機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的電磁防護(hù)

陳振威

摘 要：飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常受到其它電子或電氣設(shè)備干擾，易導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)大量誤碼，并影響其機(jī)載成品正常工作，本文分析了機(jī)載數(shù)據(jù)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種電磁干擾，并介紹了電磁防護(hù)的各種方法。

關(guān)鍵詞：電磁兼容性；屏蔽保護(hù)；干擾抑制

1 引言

機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于飛機(jī)與飛機(jī)、地面指揮臺(tái)之間數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)系統(tǒng)成品分布在飛機(jī)各部分，數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸多樣性分布式發(fā)展，需要的功率及發(fā)射和接收靈敏度提高，向著集成型化和模塊化的設(shè)計(jì)方向，使得機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸密集度愈來愈高，電路系統(tǒng)的電磁干擾環(huán)境的要求越來越高。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中電磁干擾對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_迫使我們必須加強(qiáng)對(duì)研究機(jī)載成品的電磁兼容防護(hù)措施，使得數(shù)據(jù)傳輸具有高度的暢通和可靠性。

電磁兼容性指電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能完成本身功能的共存狀態(tài)，能達(dá)到成品本身正常工作又不產(chǎn)生干擾抑制。機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸具有大功率發(fā)射及高靈敏度接收，所以對(duì)電磁干擾的敏感度要遠(yuǎn)大于其他電子設(shè)備。所以，機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姶偶嫒莘雷o(hù)措施是保證成品正常工作的基礎(chǔ)。本文主要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的收發(fā)電磁屏蔽防護(hù)方法進(jìn)行分析研究。

2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的搭地設(shè)計(jì)

電磁干擾通過地線把無用信號(hào)送入數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部，這個(gè)信號(hào)隱蔽性高不易被識(shí)別。地線的各種電流通過它回到各自的電路里，若接收機(jī)地線布置不當(dāng)，電磁干擾通過地線容易引入，使得成品無法正常工作。

2.1 搭地保護(hù)方式

搭地的含義是為了電路或系統(tǒng)提供一個(gè)等電位點(diǎn)或面，為系統(tǒng)提供低阻抗回路，接收機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)地線設(shè)計(jì)基本原則是地線長度應(yīng)小于最短波長的1/20。

措施如下：

機(jī)殼、屏蔽殼與地線應(yīng)緊密的結(jié)合成一個(gè)整體，盡量降低它們之間的連接電阻和連接電感。

電路中最好采用大面積接地，印刷版地線也要加寬，用來減少地的分布電感量，降低它的特性阻抗。

接地應(yīng)和退耦措施、電源布線等綜合考慮，使電路中的交流分量就近接地，并能以最短的距離放回電路中。

合理布置地線，使所有地電流各走各的路，盡量互相不感應(yīng)，少耦合，避免地電流構(gòu)成閉環(huán)回路。

2.2 搭地形式及搭地方法

地的形式有三種形式，即模擬信號(hào)地、數(shù)字信號(hào)地和噪聲地。接收機(jī)中的模擬電路和它們的電源等地線均為模擬信號(hào)地；數(shù)字電路和它們的電源等地線均為數(shù)字信號(hào)地；交流電源的變壓器和交流電源線的屏蔽地均為噪聲地。三者應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分，以減少由地線帶來的干擾。

接地方法數(shù)據(jù)系統(tǒng)采取的搭地分為以下幾種：

懸浮地指電子設(shè)備的地線與周圍的地絕緣，以防機(jī)殼與地線上的串?dāng)_信號(hào)耦合干擾該設(shè)備。該設(shè)備的信號(hào)通過電纜與其他電路系統(tǒng)連結(jié)，通過電纜外導(dǎo)體與其它電路地線相連接，一般用于特殊的保護(hù)電路。單點(diǎn)搭地用多個(gè)數(shù)據(jù)提供公共參考點(diǎn)連接在一起。其特點(diǎn)不存在阻抗耦合和低頻地環(huán)路的問題。多點(diǎn)接地（f>10MHz）電路多點(diǎn)接地時(shí)，各電路均有信號(hào)線相連，將容易構(gòu)成地環(huán)路。地電壓將疊加在有用信號(hào)上，產(chǎn)生干擾。抑制方法是切斷地環(huán)路。使用多點(diǎn)接地時(shí)一般電路都以機(jī)殼為參考點(diǎn)因此應(yīng)盡量減少接地電阻，接地電感。

在接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，微波電路、中頻模擬電路和高速數(shù)字電路一般采用大面積多點(diǎn)接地方式；而模塊和模塊之間及數(shù)字電路版一般為單點(diǎn)接地；重點(diǎn)保護(hù)電路例如基準(zhǔn)晶振可考慮懸浮地。

某數(shù)據(jù)系統(tǒng)在某科研項(xiàng)目工作中，由于局部空間過小導(dǎo)致多個(gè)設(shè)備地線混亂，測試設(shè)備地線中的回路電流通過了機(jī)載電臺(tái)的地線，從而引發(fā)了對(duì)機(jī)載電臺(tái)的干擾。后經(jīng)過改變地線位置及對(duì)多處地線的處理才解決問題。這說明地線的設(shè)計(jì)確實(shí)會(huì)對(duì)機(jī)載電臺(tái)的工作產(chǎn)生一定影響。

3 數(shù)據(jù)系統(tǒng)屏蔽保護(hù)方法

屏蔽方法用來防止電磁干擾沿空間發(fā)送。適當(dāng)加強(qiáng)屏蔽保護(hù)覆蓋范圍，加強(qiáng)屏蔽線的搭地可靠性可以減少數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)的波動(dòng)。

3.1 數(shù)據(jù)系統(tǒng)的屏蔽設(shè)計(jì)

在電磁兼容的設(shè)計(jì)中，屏蔽體設(shè)計(jì)是非常重要的。屏蔽是抑制一切無關(guān)信號(hào)的重要手段，一般可分三種類型：靜電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽?？臻g任何兩個(gè)帶電物體均可產(chǎn)生靜電場，其中一方電壓的變化必定會(huì)引起另一方的變化，產(chǎn)生靜電耦合?？朔o電耦合最好的方法是利用金屬板作靜電屏蔽體，把受干擾的兩個(gè)源用金屬板做靜電屏蔽體隔開。靜電屏蔽板必須良好接地，否則不起屏蔽作用。

電流在導(dǎo)線中流動(dòng)，其周圍產(chǎn)生磁場，磁場通過互感來感應(yīng)，尤其在3KHz以下的低頻條件下，主要干擾影響是由磁場引起的。電磁屏蔽與電磁場的性質(zhì)、變化頻率、及輻射源和受感器之間的距離等有關(guān)。在接收機(jī)電路系統(tǒng)中，在10KHz以上的電路，一般選用鋁為電磁屏蔽材料，制成的鋁屏蔽盒，優(yōu)良的鋁屏蔽盒對(duì)300MHz信號(hào)屏蔽隔離可達(dá)100dB以上。同時(shí)，在接收機(jī)電路系統(tǒng)中，為了內(nèi)部走線及取出放置電路方便，屏蔽盒一般有蓋板，為了通風(fēng)、散熱等需要開孔和縫，這些使屏蔽體出現(xiàn)間斷點(diǎn)，引起信號(hào)泄露，形成干擾，需要認(rèn)真考慮，正確排列元件的位置，使縫和孔不要切斷感應(yīng)電流，必要時(shí)可將孔改用截止波導(dǎo)管，使孔輻射進(jìn)一步削弱。

3.2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)屏蔽保護(hù)方式

除了屏蔽設(shè)計(jì)以外，組裝技術(shù)也很重要，尤其是對(duì)射頻系統(tǒng)的組裝，更應(yīng)細(xì)心。

屏蔽設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，內(nèi)部電路的屏蔽設(shè)計(jì)，應(yīng)能防止電子線路自身的射頻能量泄漏，同時(shí)，也防止外界電磁能量對(duì)它的影響。防止電路級(jí)與級(jí)之間不必要的反饋和耦合。必要時(shí)可加吸收材料，吸收反饋能量。對(duì)電源加濾波去耦措施，衰減抑制射頻信號(hào)在電子組合內(nèi)部和電子組合之間傳導(dǎo)。射頻接地電阻接地電感越小越好。

屏蔽保護(hù)盒設(shè)計(jì)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸衰減要求較高時(shí)，用組裝盒結(jié)構(gòu)形式較好，它可做成單隔離室形式，也可以設(shè)計(jì)成多個(gè)隔離室形式，即一個(gè)屏蔽盒，內(nèi)分幾個(gè)隔離室。這樣的組裝盒對(duì)靜電場和電磁場均有較好的隔離。制造組裝盒的材料最好選用鋁，它既便宜又輕，對(duì)機(jī)載電臺(tái)的電路系統(tǒng)，隔離效果也好。在裝配這些屏蔽體時(shí)，常遇到長縫泄漏，對(duì)此應(yīng)采取必要措施，使長縫上能有許多觸點(diǎn)?？捎迷黾勇葆敚釉O(shè)彈性片和加襯導(dǎo)電襯墊等措施。這樣做一定要注意防腐，尤其電化防腐蝕，否則不能長期保持滿意的效果。

射頻傳輸導(dǎo)線設(shè)計(jì)，解決射頻導(dǎo)線的干擾，應(yīng)合理選取傳輸信號(hào)的幅度，正確安排系統(tǒng)電纜走向，脈沖信號(hào)線、交流信號(hào)線相互不應(yīng)綁在一起，尤其大幅度的脈沖信號(hào)，與高純度的信號(hào)在傳輸時(shí)應(yīng)嚴(yán)加區(qū)別。屏蔽設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，首先需要熟悉所涉及的電路、磁路及電磁場等方面的知識(shí)，同時(shí)，還必須具備一定的電氣結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。

早期一些機(jī)載電臺(tái)經(jīng)常是在地面測試時(shí)性能非常好，而在機(jī)上驗(yàn)證就經(jīng)常會(huì)受到干擾。其原因就是因?yàn)槠帘涡圆贿^關(guān)。如今的機(jī)載電臺(tái)基本上都應(yīng)用了多項(xiàng)屏蔽技術(shù)，很少出現(xiàn)因?yàn)槠帘尾缓玫脑蚴艿狡渌娮雍碗姎庠O(shè)備的干擾。

4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的電磁兼容

4.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的電源電磁兼容設(shè)計(jì)

在電磁兼容試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來自電源方面的干擾也會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸。

電源外部進(jìn)來的數(shù)據(jù)信號(hào)，它即可從交流供電線引入，也可以是電磁干擾方式進(jìn)入；電源本身的噪音由于電源要給很多電路供電，這些電路的電流變化將在電源及饋線的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，這些電壓降又隨電源送到其他電路，引起相互干擾。

抑制方法如下：電源變壓器的屏蔽措施

電源變壓器屏蔽，初次級(jí)繞組之間要加靜電屏蔽，減弱由初級(jí)交流電源中進(jìn)來的干擾，整個(gè)變壓器加磁屏蔽，抑制變壓器磁場帶來的干擾。所有這些屏蔽都應(yīng)良好可靠接地。濾波退耦，每個(gè)電路系統(tǒng)和每塊印刷電路都要在電源進(jìn)入端接濾波去耦電路，在電路中每級(jí)電路和單元都要再接一級(jí)濾波去耦電路，濾波去耦電路通常有一只幾十μF的 電解電容與一只零點(diǎn)幾μF或幾千PF的高頻電容并聯(lián)組成。

電源輸入端除了加濾波退耦電路外，還可加一級(jí)有源濾波器。這樣的有源濾波器可使有源紋波改善一個(gè)數(shù)量級(jí)；對(duì)電源噪聲也有良好的抑制作用，但缺點(diǎn)是降低了電源電壓。

選擇合適電源線，電源的饋線線直徑粗細(xì)合理，屏蔽保護(hù)緊密，使用雙絞線屏蔽線。印制板上的饋電線條要足夠?qū)挘瑴p小引線電感量，降低特性阻抗，削弱揀拾噪聲干擾。電源線的走向應(yīng)考慮先后秩序，不應(yīng)形成閉環(huán)。電源線盡量短以免易受到干擾侵害。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的干擾和電磁防護(hù)措施

數(shù)據(jù)傳輸干擾可分為兩種。一種是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)線外，當(dāng)信號(hào)電壓和電流加到傳輸線上時(shí)，導(dǎo)線周圍形成電場。解決方法主要靠結(jié)構(gòu)安排，布線合理，加屏蔽等措施來克服。第二種是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)線中，當(dāng)信號(hào)在傳輸線中傳輸時(shí)，有延遲、反射和輻射等，尤其是反射，它將串入其它電路形成反射干擾。解決方法主要是匹配和隔離。

電磁屏蔽與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布線安排密切相關(guān)，不僅對(duì)干擾源進(jìn)行電磁屏蔽，對(duì)敏感源和重要組合也要進(jìn)行屏蔽。屏蔽時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況重點(diǎn)實(shí)行磁屏蔽和電屏蔽。不論那一種屏蔽都應(yīng)注意應(yīng)良好的單接地。對(duì)最敏感的重要電路，如晶振需要加減震屏蔽措施。對(duì)較敏感電路及干擾源等可加適當(dāng)屏蔽措施，例如低噪聲高增益放大器、設(shè)置在高頻組合中的直流放大電路及鑒相器等都應(yīng)加屏蔽盒。對(duì)大功率大電流及高穩(wěn)定信號(hào)饋線合理屏蔽，同樣要特別注意屏蔽線的接地合理性，降低干擾。在結(jié)構(gòu)上干擾源不應(yīng)靠近敏感電路。合理布線，交直流分開走分別扎線。

組合內(nèi)部走線措施由于電磁感應(yīng)使組合內(nèi)導(dǎo)線與導(dǎo)線之間都存在相互感應(yīng)問題，形成信號(hào)串?dāng)_，所以要求信號(hào)線相互距離要盡量遠(yuǎn)一些，走線不要平行，導(dǎo)線不應(yīng)太細(xì)并盡量短，盡可能靠近地線傳輸。長線應(yīng)使用同軸電纜，減少撿拾其他干擾信號(hào)。信號(hào)傳輸?shù)娜肟诘匠隹诜较蚺懦梢蛔中?，避免迂回。?duì)數(shù)字集成電路，都是一種電壓較低電流較大的低阻器件，所以受電場引起的干擾較小，而受磁場影響較為顯著。傳輸信號(hào)與線間有磁場耦合，即線間存在寄生互感。減小互感就是抑制串?dāng)_的主要措施。對(duì)于匹配與隔離措施，傳輸高頻信號(hào)時(shí)，信號(hào)線往往按長線對(duì)待，因而不匹配引起的反射干擾應(yīng)特別重視，抑制反射的主要措施就是匹配和隔離。一般電路各級(jí)之間應(yīng)有匹配網(wǎng)絡(luò)或阻抗變換器等，輸入和輸出是50Ω，易與同軸電纜匹配。而對(duì)數(shù)字集成電路也應(yīng)注意電路之間的隔離緩沖，防止反射脈沖影響正常工作狀態(tài)。同時(shí)注意各級(jí)輸出下拉和上拉電阻，且匹配電阻應(yīng)接在接收端。雙絞線的特征阻抗一般為120～200Ω，必要時(shí)也應(yīng)接匹配電阻。

某數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在某通道發(fā)射時(shí)對(duì)飛機(jī)操縱系統(tǒng)有干擾。在飛行中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用此通道，飛機(jī)很可能會(huì)出現(xiàn)操縱失控。經(jīng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的發(fā)射通道與操縱系統(tǒng)的控制通道相近，產(chǎn)生的互感引發(fā)操縱控制線路中電流發(fā)生了變化，產(chǎn)生干擾抑制。更改電纜走向和對(duì)電纜本身進(jìn)行抗耦合處理使得問題得以解決。這個(gè)問題提示我們，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)電纜敷設(shè)及屏蔽保護(hù)必須適應(yīng)飛機(jī)整體兼容性。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，要求低相噪屏蔽性電路，布局合理的電磁兼容設(shè)計(jì)，否則絕對(duì)達(dá)不到系統(tǒng)要求的預(yù)定指標(biāo)。我國數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)機(jī)上安裝必須進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)傳輸性能的實(shí)現(xiàn)。屏蔽保護(hù)設(shè)計(jì)和模塊劃分必須適應(yīng)電磁兼容設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姶偶嫒菪栽O(shè)計(jì)需要安全合理的電路設(shè)計(jì)，還須由生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配合，共同完成合理的設(shè)計(jì)。不論是搭地線的設(shè)置，電纜分布走向安排，還是電子組合的屏蔽保護(hù)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)電子組合的排列的放置位置，及各種材料的選擇等都屬于電子結(jié)構(gòu)問題。而屏蔽層的加工制造，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的裝配等將直接影響屏蔽，輻射及傳導(dǎo)效果，我們現(xiàn)有的技術(shù)很難處理的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的電磁兼容問題，其中就包括信標(biāo)機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)射時(shí)為避免受到干擾而采取閉鎖的被動(dòng)措施。

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