無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)與機(jī)載通信設(shè)備電磁兼容問(wèn)題研究*

謝瑞云,毛得明,向 敏

(1.西南通信研究所,四川成都610041;2.成飛公司四川成都610092)

無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)與機(jī)載通信設(shè)備電磁兼容問(wèn)題研究*

謝瑞云1,毛得明1,向 敏2

(1.西南通信研究所,四川成都610041;2.成飛公司四川成都610092)

針對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)機(jī)載通信設(shè)備干擾問(wèn)題進(jìn)行了研究。在對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)信道模擬法,分析了無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)干擾通信設(shè)備的途徑。在此基礎(chǔ)上,提出了快速、有效的無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)干擾源定位與整改方案,并依據(jù)真實(shí)環(huán)境制定了簡(jiǎn)單、有效的電磁兼容整改措施。經(jīng)檢驗(yàn),無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)機(jī)載通信設(shè)備的干擾量下降30 dB以上,由原來(lái)無(wú)人機(jī)平臺(tái)工作時(shí)通信設(shè)備接收背景噪聲-52 dBm,改善為接收機(jī)背景噪聲能達(dá)到-87 dBm,最終滿足了無(wú)線通信指標(biāo)要求。

電磁兼容 無(wú)人機(jī) 機(jī)載通信設(shè)備

0 引 言

無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)與通信設(shè)備之間存在嚴(yán)重電磁兼容問(wèn)題,主要現(xiàn)象包括:無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)加電后,影響通信設(shè)備有效作用距離;無(wú)人機(jī)平臺(tái)螺旋槳電動(dòng)機(jī)和舵機(jī)工作時(shí),進(jìn)一步影響通信設(shè)備接收性能;通信設(shè)備處于全功率發(fā)射狀態(tài)時(shí),無(wú)人機(jī)舵機(jī)受到干擾,出現(xiàn)舵機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象;通信設(shè)備處于全功率發(fā)射狀態(tài)時(shí),GPS接收機(jī)受到干擾,出現(xiàn)丟星,無(wú)法定位等現(xiàn)象。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)包括蓄電池、螺旋槳電動(dòng)機(jī)、電調(diào)、舵機(jī)、飛控計(jì)算機(jī)、GPS接收機(jī)、遙測(cè)遙控等電氣設(shè)備。無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣設(shè)備中存在大量干擾源和電感負(fù)載,可以通過(guò)電源線傳導(dǎo)耦合或輻射耦合到機(jī)載通信設(shè)備中,嚴(yán)重影響機(jī)載通信設(shè)備的性能。分析、解決無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)與機(jī)載通信設(shè)備的相互干擾問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),分析和診斷無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)機(jī)載通信設(shè)備的影響是一個(gè)復(fù)雜電磁兼容性問(wèn)題。其中本機(jī)載通信設(shè)備在無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)未加電工作時(shí),通信設(shè)備接收靈敏度為-87 dBm,而加電工作時(shí),頻點(diǎn)250 MHz干擾最大,接收靈敏度只有-52 dBm,是一個(gè)典型的電磁兼容問(wèn)題。采用快速、有效電磁兼容診斷實(shí)驗(yàn)方案是分析、解決該問(wèn)題的關(guān)鍵,本文采用排除法與近場(chǎng)定位法相結(jié)合的方案,快速定位電磁兼容性問(wèn)題,采用行之有效的措施和簡(jiǎn)化模擬的驗(yàn)證手段,最終解決了該電磁兼容性問(wèn)題。

1 電磁干擾診斷方案

本文采用如下2個(gè)實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析、定位與驗(yàn)證。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案一：排除無(wú)傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)

干擾耦合途徑分為兩類:傳導(dǎo)耦合途徑和輻射耦合途徑[1-2]。因此首先要判斷通信設(shè)備受無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)干擾的耦合途徑。設(shè)計(jì)判斷有無(wú)傳導(dǎo)干擾試驗(yàn),測(cè)試框圖如圖1所示,無(wú)人機(jī)平臺(tái)其它設(shè)備都按照工作時(shí)狀態(tài)連接好,對(duì)比采用外接電源供電和采用機(jī)載供電通信設(shè)備接收靈敏度大小,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試,通信設(shè)備接收靈敏度都為-87 dBm,這表明無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)影響通信設(shè)備靈敏度是通過(guò)輻射耦合方式,排除傳導(dǎo)干擾耦合方式。

圖1 傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)框Fig.1 Experimentation of conduction interference

1.2 實(shí)驗(yàn)方案二：輻射干擾源定位試驗(yàn)

無(wú)人機(jī)內(nèi)電氣及接地的連接示意圖,如圖2所示,飛控計(jì)算機(jī)控制螺旋槳電機(jī)、4個(gè)舵機(jī),各設(shè)備外殼地與機(jī)架良好搭接。設(shè)計(jì)3個(gè)輻射源定位試驗(yàn),條件分別為:

試驗(yàn)條件一:無(wú)人機(jī)平臺(tái)通電時(shí),用近場(chǎng)探頭測(cè)試飛控計(jì)算機(jī)與舵機(jī)連接線上輻射出來(lái)的干擾信號(hào),測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

試驗(yàn)條件二:無(wú)人機(jī)平臺(tái)通電時(shí),用近場(chǎng)探頭測(cè)試飛控計(jì)算機(jī)外殼縫隙輻射出來(lái)的干擾信號(hào),測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

試驗(yàn)條件三:螺旋槳電機(jī)空載工作時(shí),用近場(chǎng)探頭測(cè)試電調(diào)與螺旋槳電機(jī)連接線輻射出來(lái)的干擾信號(hào),測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖2 無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)對(duì)任務(wù)設(shè)備影響測(cè)試框Fig.2 Influence test of UAV electrical system on mission equipment

圖3 從飛控計(jì)算機(jī)與舵機(jī)連接線輻射的干擾噪聲Fig.3 Interference noise radiation from connection line between flight control computer and steering gear

圖4 飛控計(jì)算機(jī)外殼縫隙輻射的干擾噪聲Fig.4 Interference noise radiation from casing slot of flight control computer

圖5 從電調(diào)與螺旋槳電機(jī)連線輻射的干擾噪聲Fig.5 Interference noise radiation from connection line between the electrical adjuster and motor

2 原因分析

經(jīng)過(guò)問(wèn)題定位試驗(yàn),并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析,無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)干擾通信設(shè)備間正常工作主要是通過(guò)輻射耦合途徑,原因分析如下:

從圖3、4測(cè)試結(jié)果可知,無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)加電后,背景噪聲中出現(xiàn)250 MHz、300 MHz單音強(qiáng)干擾信號(hào)(最大幅度約為-50 dBm),這是由于飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)50 MHz晶振的諧波通過(guò)飛控計(jì)算機(jī)殼體縫隙及飛控計(jì)算機(jī)與螺旋槳電機(jī)、各舵機(jī)的連接線輻射到自由空間而引起。飛控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示,采用殼體上下都開(kāi)蓋,側(cè)面開(kāi)安裝孔,且72芯片插頭未采用濾波措施。因此,飛控計(jì)算機(jī)輻射干擾源之一,它與舵機(jī)電機(jī)連接線成為主要的耦合途經(jīng),同時(shí)飛控計(jì)算機(jī)外殼也是耦合途徑之一[3-4],從而影響任務(wù)設(shè)備的接收性能。

圖6 飛控計(jì)算機(jī)外殼及插頭結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structural diagram of aircraft-control-computer shell and joints

無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)加電后,背景噪聲整體提高5～10 dB,這是由于飛控計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)線分別向螺旋槳電機(jī)及各舵機(jī)發(fā)送差分PWM控制信號(hào),引起的寬頻譜干擾。

如圖5所示,螺旋槳電機(jī)工作時(shí),會(huì)通過(guò)電源線輻射出部分的寬頻譜干擾信號(hào),進(jìn)一步惡化通信設(shè)備的接收性能。其中螺旋槳電機(jī)與電調(diào)電氣連接關(guān)系如圖7所示,目前螺旋槳電機(jī)與電調(diào)之間連接線沒(méi)有進(jìn)行屏蔽處理,飛控計(jì)算機(jī)與電調(diào)之間、動(dòng)力電池與電調(diào)之間都只有部分進(jìn)行屏蔽處理。

圖7 螺旋槳直流電機(jī)電氣連接Fig.7 Propeller DC motor electrical connection diagram

3 電磁整改措施

針對(duì)上述影響因素,采用以下措施解決:

無(wú)人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)50 MHz晶振的諧波在飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)來(lái)處理,即將晶振波型由方波改為正弦波。并保證內(nèi)部PCB板地與飛控計(jì)算機(jī)外殼良好搭接,輔以外部屏蔽和接口濾波來(lái)解決。外部屏蔽處理包括:飛控計(jì)算機(jī)外殼采用腔體結(jié)構(gòu)、口蓋增加導(dǎo)電襯墊,側(cè)面孔重新設(shè)計(jì)等以保證飛控計(jì)算機(jī)外殼良好的屏蔽性能;插頭采用帶有濾波功能的插頭。

無(wú)人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)與螺旋槳電機(jī)、各舵機(jī)的連接線(二條電源線和二條差分信號(hào)線)分組雙絞且進(jìn)行屏蔽,特別是要保證接頭間屏蔽層的良好搭接。

無(wú)人機(jī)各舵機(jī)最好要有專門(mén)的屏蔽層,該屏蔽層與線纜的屏蔽層也要保持良好的搭接。

無(wú)人機(jī)螺旋槳電機(jī)輸入電源線端口進(jìn)行濾波處理,同時(shí)進(jìn)行屏蔽處理,該屏蔽層與機(jī)架保持良好的搭接。

無(wú)人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)與螺旋槳電機(jī)、各舵機(jī)的連接線的布線采用多點(diǎn)接地方式,確保在15厘米內(nèi)能有一個(gè)有效的接地點(diǎn)。

上述接地、搭接及屏蔽設(shè)計(jì)的實(shí)施可以參考GJB 1210-91或參考文獻(xiàn)[5]。

4 電磁整改效果驗(yàn)證

4.1 采用近場(chǎng)探頭對(duì)部分措施進(jìn)行驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)一:飛控計(jì)算機(jī)與舵機(jī)電機(jī)連接線進(jìn)行屏蔽處理

從圖8測(cè)試結(jié)果可知,用近場(chǎng)探頭在飛控計(jì)算機(jī)與舵機(jī)電機(jī)連接線處分別測(cè)試無(wú)屏蔽層時(shí)和有屏蔽層時(shí)干擾輻射強(qiáng)度。對(duì)比結(jié)果可知,飛控計(jì)算機(jī)與舵機(jī)電機(jī)連接線進(jìn)行屏蔽處理,可以將無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)通信設(shè)備在200～400 MHz頻率范圍內(nèi)的影響降低10～20 dB。

圖8 有無(wú)屏蔽層飛控與舵機(jī)連線輻射干擾噪聲對(duì)比Fig.8 Interference noise radiation comparison chart of the line with shielding layer or without shielding layer between flight control system and steering gear

驗(yàn)證試驗(yàn)二:對(duì)電調(diào)與螺旋槳電機(jī)連接線進(jìn)行屏蔽處理(螺旋槳電機(jī)空載工作狀態(tài),供電電流約為10A)

從圖9測(cè)試結(jié)果可知,用近場(chǎng)探頭在電調(diào)與螺旋槳電機(jī)連接線處分別測(cè)試無(wú)屏蔽層時(shí)和有屏蔽層時(shí)干擾輻射強(qiáng)度。對(duì)比結(jié)果可知,飛在電調(diào)與螺旋槳電機(jī)連接線進(jìn)行屏蔽處理,可以將無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)通信設(shè)備在200～400 MHz頻率范圍內(nèi)的影響降低5～10 dB。

圖9 有無(wú)屏蔽層電調(diào)與螺旋槳電機(jī)連線輻射干擾噪聲對(duì)比Fig.9 Interference noise radiation comparison chart of the line with shielding layer or without shielding layer out of the line between the electrical adjuster and motor

4.2 在天線端口直接測(cè)量干擾信號(hào)方法來(lái)驗(yàn)證整改效果

驗(yàn)證試驗(yàn)三:各種措施均已完成時(shí),在天線端口再一次測(cè)量干擾信號(hào)。

從圖10測(cè)試結(jié)果可知,各種措施均完成后,無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)通信設(shè)備的影響降低20～30 dB,背景噪聲均低于-87 dBm。

圖10 天線端口測(cè)量干擾噪聲結(jié)果Fig.10 Measured interference results in the antenna port

4.3 等縮比拉距方法進(jìn)一步驗(yàn)證整改效果

試驗(yàn)驗(yàn)證四:各種措施均已完成,當(dāng)GPS天線在無(wú)人機(jī)機(jī)尾時(shí),采用等縮比拉距方法進(jìn)一步驗(yàn)證整改效果。

試驗(yàn)測(cè)試配置如圖11所示。選擇250 MHz、260 MHz、300 MHz、380 MHz四個(gè)頻率點(diǎn),并調(diào)節(jié)輸出功率,記錄在天線1端口接收到的目標(biāo)信號(hào)功率,考察通信設(shè)備接收靈敏度,測(cè)試結(jié)果如表1,表明在四個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)上通信設(shè)備接收靈敏度都小于-87 dBm,滿足通信設(shè)備使用要求。

圖11 試驗(yàn)測(cè)試配置框Fig.11 Test configuration diagram

表1 試驗(yàn)記錄表Table 1 Test record

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從電磁兼容三要素(干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備)出發(fā),先用排除法判斷出無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)影響機(jī)載通信設(shè)備是通過(guò)輻射耦合方式。然后用近場(chǎng)探頭對(duì)輻射干擾源位置進(jìn)行定位,探明飛控計(jì)算機(jī)、飛控計(jì)算機(jī)與螺旋槳電機(jī)、舵機(jī)的連接線均是強(qiáng)輻射源,結(jié)合電氣系統(tǒng)的工作原理,分析出整個(gè)干擾過(guò)程機(jī)理:飛控計(jì)算機(jī)晶振諧波通過(guò)外殼及與外界的連接線輻射出250MHz強(qiáng)干擾信號(hào),同時(shí)飛控計(jì)算機(jī)給電機(jī)和各舵機(jī)發(fā)送的PWM信號(hào)也通過(guò)各控制線輻射出寬頻譜干擾信號(hào),抬高整個(gè)頻段底噪。

從解決電磁兼容問(wèn)題三種手段(濾波、屏蔽和接地)入手,結(jié)合無(wú)人機(jī)平臺(tái)特殊要求(重量、空間有限等),采取屏蔽與接地相結(jié)合的措施對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行處理。采用等縮比的驗(yàn)證方法,最終驗(yàn)證了整改措施的可行性,解決了無(wú)人機(jī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)對(duì)機(jī)載通信設(shè)備影響的電磁兼容問(wèn)題。

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XIE Rui-yun(1978-),male,M.Sci., senior engineer,mainly working at network active defense and EMC.

毛得明(1982—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)樵O(shè)備和系統(tǒng)電磁兼容;

MAO De-ming(1982-),male,M.Sci.,engineer,mainly working at electromagnetic device and system EMC.

向 敏(1966—),本科,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)閼?yīng)用電磁兼容技術(shù)。

XIANG Min(1966-),male,B.Sci.,senior engineer, mainly working at applied EMC technology.

EMC Between UAV Electrical System and Airborne Communication Device

Xie Rui-yun1,Mao De-ming1,Xiang Min2
(1.Southwest Communications Institute,Chengdu Sichuan 610041,China; 2.Chengdu Aircraft Industrial Corporation,Chengdu Sichuan 610092,China)

Interferentce on airborne communication system caused by electrical system of UAV platform is studied.Based on the study of electrical system of UAV platform and with channel simulation method,the interference path of electrical system of UAV platform is analyzed.On this basis,this paper proposes a fast and efficient interference source positioning method and corresponding remedial scheme.And in light of actual environment,a simple and effective EM retify-and-reform measure is also formulated.Experiment results show that the interference of the electrical system of UAV platform is reduced by more than 30dB.Receiving background noise of airborne communication device of UAV platform decreases from the previous-52 dBm to the present-87 dBm,and finally the requirement of wireless communication is satisfied.

EMC;UAV;airborne communication equipment

TN02

A

1002-0802(2014)10-1211-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.021

謝瑞云(1978—),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)主動(dòng)防御和電磁兼容;

2014-07-05;

2014-09-22 Received date：2014-07-05;Revised date：2014-09-22