機載直流電源系統(tǒng)對無線電設(shè)備的電磁干擾研究

胡 強 趙子華 李 斌

(1.海軍裝備研究院航空裝備論證研究所 上海 200436;2.北京航空航天大學(xué) 北京 100191;3.海軍駐貴陽軍事代表室 貴州安順 510018)

0 引言

機載直流電源系統(tǒng)為全機系統(tǒng)及設(shè)備供電，但其中的直流控制和調(diào)壓器件等會產(chǎn)生非常復(fù)雜的電磁發(fā)射，同時由于機載無線電設(shè)備中均是用頻設(shè)備，如羅盤、電臺等使用頻段從幾百kHz 至幾百MHz，而這些頻段正是電源系統(tǒng)可能發(fā)射出來的電磁干擾頻段，因此非常容易造成電磁不兼容的現(xiàn)象。

本文以機載直流電源系統(tǒng)中的發(fā)電機控制盒為研究對象，分析了發(fā)電機控制盒與直流發(fā)電機之間的調(diào)壓線路所形成的電磁發(fā)射造成無線電羅盤定向失效的機理，并提出了利用傳輸線理論和減小環(huán)路面積的方式消除干擾的方法，最后通過實際的試驗驗證，使得二者之間電磁兼容性得以滿足［1-2］。

1 問題提出

機載直流電源系統(tǒng)中發(fā)電機控制盒通過調(diào)壓線連接直流發(fā)電機勵磁線圈，由于機上負(fù)載的變化使得發(fā)電機輸出電壓隨之變化，發(fā)電機控制盒采集的敏感電壓與穩(wěn)壓電源輸出值相比較，通過放大電路后再輸出給直流發(fā)電機，形成負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過輸出電流的變化達到調(diào)壓的目的。圖1 給出了發(fā)電機控制盒調(diào)節(jié)機上電壓的原理圖。發(fā)電機控制盒調(diào)節(jié)頻率約為1200Hz，因此其高次諧波在幾百kHz 頻率范圍內(nèi)會對無線電羅盤造成電磁干擾。

圖1 發(fā)電機控制盒調(diào)節(jié)原理簡圖

2 直流電源系統(tǒng)輻射發(fā)射原理

飛機直流電源系統(tǒng)調(diào)壓采用的是負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。發(fā)控盒內(nèi)運算放大器N1-2(-)端感受的為敏感線路采集點的電壓，N1-3(+)為基準(zhǔn)電壓。當(dāng)N1-2(-)端點位小于N1-3(+)時，運算放大器N1 輸出高電位，N1-2(-)端電位大于N1-3(+)時，輸出低電位。運算放大器N1 輸出脈沖經(jīng)三極管整形放大和功率放大后輸入到發(fā)電機并激繞組中。由于發(fā)電機的并激繞組具有電感性質(zhì)，所以加載并激繞組上的脈沖電壓可以在并激繞組中行成脈動很小的平滑電流。脈沖越寬，則并激繞組中的電流值也越大。發(fā)電機電壓變化，致使運算放大器N1 的輸出脈寬也隨之變化，因而使發(fā)電機并激繞組中的電流也隨之變化，從而達到電壓調(diào)節(jié)的目的。因此，只要敏感線路采集點電壓高于或者低于基準(zhǔn)電壓(28.5V)，發(fā)控盒都能將其調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)電壓附近(28.5 ±0.75V)。通過發(fā)控盒上設(shè)置的調(diào)整點調(diào)節(jié)旋鈕來調(diào)節(jié)發(fā)控盒中的電位器R0(圖1)，使輸出電壓整定在28.5 ～28.6V。

在上述直流電源系統(tǒng)的調(diào)壓原理中可以得到在其發(fā)控盒與發(fā)電機之間的調(diào)壓線承載著該調(diào)壓脈沖信號，圖2 和圖3 給出在占空比分別為20%、50%、80%時，該調(diào)壓信號的時域和頻域波形。

圖2 脈沖信號不同占空比下時域波形

圖3 脈沖信號不同占空比下頻域波形

此時該調(diào)壓信號的頻率是在1200Hz 附近變化的，其變化原因與飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，調(diào)壓頻率越高。因此結(jié)合其占空比從0% ～100%變化的情況可知，在發(fā)控盒工作范圍內(nèi)，為了保證機上的直流電壓穩(wěn)定在28.5 ±0.75V，發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及機上負(fù)載的變化會使該脈沖信號形成非常寬的頻譜干擾，通過實際測量，其高次諧波最高可達10MHz。而且由于上述的變化過程非?？?，導(dǎo)致形成的干擾頻譜已經(jīng)不是單一基波的各次諧波，而是在整個頻譜范圍內(nèi)形成噪聲干擾。

3 無線電羅盤受擾情況分析

一般機載電子設(shè)備中工作在1k ～10MHz 的主要有無線電羅盤和短波電臺，本文主要以無線電羅盤作為敏感設(shè)備進行分析。

無線電羅盤一般由接收機、環(huán)匹配器、環(huán)形天線、垂直天線、放大器、控制盒、轉(zhuǎn)換按鈕盒、控制盒轉(zhuǎn)換器、濾波器以及指示器等組成。直流電源發(fā)控盒輸出的調(diào)壓信號形成的高次諧波有三種可能造成無線電羅盤系統(tǒng)受擾:a.通過機體地線傳導(dǎo)至羅盤接收機;b.通過線間耦合到羅盤系統(tǒng)中的互聯(lián)線纜;c.通過線纜輻射被羅盤天線系統(tǒng)所拾?。?］。

正常地面導(dǎo)航臺站提供給無線電羅盤的信號樣式為150k ～1750kHz 單頻并具有1kHz，30%占空比的調(diào)幅波，通常在其定向功能時廠家給出的指標(biāo)為在飛機高度為5000m，定向距離為250km，飛機高度為10000m，定向距離為350km。該數(shù)值的給出主要源于飛機在該高度時，飛機與地球切線的距離?？紤]到無線電羅盤接收機的靈敏度(-90dBm)與信噪比要求(6dB)可知，當(dāng)在最遠(yuǎn)距離情況下，導(dǎo)航信號在飛機位置的強度應(yīng)高于接收機噪底6dB，才能保持穩(wěn)定定向。因此需要保證飛機自身在上述頻段的輻射發(fā)射不能超過-90dBm。由于這種干擾是一直伴隨飛機的，并且其干擾信號幅度不隨飛機高度位置變化而變化，因此一旦干擾信號超過羅盤靈敏度將直接影響的是作用距離。真實情況中當(dāng)干擾出現(xiàn)時飛機在幾十公里就已經(jīng)無法完成定向［4］。

圖4 發(fā)電機控制盒與發(fā)電機互連關(guān)系

因此，如果出現(xiàn)干擾無線電羅盤導(dǎo)航臺信號的電磁波時，除了其頻率應(yīng)在無線電羅盤范圍內(nèi)，其信號幅度也應(yīng)達到或者超過此時羅盤接收機接收到的正常導(dǎo)航臺信號的強度。通常情況下不同的信號幅度使得羅盤指針指示出現(xiàn)不同的現(xiàn)象。

當(dāng)出現(xiàn)指針亂擺，無固定指向時，說明此時的干擾信號在頻率上與正常導(dǎo)航臺信號不固定重合;當(dāng)指針亂擺，有固定指向范圍時，說明此時干擾信號與正常導(dǎo)航臺信號之間存在方位上的共同點，信號幅度基本一致;當(dāng)出現(xiàn)指針固定方向，但為錯誤方位時，說明干擾信號的出現(xiàn)使得正常導(dǎo)航臺信號不滿足信噪比要求，如6dB;當(dāng)出現(xiàn)指針?biāo)街赶颍f明此時干擾信號的幅度已經(jīng)超過了正常導(dǎo)航臺信號，而干擾信號又不載有方位信息，因此造成接收機判斷無導(dǎo)航臺信號，形成方位鎖定［5］。

4 干擾機理分析

發(fā)電機控制盒與直流發(fā)電機之間的互連線纜產(chǎn)生差模輻射是造成上述干擾的原因。差模輻射通常可以模擬為一個環(huán)形天線。對于一個面積為A的環(huán)路，載有電流Idm，在遠(yuǎn)場中距離為r 處，自由空間中測得的電場E的幅度等于:

其中E單位為V/m，f的單位是Hz，A的單位是m2，Idm的單位是A，r的單位是m，θ 是觀察點與環(huán)路平面垂線間的夾角。

由于互連線纜形成的環(huán)周長小于四分之一個波長，因此可以認(rèn)為環(huán)中電流的相位處處相等。自由空間的一個環(huán)天線方向圖是一個圓環(huán)體(面包圈狀)，這種形狀的最大輻射為環(huán)的邊緣且在環(huán)平面上，零輻射出現(xiàn)在環(huán)平面的法線方向上。由于直流電源系統(tǒng)中的發(fā)電機控制盒與直流發(fā)電機的互連線纜形成的環(huán)由7 根線纜共同組成，其位置關(guān)系導(dǎo)致其線長超過10m，因此根據(jù)其環(huán)周長與波長之間的關(guān)系，對7 根線纜形成的環(huán)進行推斷，雖然式(1)是由圓環(huán)推導(dǎo)而來的，但因為環(huán)輻射的幅度和方向圖與環(huán)的形狀無關(guān)，而只依賴于環(huán)的面積，所以可以應(yīng)用于任何平面環(huán)。也就是說無論環(huán)的形狀如何，所有相同面積的輻射是相同的。因此對于7 根互連線纜來說其敷設(shè)形式可以變化，但只要其面積確定，其輻射量就確定了。式(1)中第一項是描述媒質(zhì)特性的常數(shù)，該式為自由空間;第二項定義了輻射源的特性，即此環(huán)路;第三項表示場從源傳播出來的延遲;最后一項描述了測量點相對于環(huán)平面垂線的角度方向。

式(1)是對于一個環(huán)位于自由空間，周圍沒有任何反射體，然而真實情況中線纜的互連形成的環(huán)首先位于機艙內(nèi)部，其測量或者說輻射量值就受到了周圍設(shè)備的影響，如在地面測量就已經(jīng)不是自由空間，最多可以作為開闊場考慮。大地提供了一個必須考慮的反射面。反射面可以增大測量的發(fā)射6dB 之多，考慮到這個反射，需要乘以系數(shù)2。修正地面反射，并在距離環(huán)平面r 處進行觀察(θ=90°)此時可以將式(1)改為

式(2)表明輻射與電流I、環(huán)面積A和頻率f的平方成正比，對于此時該環(huán)與無線電羅盤天線的位置關(guān)系，我們定義處此時3m 為測量距離，式可以改寫為

因此，差模(環(huán)路)輻射可以用下列方式進行控制:

減小電流幅度;

減小頻率或電流的諧波成分;

減小環(huán)路面積。

對于一個不用于正弦波的其他波形，電流波形的傅里葉級數(shù)必須帶入式(3)前被確定。

對稱方波，一般真實電路中為梯形波，因為上升和下降時間是有限的。第n 次諧波電流由式(4)給出:

其中I是方波的幅度，tr是上升時間，d是占空比t0/T，T是周期，n是1 到無窮大的整數(shù)。由于方程中其余的量是無量綱的，所以In的單位與I所用單位相同。式(4)中假設(shè)上升時間等于下降時間。

圖5 方波參數(shù)設(shè)定

結(jié)合飛機直流電源系統(tǒng)發(fā)電機控制盒給直流發(fā)電機的調(diào)壓線，即圖4 中2 孔線纜輸出的1200Hz 方波，平均電流大小是由其方波的占空比決定的，因此減小電流就只能通過改變占空比的方式進行，而這樣勢必造成輸出平均電流降低導(dǎo)致直流發(fā)電機獲得的勵磁電流過小，從而使發(fā)電機輸出電壓偏低，因此減小電流幅度的方式不適用;其次，減小頻率的方式可以通過改變發(fā)電機控制盒內(nèi)部器件或者改變其敏感線位置的方式進行改變，更換之后的方波頻率可以降低為120Hz 左右，頻率降低了10 倍，其高次諧波分量幅度也有較為明顯的降低，對無線電羅盤的干擾信號幅度降低約20dB 左右，但同時造成調(diào)壓電流偏低，調(diào)壓速率下降，會使飛機直流電源供電出現(xiàn)大范圍波動，因此減小頻率的方式也不適用，關(guān)于電流的諧波分量問題由于其勵磁電流機理是用方波的占空比調(diào)節(jié)來控制輸出電流，因此不能改變其方波的本質(zhì)，按照其傅里葉變換到頻域就出現(xiàn)了高次諧波，無法避免，因此單獨控制諧波也不適用;而減小環(huán)路面積的方式可以通過對發(fā)電機控制盒與直流發(fā)電機的互連線纜的具體位置關(guān)系進行有效約束，從而盡量減小環(huán)路面積來控制其對外輻射發(fā)射。

由方波給出的基波電流及占空比可以獲得此時關(guān)注的諧波頻段電流大小，將該值代入到式(1)可以得到其在一定距離下產(chǎn)生的電場強度。結(jié)合無線電羅盤天線參數(shù)和接收機靈敏度就可以估計原狀態(tài)下環(huán)路面積大小，以及需要降低的輻射發(fā)射量值，由于電流強度是無法控制的，或者說不能改變的，其大小由占空比來控制，因此要想達到預(yù)期的輻射幅度下降的裕度關(guān)鍵看此時環(huán)路面積減小的程度。

同時為了保證調(diào)壓在正常范圍內(nèi)，還需要使發(fā)電機控制盒輸出的調(diào)壓信號工作在較高的頻率范圍，而這樣反而會使高次諧波幅度上升。因此需要在較高的調(diào)壓頻率上采取方案來減小干擾程度。

并線與分線改變調(diào)壓頻率:

1、4 線在發(fā)控盒端短接為并線，4 號線直接連至發(fā)電機+端為分線。

并線導(dǎo)致4 號線敏感電壓值偏低，理論計算值為1.9V，此時當(dāng)主匯流條電壓為28.5 時，發(fā)控盒接收到的敏感電壓為26.6V，此時由于發(fā)控盒調(diào)壓范圍為28.5 ±0.75(占空比從0% ～100%)，已經(jīng)超出了調(diào)壓范圍，因此調(diào)壓占空比已經(jīng)達到了100%，即發(fā)電機勵磁電流一直處于上升，直到主匯流條電壓提升到30.4 ±0.75，4 號線敏感電壓進入28.5 ±0.75，占空比才降低到100%以下，此時勵磁電流下降，但很快又需要抬升才能穩(wěn)定輸出。

由圖5 可知，上面的波形為并線狀態(tài)，下面的波形為分線狀態(tài)。并線情況下導(dǎo)致平均電流過大，發(fā)電機勵磁電流過大將導(dǎo)致直流發(fā)電機輸出電壓過高，從而使得全機用電不穩(wěn)，當(dāng)超過允許值后可能導(dǎo)致某些用電設(shè)備燒毀，因此通過改變?yōu)榉志€狀態(tài)使得平均電流下降，同時調(diào)壓頻率也上升，使得電壓波動的動態(tài)范圍減小，電壓更穩(wěn)定。

5 解決方案及結(jié)論

根據(jù)上述干擾機理的分析可知，通過改變直流電源系統(tǒng)原有的線纜接線方式以及布線原則來提高調(diào)壓頻率并減小環(huán)路面積。這種方式對飛機裝配改變最小，方案改動中將原有線纜的屏蔽層均取消，這同時帶來了重量減小的收益。

圖6 分線及并線狀態(tài)調(diào)壓波形變化

具體解決方案如下:

5.1 更改直流發(fā)電機控制盒1、4 孔線端接位置，直連至發(fā)電機輸出+端;作用:使得調(diào)壓頻率從120Hz 左右上升到1200kHz。

5.2 1 、2 號線繼電器位置更改為緊鄰發(fā)控盒輸出端;作用:減小1、2 號線形成的環(huán)路面積。

5.3 將18、20 號線在發(fā)控盒端短接后連接到發(fā)電機地線端;作用:使地線與其他線纜形成的回路面積減小。

5.4 取消1、2、4、8、14、19、20 號線原有屏蔽層，采用線纜束布線方式，僅加一層防波套;作用:減小共模輻射。

試驗驗證過程中，通過地面開車以及飛行試驗，干擾現(xiàn)象消失。經(jīng)在羅盤接收機處測量導(dǎo)航臺信號信噪比無明顯噪聲抬升情況。導(dǎo)航臺處頻率范圍內(nèi)噪聲下降幅度約為20 ～25dB。

本文通過對形成輻射干擾的設(shè)備互連線纜進行分析，主要以減小環(huán)路面積的方式對差模干擾進行了有效遏制，從而排除了對無線電羅盤的干擾情況，此方法同樣有助于對其他10MHz 以下無線電設(shè)備的干擾情況，其取消線纜屏蔽層的方式更為節(jié)約重量提供了新的途徑。

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