)備、多媒體設(shè)備和接收機 電磁兼容 第1部分：發(fā)射要求》[3-4]，但NY/T 3213—2018和GB/T 9254.1—2021都未明確植保無人機試驗時的具體工作狀態(tài)，而植保無人機的典型工作狀態(tài)是帶載飛行、噴灑作業(yè)。若無人機在飛行狀態(tài)下進行測量，其飛行狀態(tài)具有一定的不穩(wěn)定性和危險性，容易導(dǎo)致測量誤差大、測量結(jié)果難以復(fù)現(xiàn)且容易損壞無人機、設(shè)備和暗室吸波材料等。故選擇在非飛行狀態(tài)下對植保無人機進行輻射發(fā)射測試。

為了確保植保無人機輻射發(fā)射測量結(jié)果的準(zhǔn)確、穩(wěn)定，植保無人機在進行輻射發(fā)射測量時，其工作狀態(tài)應(yīng)盡可能與實際典型工作狀態(tài)保持一致。通過實驗室反復(fù)研究和試驗發(fā)現(xiàn)，在非飛行狀態(tài)下植保無人機工作在通電、與地面控制器通訊、水泵開啟、前照燈開啟及電機怠速狀態(tài)下模擬植保無人機正常工作，其輻射發(fā)射測量的騷擾信號最大。

試驗（本試驗采用3米法進行測試）在電波暗室中進行，試驗布置如下：將植保無人機放置于0.8 m低電常數(shù)材質(zhì)的試驗桌上，植保無人機布置的中心應(yīng)位于電波暗室轉(zhuǎn)臺的中心，包圍植保無人機布置的一個假想圓周邊界到天線校準(zhǔn)參考點之間的最短水平距離為3 m。對于30 MHz～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)的測量，使用對數(shù)周期天線作為接收天線；對于1 GHz～6 GHz頻率范圍內(nèi)的測量，使用喇叭天線作為接收天線。

3 植保無人機輻射發(fā)射測試與整改

3.1 植保無人機輻射發(fā)射測試

基于上述布置對植保無人機輻射發(fā)射進行測試研究，進行某款（型號為3WWDZ-30A）植保無人機輻射發(fā)射的測量，打開測試系統(tǒng)，布置好檢驗場地，設(shè)定植保無人機工作在通電、與地面控制器通訊、水泵開啟、前照燈開啟及電機怠速狀態(tài)下，運行測試系統(tǒng)，測得植保無人機輻射發(fā)射結(jié)果。植保無人機輻射發(fā)射在30 MHz～1 000 MHz范圍內(nèi)的測試數(shù)據(jù)如表1所示，測試圖如圖1所示；1 GHz～6 GHz范圍內(nèi)的測試圖如圖2所示。

表1 輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）測試數(shù)據(jù)

圖1 某款植保無人機輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）測試圖

圖2 某款植保無人機輻射發(fā)射（1 GHz～6 GHz）測試圖

測試圖中，X軸表示接收機掃頻的頻率，在30 MHz～6 GHz頻段上對植保無人機的輻射發(fā)射騷擾信號進行掃描測量，Y軸表示測量出的電場輻射強度。

試驗結(jié)果顯示：該款植保無人機輻射發(fā)射測試在30 MHz～80 MHz、2.380 5 GHz～2.527 0 GHz和4.784 7 GHz～5.054 0 GHz越過限值。其中，2.380 5 GHz～2.527 0 GHz和4.784 7 GHz～5.054 0 GHz頻段超過限值的點分別為植保無人機的工作頻率及其諧波發(fā)射，為國際電信聯(lián)盟定義的有意發(fā)射和相關(guān)雜散發(fā)射，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，該頻點的輻射發(fā)射不考核[5]。因此，該款植保無人機輻射發(fā)射超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 3213—2018《植保無人飛機 質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的輻射發(fā)射限值，最大超限點在46.15 MHz處超限5.32 dBμV/m。

由此可知，植保無人機工作時存在著較強的輻射發(fā)射，其輻射發(fā)射可能會污染外界電磁環(huán)境，進而干擾到電磁環(huán)境中其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作。

3.2 植保無人機輻射發(fā)射整改

由測試圖可知，超限的頻點集中在30 MHz～80 MHz之間，進行多次試驗研究，確認(rèn)植保無人機在30 MHz～80 MHz頻段超出限值的原因是寬帶騷擾信號超限，而這些騷擾信號主要是由植保無人機電源和電機供電端口處的線纜產(chǎn)生。

考慮到產(chǎn)品已成型固定，由于整改成本高、周期長和影響無人機系統(tǒng)內(nèi)部布局、改善無人機系統(tǒng)內(nèi)部屏蔽等因素，如采用整改電路板走線布局、更換電子元器件、增加濾波電路等方式，會影響無人機系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號。故本文針對植保無人機電源和電機供電端口，使用磁環(huán)進行騷擾源預(yù)定位，因超限的頻點集中在30 MHz～80 MHz之間，使用在30 MHz～80 MHz頻段上有足夠大的共模阻抗的鎳鋅鐵氧體磁環(huán)，抑制被測樣品電源和電機供電端口處線纜輻射的寬帶騷擾信號。實驗室在被測樣品電源和電機供電端口上使用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)進行共模濾波后，進行輻射發(fā)射測量，某款鎳鋅鐵氧體磁環(huán)阻抗頻率特性如圖3所示。測量發(fā)現(xiàn)某款植保無人機輻射發(fā)射結(jié)果得到了改善，具體的測試數(shù)據(jù)和測試圖分別如表2、圖4所示，測試結(jié)果合格。

表2 輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）整改后測試數(shù)據(jù)

圖3 某款鎳鋅鐵氧體磁環(huán)阻抗頻率特性

圖4 某款植保無人機輻射發(fā)射（30 MHz～1 000 MHz）整改后測試圖

對于那些已經(jīng)處于產(chǎn)品設(shè)計定型階段或者是直接采購回來的成品模塊，一般無法重新設(shè)計其內(nèi)部電路，或者設(shè)計修改起來成本過高、周期過長，這時應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的實際情況，從產(chǎn)品的輸出端口和機殼的屏蔽接地等方面入手進行整改，但往往這種方式所需成本較高，效果也不明顯。因此，在產(chǎn)品設(shè)計初期時，應(yīng)從結(jié)構(gòu)、技術(shù)等方面進行嚴(yán)格的電磁兼容設(shè)計。

4 植保無人機電磁兼容性能分析與質(zhì)量提升建議

4.1 植保無人機電磁兼容性能分析

任何電磁兼容問題的產(chǎn)生都必須具備干擾源（騷擾源）、敏感源（電路或設(shè)備）及耦合途徑三個條件，稱為電磁兼容三要素。因此，當(dāng)要消除或降低產(chǎn)品電磁兼容性能缺陷問題時，需要從這三個因素入手，消除其中某一個因素，就能解決電磁兼容問題。而植保無人機在電磁環(huán)境內(nèi)所受的干擾主要分為無人機系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾和外界電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的電磁干擾。

植保無人機系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾主要來源于飛機的動力系統(tǒng)（電機、電調(diào)、電源分線板）、控制系統(tǒng)（飛控、數(shù)鏈、北斗模塊、RTK模塊）、噴灑系統(tǒng)（噴灑模塊、水泵）、機載設(shè)備（照明燈、雷達）、天線等多種設(shè)備。除此之外，無人機系統(tǒng)內(nèi)部電路板走線、電子元器件布置以及各模塊布局設(shè)計等因素不合理也會導(dǎo)致機體內(nèi)部局部電荷積累，進而造成系統(tǒng)內(nèi)部電磁干擾。

植保無人機系統(tǒng)外界的電磁干擾主要來源于其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾，包括其他電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)（如移動通信系統(tǒng)、雷達、導(dǎo)航設(shè)備等）有意產(chǎn)生的電磁能量干擾，以及在完成自身功能時所附帶產(chǎn)生的電磁能量發(fā)射[6]。

4.2 植保無人機電磁兼容性能質(zhì)量提升建議

為了確保植保無人機產(chǎn)品具有較好的電磁兼容性能，在產(chǎn)品設(shè)計初期，需從各方面考慮可能存在的電磁兼容問題，將電磁干擾帶來的影響降到最低，從而有效保證產(chǎn)品實際使用時的性能，提高植保無人機工作的穩(wěn)定性，進而提升產(chǎn)品的性能質(zhì)量。

4.2.1 輸入與輸出影響

可通過下列技術(shù)與方法，排除輸入與輸出的影響：

1）屏蔽。屏蔽技術(shù)可抑制電磁干擾的傳播。屏蔽是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬隔離，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(yīng)和輻射。具體來說，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響[6]。

2）濾波。濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器件的種類很多，在設(shè)計產(chǎn)品電路時，根據(jù)噪聲的不同特點，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器件能消除不希望的耦合。如用線路濾波器等濾除一定頻段的干擾信號，用隔離變壓器等隔離電源噪聲，用電阻器、電容器、電感器等元器件組合成RLC電路對干擾電壓或電流進行吸收、隔離、濾除及去耦處理[6]。

3）接地。接地是抑制噪聲和防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。合理的接地設(shè)計能有效抑制噪聲和防止干擾，降低電子設(shè)備的輻射電磁干擾噪聲。

4.2.2 降低傳導(dǎo)影響

傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（諧波干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)的行為現(xiàn)象，一般通過各設(shè)備間連接線纜或供電電纜產(chǎn)生。在設(shè)計線纜布局時，應(yīng)根據(jù)不同類型電纜分開捆扎，相鄰的線纜應(yīng)采用屏蔽措施、合理規(guī)劃不同種類線纜敷設(shè)間距等方式，消除或降低傳導(dǎo)干擾帶來的影響。

4.2.3 減少互耦影響

互耦干擾可分為兩類，一類是在相互很近的導(dǎo)體或回路之間產(chǎn)生電場或磁場耦合而產(chǎn)生干擾，屬感應(yīng)類干擾；另一類是干擾信號通過直接相通的電路（如電源線、地線）耦合到敏感設(shè)備，屬傳導(dǎo)干擾。針對以上兩類干擾，在設(shè)計電路板時，應(yīng)優(yōu)選多層板，將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)，電源層應(yīng)靠近接地層，電源線應(yīng)盡可能靠近地線，以此消除或降低感應(yīng)類干擾；干擾源應(yīng)單獨安排一層，并遠離敏感電路層[7-10]，以消除或降低傳導(dǎo)干擾。

5 結(jié)論

課題組對植保無人機電磁兼容性能（輻射發(fā)射）測試進行了研究與分析，為植保無人機電磁兼容性能質(zhì)量提升提供建議，為植保無人機電磁兼容性能缺陷提出消除或降低安全風(fēng)險的方法，提升植保無人機產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高植保無人機產(chǎn)品的綜合性能，更好地促進植保無人機產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展。