基于軟件仿真技術(shù)分析電臺(tái)干擾油量表故障

■ 于占輝 薛磊 王倩 王鐵成 王慶/石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司 9403部隊(duì)

CST微波工作室是系統(tǒng)級(jí)電磁兼容及通用高頻無源器件仿真軟件，其應(yīng)用范圍涵蓋電磁兼容、天線/RCS、高速互連SI、手機(jī)/MRI、濾波器等，可計(jì)算任意結(jié)構(gòu)任意材料間的電磁問題。

EveryCircuit是一款電子電路模擬工具，可以建立任何電路，點(diǎn)擊播放按鈕即可觀看電壓和電流的動(dòng)畫。

1 故障描述

某型飛機(jī)由于設(shè)計(jì)時(shí)考慮電磁兼容性試驗(yàn)的等級(jí)較低，導(dǎo)致該型飛機(jī)普遍存在電臺(tái)干擾容量表問題。干擾現(xiàn)象與環(huán)境、電臺(tái)頻率有關(guān)。具體表現(xiàn)為：電臺(tái)在發(fā)射時(shí)，油量表顯示的總油量不同程度地增長50～300kg，個(gè)別飛機(jī)的增長量高達(dá)500～900kg，其中，主油量基本不受干擾。油量系統(tǒng)被干擾的飛參圖如圖1所示。通過飛參判讀，總油量跳變主要由副油量跳變引起。

2 原因分析

該型飛機(jī)電臺(tái)天線安裝于機(jī)身下部。由于地面的反射作用，飛機(jī)在地面時(shí)電臺(tái)發(fā)射的輻射功率得到了增強(qiáng)，使油量表的跳變更加明顯，加之線束的屏蔽等級(jí)偏低以及設(shè)計(jì)時(shí)的電磁兼容性試驗(yàn)等級(jí)低等原因，導(dǎo)致干擾問題多發(fā)。現(xiàn)從電磁兼容三要素入手進(jìn)行分析。

2.1 電磁騷擾源

電磁騷擾源為電臺(tái)天線，電臺(tái)天線的輻射信號(hào)干擾了油量系統(tǒng)。用CST微波工作室建立如圖2所示的天線模型，其中，W為1～128cm，H為6cm，h為1mm。仿真天線輻射方向圖見圖3、圖4、圖5。從圖中可知，天線地的直徑大于12cm時(shí)，輻射方向主要在Z軸方向，天線地的面積越大，效果越明顯。結(jié)合該型飛機(jī)的天線，地面積越大輻射方向越向下，在空中對機(jī)身產(chǎn)品的干擾就越小。

2.2 耦合途徑

電臺(tái)干擾油量表的耦合途徑有兩種：一是空中輻射，即天線發(fā)射的電磁波；一是地電流的磁耦合，即機(jī)身蒙皮中電流產(chǎn)生的磁信號(hào)。

2.3 敏感設(shè)備

本故障敏感設(shè)備為燃油系統(tǒng)。主要的被干擾設(shè)備為距離天線最近的20Q傳感器和20Q傳感器的電纜。將20Q傳感器插頭斷開，分別用示波器在機(jī)身電纜5號(hào)、1號(hào)、2號(hào)線上測量干擾信號(hào)，線束上均存在幅度約2V、頻率為電臺(tái)載頻的干擾信號(hào)（見圖6）。不過，此種情況下油量表顯示器并沒有跳變，說明電氣盒已將此干擾濾除。

圖1 油量系統(tǒng)被電臺(tái)干擾飛參圖

圖2 天線模型

圖3 2cm天線地的方向圖

圖4 12cm天線地的方向圖

圖5 128cm天線地的方向圖

將20Q傳感器連接后，再次用示波器在5號(hào)線上測量。圖7為油量表不跳變的信號(hào)圖，圖8為油量表跳變約700kg的信號(hào)圖。圖7為干擾信號(hào)為正、負(fù)的交流信號(hào)，說明油量表不跳變；圖8為干擾信號(hào)為負(fù)的直流信號(hào)，說明油量表跳變。

參照燃油系統(tǒng)原理圖制作20Q傳感器和電纜的模型圖（見圖9）。利用EveryCircuit軟件仿真三根線被干擾后的情況。圖10中1號(hào)、2號(hào)線干擾信號(hào)的相位、幅度不相等，出現(xiàn)類似圖8的跳變圖形。圖11中5號(hào)線干擾信號(hào)的相位、幅度與1號(hào)和2號(hào)線不相等，出現(xiàn)類似圖7的不跳變圖形。圖12中當(dāng)1、2、5號(hào)線干擾信號(hào)的相位、幅度相等時(shí)，干擾信號(hào)為零。

圖6 干擾信號(hào)

圖7 油量表不跳變的信號(hào)圖

圖8 油量表跳變的信號(hào)圖

仿真說明，只要1、2、5號(hào)線上被干擾的信號(hào)同相且幅度相等，則不會(huì)跳變。如僅有1、2號(hào)線上被干擾的信號(hào)同相且幅度相等，也不會(huì)跳變。

電臺(tái)天線與20Q傳感器的距離約為3m，利用CST微波工作室仿真?zhèn)鞲衅魇艿降碾妶鲚椛鋸?qiáng)度，如圖13所示，從中可以看出，不同頻率對于傳感器的干擾大小是不同的，因此在允許的情況下電臺(tái)應(yīng)盡量選擇對傳感器輻射強(qiáng)度低的頻率。由于影響因素眾多，軟件仿真的結(jié)果存在一定的誤差，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)予以考慮。

圖9 傳感器模型圖

圖10 1、2號(hào)線干擾信號(hào)相位及幅度不等的情況

圖11 5號(hào)線干擾信號(hào)相位及幅度不相等的情況

3 應(yīng)對措施

1）提高電纜抗干擾等級(jí)

圖12 1、2、5號(hào)線干擾信號(hào)相位及幅度相等的情況

將20Q傳感器的三根線束更改為55A1131-22-3/6/9-9三絞屏蔽線，增強(qiáng)抗干擾性（傳感器改后見圖14）。更改為三絞線，不僅利用了絞線可以產(chǎn)生方向相反的磁場信號(hào)和相互抵消干擾信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，而且三絞線上的干擾信號(hào)同相、同幅，類似圖12狀態(tài)。為了避免線束的屏蔽層形成回路，屏蔽層采取單端下地的方式連接，在傳感器端下地，插頭端絕緣。

2）減少天線后向輻射

認(rèn)真打磨天線接觸處，保證電臺(tái)天線接地良好，完善天線輻射方向圖。

3）優(yōu)化電纜鋪設(shè)

因天線是垂直極化方向，20Q線束敷設(shè)時(shí)應(yīng)盡量水平敷設(shè)，盡可能減少垂直線束敷設(shè)的長度。為了減少地電流的影響，20Q線束不能緊貼蒙皮。

圖13 場強(qiáng)頻率圖

圖14 傳感器改后圖

4）等效措施

在允許的情況下，根據(jù)圖13選擇影響小的電臺(tái)頻率。

4 結(jié)束語

某型飛機(jī)電臺(tái)干擾油量表是因?yàn)殡娕_(tái)天線發(fā)射的電磁信號(hào)進(jìn)入油量系統(tǒng)，且三根線束上的干擾信號(hào)幅度、相位不相等而引起的。采用上述措施后，干擾跳變的影響在3kg內(nèi)，完全符合油量系統(tǒng)正常的跳變誤差。