直9直升機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸電纜電磁耦合分析

鹿?jié)蓚?，?鋼，于水游

（1.總參陸航部軍代局駐天津地區(qū)軍代室，天津 300000；2.總參陸航部軍代局駐北京地區(qū)軍代室，北京 100000）

從21世紀(jì)80年代初至今，直9系列直升機(jī)經(jīng)歷了引進(jìn)專利生產(chǎn)、國產(chǎn)化和改進(jìn)改型3個階段的發(fā)展。1992年完成了國產(chǎn)化后，為滿足多種需求，特別是國防建設(shè)的需要，以直9國產(chǎn)化直升機(jī)為平臺，開發(fā)了直9艦載型、偵察型、武裝型等10余種軍事或準(zhǔn)軍事用途的系列直升機(jī),大大拓寬了該系列直升機(jī)的用途[1]。直9直升機(jī)的國產(chǎn)化成功奠定了我國直升機(jī)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，成為我國直升機(jī)自主發(fā)展改進(jìn)改型的立足點[2]。

隨著不斷的改進(jìn)改型，直9直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備種類和數(shù)量不斷增多，射頻設(shè)備種類變化較大，產(chǎn)生了很多電磁兼容問題[3]。直升機(jī)電磁兼容的設(shè)計與控制發(fā)展方向是“預(yù)測分析法”[4-6]。系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計和研制的過程中，采用合理的數(shù)值仿真計算方法，根據(jù)電路布局以及設(shè)備的特性、天線布置方式等直升機(jī)內(nèi)的電磁耦合現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測和分析，為試驗驗證和工程應(yīng)用提供了依據(jù)[7-8]。本文根據(jù)直9系列直升機(jī)的電磁環(huán)境特點，研究其機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸電纜的電磁耦合特性，重點分析傳輸信號頻率、電纜回路之間的距離及屏蔽與電磁耦合之間的關(guān)系，經(jīng)過仿真計算，提出優(yōu)化的布線方式。

1 仿真模型的建立

由于直9系列直升機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸電纜上的電場分布在縱向上是均勻分布的[9]，因此電纜端口的電場分布可以反映電纜的電磁特性。根據(jù)直9系列直升機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)線電纜的物理參數(shù)，建立二維的數(shù)據(jù)線電纜端口模型進(jìn)行分析計算。實體模型參數(shù)在Ansoft Maxwell中利用基本繪制工具建立數(shù)據(jù)傳輸電纜端口和金屬屏蔽層截面的模型[10]。由于本仿真要分析金屬屏蔽對數(shù)據(jù)傳輸電纜之間電磁兼容的影響，因此先建立兩條并行數(shù)據(jù)傳輸電纜端口模型，分析計算后在該基礎(chǔ)上再建立金屬屏蔽層。數(shù)據(jù)傳輸電纜端口模型各部分尺寸及材料的基本參數(shù)如表1所示。

表1 模型相關(guān)尺寸及材質(zhì)的相關(guān)參數(shù)

按照以上尺寸，建立好的模型如圖1所示。在建立好的模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元計算分析的要求[11]，對模型進(jìn)行網(wǎng)格的剖分。根據(jù)電磁場理論可知，電磁場的求解就是麥克斯韋方程組的求解，為了保證麥克斯韋方程的有效性，需要假設(shè)場矢量是單值、有界且在空間沿其導(dǎo)數(shù)方向連續(xù)。因此，合理的邊界條件是計算進(jìn)行和準(zhǔn)確性的前提條件。本仿真使用的是Ansoft Maxwell中的交變電場求解器，在交變電場條件下包括默認(rèn)邊界條件(Default Boundary Conditions)、狄利克萊邊界條件(Vector Potential Boundary)、對稱邊界條件(Symmetry Boundary)、無窮遠(yuǎn)邊界條件(Balloon Boundary)和主從邊界條件(Master/Slave Boundary)。由于直9系列直升機(jī)的機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸總線的位置相對獨立，以盡量避免其他設(shè)備的干擾電磁，所以本仿真采用無窮遠(yuǎn)邊界條件。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸電纜模型Fig.1 Model of data transmission cable

2 仿真結(jié)果分析

對直9系列直升機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸電纜之間的電磁耦合，可以使用感應(yīng)電壓的大小來表征。激勵信號的頻率、電纜之間的距離等因素，都會影響數(shù)據(jù)傳輸電纜中的感應(yīng)電壓。仿真計算首先假設(shè)兩根數(shù)據(jù)傳輸電纜處于真空中，相接處平面為理想的絕緣平面、理想的電場邊界條件。對未加裝金屬屏蔽層的模型進(jìn)行仿真計算。對負(fù)載回路的兩根電纜的導(dǎo)電線芯加載幅值相同、相位相差180°的交變電壓激勵。通過設(shè)置合理的計算條件，對模型中非負(fù)載電纜的感應(yīng)電壓進(jìn)行計算，計算后可得電感應(yīng)分布云圖，如圖2所示?？梢娂虞d交流電壓激勵的電纜回路對未加載電壓的電纜回路有電場的耦合作用，這個電場的耦合作用可能會干擾電纜中正常信號的傳輸。

圖2 電纜端口電場分布Fig.2 Electric field distribution of cable port

2.1 頻率對感應(yīng)電壓的影響

直9系列直升機(jī)的機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸電纜工作頻率在1～100MHz之間，所以仿真過程中首先使兩根數(shù)據(jù)傳輸電纜平行相鄰，選擇 1MHz，10MHz，20MHz，…，100MHz及75MHz這幾個頻率對非負(fù)載電纜中感應(yīng)電壓進(jìn)行計算，輸入信號頻率與感應(yīng)電壓的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可見，感應(yīng)電壓在70～80MHz之間到達(dá)最大。這是由于高頻傳輸?shù)碾娎|具有天線的輻射特性。天線能夠定向輻射和接收電磁能量，是由于時變的電流和被加速的電荷都可以產(chǎn)生輻射，輻射產(chǎn)生的電磁能量能夠在空間中傳播[12]，被外界導(dǎo)體所接收。數(shù)據(jù)總線傳輸電纜在高頻傳輸時，會對外輻射能量，這個能量可以被外界的導(dǎo)體設(shè)備接收，與對稱振子天線的某些輻射特性具有相似性。

圖3 傳輸頻率與感應(yīng)電壓的關(guān)系Fig.3 Relation between frequency of the signal transmission and induced voltage intensity

在對稱振子天線理論中，當(dāng)天線的金屬導(dǎo)體的長度等于傳輸和接收的電磁波波長的1/4時，天線的接收和發(fā)射效率達(dá)到最高。當(dāng)輸入信號的頻率為75MHz時，波長為4m，由于仿真過程中材料參數(shù)的設(shè)定都是單位長度1m的標(biāo)準(zhǔn)，所以相當(dāng)于波長的1/4，因此數(shù)據(jù)傳輸電纜在75MHz的頻率下的發(fā)射和接收效率最大。在仿真試驗的條件下，對稱振子天線的相關(guān)理論可以解釋感應(yīng)電場強(qiáng)度的大小與輸入信號頻率變化之間的關(guān)系。

2.2 線間距離對感應(yīng)電壓的影響

加載激勵的電纜發(fā)射的電磁波在空間傳播過程中會有能量的損耗，若增大電纜回路之間的距離，可以減小電磁耦合干擾。直9系列直升機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸總線的長度在1～1.5m之間，所以本文選擇60MHz的傳輸頻率計算電纜回路之間距離改變時的電磁耦合情況。由于直升機(jī)上的空間有限，所以不可能無限增大數(shù)據(jù)傳輸電纜之間的距離。本文仿真根據(jù)直9系列直升機(jī)的機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸電纜的空間要求，選擇兩根電纜之間距離為0.5mm，1mm，1.5mm，…，4mm，計算未加載激勵電纜回路的感應(yīng)電壓?？傻玫饺鐖D4所示的電纜之間距離與感應(yīng)電壓強(qiáng)度之間的關(guān)系?？梢婋S著電纜回路之間的距離增加，感應(yīng)電壓成減小的趨勢，在距離為1.5mm時感應(yīng)電壓減小明顯。

本文仿真的機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸總線電纜、負(fù)載激勵信號的電纜回路與非負(fù)載電纜回路構(gòu)成幻路，幻路中電磁波的傳輸也有衰減特性[13]。當(dāng)兩個數(shù)據(jù)傳輸總線電纜之間的距離為1.5mm時，兩根電纜的導(dǎo)電線芯間的中心距離與導(dǎo)體線芯直徑之比接近2.3，衰減比較小，所以在未負(fù)載激勵中耦合的能量也比較小，表現(xiàn)為感應(yīng)電壓的減小。

圖4 電纜之間距離與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系Fig.4 Relation between distance of cables and induced voltage intensity

3 結(jié)束語

通過對數(shù)據(jù)傳輸電纜的仿真分析，得到了傳輸頻率、線間距離對未加載回路中感應(yīng)電壓的影響。對于文中計算的物理模型，感應(yīng)電壓會在75MHz時達(dá)到最大值，在線間距離為1.5mm時達(dá)到最小值。研究的結(jié)果對相關(guān)類型直升機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸電纜的電磁兼容性能的控制具有一定指導(dǎo)意義。

[1]NIGEL J C．The past，present and future challenges of aircraft EMC[J].Ieee Electromagnetic Compatibility Magazine, 2012:1(1):75-78.

[2]鹿?jié)蓚?，張然，李基?直-9系列直升機(jī)典型電磁兼容問題改進(jìn)措施[J].電子世界，2014(11):97.

LU Zelun，ZHANG Ran，LI Jitang.Improvement measures for typical electromagnetic compatibility of Z-9 series helicopter[J].Electronics World，2014(11):97.

[3]ARCHAMBEAULT B.Concerns and approaches for accurate emc simulation validation[J].Sym.of EMC，2003，16(6)：329-334.

[4]蘇東林，雷軍，王冰切.系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)綜述與展望[J].宇航計測技術(shù)，2007，27(1):34-38.

SU Donglin，LEI Jun，WANG Bingqie.Review and perspective of system-level EMC technologies[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2007，27(1):34-38.

[5]MOORE G.Development, implementation and management of a system level EMC design mitigation plan[C]//2003 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Atlanta:IEEE，2003，1:173-176 .

[6]蔣倩，侯志霞，梁雪梅，等.大型飛機(jī)大部件數(shù)字化對接計算機(jī)仿真技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2013(22):87-89.

JIANG Qian，HOU Zhixia，LIANG Xuemei，et al.Computer simulation technology of digital alignment of large size aircraft large part[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2013(22):87-89.

[7]趙剛，李國成.艦船電磁兼容設(shè)計與仿真發(fā)展對策研究[J].艦船電子工程，2007，27(2):9-12.

ZHAO Gang，LI Guocheng.Development countermeasure investigation of EMC design and simulation for ships[J].Ship Electronic Engineering，2007，27(2):9-12.

[8]王希豹.某型飛機(jī)無線電系統(tǒng)低頻接地設(shè)計的改進(jìn)[J].航空制造技術(shù)，2002(11):71-72.

WANG Xibao.Improvement on the design of low frequency grounding for helicopter avionics system[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2002(11):71-72.

[9]BRUNS H D, SINGER H L.Validation of MoM simulation results[C]//2003 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Atlanta:IEEE，2003:317-322.

[10]PARMANTIER J P.Numerical coupling models for complex systems and results[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2004，46(3)：359-367.

[11]SUN L，NIE J H，WU F J．Study on conducted EMI suppression method in PWM adjustable speed system[C]//CIEP 9th IEEE International Power Electronics Congress-Technical Proceeding.Atlanta:IEEE，2004：230-235.

[12]孟逢逢，朱武.電子設(shè)備中天線的電磁兼容問題分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(19):104-106.

MENG Fengfeng，ZHU Wu.Analysis on EMC problems of antenna of electric equipments[J].Modern Electronic Technique，2005(19):104-106.

[13]陳國凡.電子設(shè)備互連電纜的電磁耦合數(shù)值結(jié)果分析[J].安全與電磁兼容，2008(1):79-80.

CHEN Guofan.Numerical results analysis for electromagnetic coupling of interconnect cables in electronic systems[J].Safety and EMC，2008(1):79-80.