無人機測試系統(tǒng)電磁兼容設計與實現

于洋 王悅飛 周福強

(北京飛機強度研究所,北京 100083)

無人機測試系統(tǒng)電磁兼容設計與實現

于洋 王悅飛 周福強

(北京飛機強度研究所,北京 100083)

飛機上裝機的設備大多伴著電磁能量的轉換,尤其無人機電磁環(huán)境更加復雜。為獲取飛機載荷/環(huán)境參數而加裝的測試系統(tǒng)處于電磁環(huán)境當中,受到嚴峻的考驗。本文分析了測試系統(tǒng)電磁兼容不利因素,采用接地、屏蔽、優(yōu)化電纜走線等方式改進電磁兼容性。應用于某型無人機飛行測試中,有效降低電磁干擾的影響,保證了測試系統(tǒng)和飛機系統(tǒng)的兼容工作。

電磁兼容 無人機 測試系統(tǒng) 接地 屏蔽

1 引言

現代飛機裝機設備繁多,向高頻、高速、高靈敏度、高安裝密度、高集成度、高可靠性方向發(fā)展。系統(tǒng)中采用的電氣及電子設備數量大幅增加,電子設備的頻帶日益加寬,不同設備的頻率范圍相互重疊,功率逐漸增大,信息傳輸速率提高,靈敏度提高,連接設備的網絡越來越復雜。對于無人機系統(tǒng)包括幾十種電子設備,它們中有功率巨大的雷達發(fā)射機(脈沖功率達到幾十甚至幾百兆瓦)和短波通信電臺,有靈敏度極高的各種接收機,還有各種既輻射電磁能量又對干擾靈敏度高的高速數字電路。它們的發(fā)射、接收、信號處理與電源分機都必須安裝在體積狹小的設備艙內,占用的頻帶范圍很寬。天線又只能分布在面積和尺寸都受限制的機身上,它們互相之間的電磁干擾,既有天線之間的耦合,又有機艙內導線間、共用電源、共同的回路以及空間輻射等耦合,電磁環(huán)境極其復雜。電磁兼容性問題有可能導致飛機不能正常工作,也有可能削弱部分電子設備的技術性能,設備失靈,測試數據失真,甚至引起嚴重事故。因此,系統(tǒng)的電磁兼容問題,亦即如何保證所有電子設備能同時正常工作,不因相互電磁干擾而降低性能到容限以下是一個重大而復雜的問題[1]。

在某型無人機上加裝綜合測試系統(tǒng),包括加裝改裝GPS系統(tǒng)、振動、過載等傳感器,粘貼應變計,敷設測試電纜,對飛機的姿態(tài)、載荷、應變、振動、過載、開關量等多種信號進行采集記錄,勢必會遇到電磁兼容性問題。做好測試系統(tǒng)的電磁兼容性,保證系統(tǒng)和機載設備正常工作,保障系統(tǒng)效能得到充分發(fā)揮,保障實測參數的正確可靠,必須在飛行測試項目論證設計時充分考慮,不斷探索,使測試系統(tǒng)不斷完善完整?！叭绻粋€設備或系統(tǒng)在制造(加裝)之前就能對它的工作狀態(tài)進行預測,改進不合理的設計,進行優(yōu)化,遠比把設備制造(加裝)出來后發(fā)現問題再加以改進經濟得多,安全得多”[2]。因此,必須重視電子設備改裝時的電磁兼容問題研究,以保證設備改裝后能正常工作,通過各種措施,增強設備或系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力,降低機上設備對測試系統(tǒng)的干擾。

本文在分析機載測試系統(tǒng)電磁兼容性模型的基礎上,建立了機載測試設備電磁干擾模型,提出了電磁干擾分層影響,提出接地、屏蔽和優(yōu)化電纜路徑的改進方法,應用于某無人機飛行測試項目中,有效降低了電磁干擾。

圖1 機上設備電磁干擾網絡

2 電磁兼容模型

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指系統(tǒng)、分系統(tǒng)、電路和元器件在指定的工作環(huán)境中能按設計要求工作,而不會因電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)造成失效或不允許的性能惡化的能力[3]。即研究在有限的空間、時間和頻譜資源下,各種電子設備或系統(tǒng)可以共存而不致引起降級,不會因為內部或彼此間存在的電磁干擾而影響其正常工作的一門科學。電磁兼容包括電磁干擾和電磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility,EMS)兩方面:(1)任何設備或系統(tǒng)不得因輻射或傳導產生的電磁干擾而對其他設備或系統(tǒng)的工作造成有害的影響;(2)不會因其他設備的干擾造成本身工作不正常,即具有抗干擾的能力。

這些參數中,有些相對獨立、不會受其他設備、參數變化的影響;有些則相互關聯,當其它設備、參數發(fā)生變化時,該參數也會發(fā)生相應的改變,比如當天線的安裝位置和角度發(fā)生變化時,天線的輻射特性、功率增益、天線間的極化損耗等參數均會發(fā)生變化。通常在測試系統(tǒng)改裝中,分析遇到的電磁干擾不利因素,有針對性的選用降低電磁干擾的技術方法,增強測試系統(tǒng)的電磁兼容性能。

3 機上測試系統(tǒng)改裝中的電磁干擾

飛機改裝是飛機飛行實測的重要環(huán)節(jié),涉及到試驗飛機上加裝的機載測試設備、被測對象,以及按照任務需要對試驗機的結構、飛行姿態(tài)、發(fā)動機、液壓管路、環(huán)控管路、起落架等重要系統(tǒng)的測試。改裝中加裝的電氣線路或經過改裝的原機線路與試驗機原有電氣線路和系統(tǒng)間存在著復雜的電氣或電磁交聯,因此,做好電磁兼容防護在飛機改裝工作中十分重要[4]。

而無人機測試系統(tǒng)改裝中,具有較多電磁干擾的不利因素:

(1)無人機設備艙設備多、安裝密集、可用空間狹小,施工空間開敞性差、限制多,改裝加裝的設備和電線電纜的布局安裝難度較大。

(2)無人機上的電氣設備眾多、用于任務系統(tǒng)的精密、敏感設備較多,大功率設備較多,產生電磁兼容問題的可能性非常嚴重。

(3)測試參數眾多,需要對載荷、應變、數字量、模擬量、總線信號等多種信號采集,測試系統(tǒng)用電功率大,飛機改裝面對的電磁環(huán)境復雜。

(4)需要對飛機的機翼、機身、起落架、操縱舵面等多個部位進行參數采集測試,電纜在飛機上敷設路徑多,必然臨近機上其他設備電纜,電磁兼容問題的定位和排除困難。機上系統(tǒng)、電纜若距離很近,即使沒有直接連接,沒有互傳導耦合,由于電路間存在的磁感應或靜電感應,也會產生耦合。機載設備的電纜一般都捆扎成束,固定防振,利于維修檢查,必然增強了電纜內部導線間的耦合感應作用。據資料報道機載設備中由于電纜引入的干擾占整個電磁干擾的60%[5]。

(5)飛機整機屬于大型復雜電子系統(tǒng),沒有大型的屏蔽暗室為之配套,測試系統(tǒng)的改裝也是在飛機已經生產定型后,在現有飛機上而不是在飛機總裝時進行的,無法完整實現電磁兼容性試驗,因此多采用現場測試的方案,保證加改裝測試系統(tǒng)與機上成品系統(tǒng)間無干擾,能夠正常兼容工作。

由于電磁兼容分析與設計的復雜性,以及各種雜散發(fā)射千差萬別,很難控制,因此,對于電磁兼容技術來說,其理論計算結果更加需要實際測量來檢驗,至今在電磁兼容領域對大多數情況仍主要依靠測試來分析、判斷、解決問題。

4 測試系統(tǒng)消除電磁干擾方案

通常采用的電磁干擾控制技術有:濾波、吸收與旁路、屏蔽、接地、布局布線、工藝控制、天線配置、頻率管理等,以降低所產生的干擾電平,增加干擾在傳播途徑上的衰減。在無人機測試系統(tǒng)改裝中,選用接地、屏蔽和優(yōu)化電纜路徑的方式降低電磁干擾。

4.1 接地

接地是設備或系統(tǒng)正常工作的基本技術要求之一,也是電磁兼容性能高低的關鍵因素。因此,接地是電磁兼容性最重要的改善方法,它具有效果突出,經濟性好的優(yōu)點,是較容易實現但又難于掌握的一種抑制傳導干擾的方法。正確的接地既能抑制干擾的影響,又能抑制設備向外發(fā)射干擾;反之,錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾,設置使電子設備無法正常工作。理想的接地平面必須是一個零電位、零阻抗的物理實體,其上各點之間不應存在電位差,可以作為系統(tǒng)中所有信號電平的參考點。

對接地的基本要求是:(1)接地面應是零電位,它作為設備或系統(tǒng)中所有信號的公共電位參考點。(2)接地線、接地面應采用低阻抗材料制成,并且有足夠的寬度和厚度,接地線應盡量短而且足夠粗,接地面的面積應足夠大。(3)良好的接地要求應盡量減少多路公共接地阻抗上所產生的干擾電壓和電感,同時還要盡量避免形成不必要的地回路。(4)數字信號地與模擬信號地分開,大電流信號地與小電流信號地分開,電源地與信號地分開。

一般電纜屏蔽層采用單點接地,敏感數據線屏蔽層在負載端接地,高電平信號線屏蔽層在信號源端接地,在射頻屏蔽線的兩端以及沿線所有斷開(開口)處都必須一一接地,在射頻頻率高時,必須采用多點接地方式。

4.2 屏蔽

電磁屏蔽是抑制輻射干擾的重要手段,屏蔽設計也是電磁兼容性設計中重要內容之一。屏蔽有兩個目的,一是限制內部輻射的電磁能量泄露出該內部區(qū)域,二是防止外來的輻射干擾進入某一區(qū)域。

在測試系統(tǒng)中,在粘貼的應變計上覆蓋一層錫箔紙,可反射電磁波,防止外來輻射干擾影響。應變電纜線使用屏蔽絞線,一方面采用導線絞合,減小導線所圍面積,增大兩回路間距離減小電感干擾,另一方面將電纜導線包起來,防止了外部輻射干擾的影響。

測試系統(tǒng)盒體采用整塊鋁錠一次掏銑成型工藝,而不采用加工鋁板再拼合的工藝加工,去除拼接接縫處容易透過電磁干擾波的隱患。在盒體與盒蓋接縫處,刷一層導電膠,為進一步降低干擾能級,在接縫外再粘貼一層鋁箔,通過上述方法,將測試系統(tǒng)采集器的電磁干擾降到最低。為避免在前面板的縫隙處、插頭孔槽位置透過電磁干擾波,孔槽尺寸與插頭位置嚴格貼合,也粘貼一層鋁箔過濾電磁干擾波。

機箱安裝位置遠離強干擾源,切斷與干擾源導體表面的電力線通道,降低設備機箱間耦合電容。將機箱接地。在機箱接地栓處打磨出光潔表面,沒有非導電物質,與接地線緊固連接緊密,防止在飛機飛行時,受振動而松動,產生接觸電阻。接地線盡量短、粗、直,保證較小的接地電阻和電感。對接地處采取防潮和防腐蝕的保護措施。譬如,搭接后涂上環(huán)氧樹脂、填縫劑、密封劑等。

4.3 電纜優(yōu)化

設備的電纜布線是影響系統(tǒng)電磁兼容性的一個重要因素。飛機上的主要電線可分為一次電源線、二次電源線、控制線、低電平敏感線、隔離線、系統(tǒng)布線等。采用系統(tǒng)工程方法、電路技術方法、設計和工藝方法的總和。改善無線電設備、電子設備、電氣設備的性能。降低所產生的干擾電平,增加干擾在傳播途徑上的衰減,降低感受器(敏感體)對干擾的敏感程度。依靠信息的傳輸與處理方法減小電磁干擾作用。

在無人機測試系統(tǒng)安裝部署時,遵從以下原則:(1)無線接收設備應與大功率無線發(fā)射設備盡可能遠離;(2)敏感設備應與干擾源設備盡可能遠離;(3)設備間連線必須按標準設計進行布設;(4)電源線與信號線必須交叉時,應使其盡可能相互垂直;(5)使用同軸線或絞線代替普通導線;(6)為降低電感,敷設的電纜貼近機體。

5 結語

無人機由于飛機結構緊湊,設備眾多、功率較大,對于飛機測試系統(tǒng)的電磁干擾較大,電磁兼容問題愈加突出。本文分析了測試系統(tǒng)電磁兼容不利因素,選取采用接地、屏蔽、優(yōu)化電纜走線等方式改進電磁兼容性方法,有效降低電磁干擾對信號的影響,保證了測試系統(tǒng)和飛機系統(tǒng)的正常兼容工作。

[1]朱麗莉,馮存前,張永順.預警機系統(tǒng)關鍵技術分析[J].情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術,2005,05:67-70+74.

[2]吳高綱.電磁兼容及其預測[J].電子科技,2001,01:34-35

[3]陳煒峰,劉偉蓮,周香.電磁兼容及其測試技術[J].電子測量技術,2008,01:101-104.

[4]張焰.飛機改裝中的電磁兼容技術[J].河北科技大學學報,2011,S1:218-220.

[5]郭燕.飛機加載電子裝備時的電磁兼容分析[J].火控雷達技術,2005,03:84-87+90.

[6]GJB 1389A-2005,系統(tǒng)電磁兼容要求.

[7]GJB1210-91,接地、搭接和屏蔽設計的實施.

[8]GJB 152A-1997,軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量.