直升機(jī)機(jī)載設(shè)備電磁干擾與整改技術(shù)研究

黃福貴，洪 彬，石廣軍

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430000; 2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333001；3.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

1881年，英國著名學(xué)者希維賽德發(fā)表的《論干擾》開啟了電磁兼容研究的序幕。19世紀(jì)80年代法拉第、麥克斯韋、西門子等人的工作，使得人們更深層次地了解到電磁場的空間關(guān)系。電磁干擾指對設(shè)備或者系統(tǒng)產(chǎn)生性能降級或者不能正常工作的電磁現(xiàn)象。例如在RE102電場輻射發(fā)射測試中典型的頻段10kHz～30MHz，是很多設(shè)備的災(zāi)難區(qū)，很多設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)就卡在這一關(guān)。在設(shè)備裝機(jī)之前，電子設(shè)備必須滿足電磁兼容性技術(shù)要求，因此在設(shè)備研發(fā)之初，相當(dāng)重要的一項(xiàng)就是電磁兼容設(shè)計，而如何判定它是否合格就是要對它進(jìn)行電磁兼容性檢測[2]。在如今這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何減少設(shè)備間的相互干擾，使系統(tǒng)正常運(yùn)行，是電磁兼容技術(shù)迫切需要解決的問題。

國內(nèi)對電磁兼容專業(yè)的研究起步較晚，而航空領(lǐng)域電磁兼容專業(yè)相比其他領(lǐng)域電磁兼容發(fā)展顯得更晚一步。直升機(jī)相對于航空領(lǐng)域其他類飛行器而言，機(jī)體較小，而航電系統(tǒng)各項(xiàng)性能又必須滿足，相比之下電磁環(huán)境顯得尤為惡劣。在如此狹窄的空間內(nèi)，滿足各項(xiàng)性能的實(shí)現(xiàn)，往往會出現(xiàn)這樣或那樣的電磁干擾現(xiàn)象，而有些電磁干擾是非常嚴(yán)重甚至是毀滅性的。直升機(jī)領(lǐng)域電磁兼容專業(yè)成立之初，有過對機(jī)載設(shè)備電磁干擾問題的研究和針對故障的解決措施，雖然取得過一些成就，但到目前為止，還處于探索階段，主要存在以下4方面的不足：

1)收集的電磁干擾問題及解決措施數(shù)據(jù)量較少，還沒有較為系統(tǒng)全面的問題庫，局限性較大；

2)對電磁干擾問題的分析有一定的經(jīng)驗(yàn)性和表面性，經(jīng)常出現(xiàn)頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的局面，解決措施比較粗放，往往解決了電磁干擾問題又帶來了減重或者其他電磁干擾的難題；

3)電磁兼容設(shè)計和管控方面比較滯后，往往在整機(jī)設(shè)計之初電磁兼容管控不到位，而最后設(shè)計定型時問題一大堆，不同研究人員得出的結(jié)果往往有偏差，沒有形成公認(rèn)的結(jié)果；

4)電磁干擾及整改技術(shù)往往借鑒其他行業(yè)的電磁干擾處理措施，沒有形成具有直升機(jī)特色，專門針對直升機(jī)特點(diǎn)的整改技術(shù)研究。

本文對直升機(jī)機(jī)載設(shè)備電磁干擾出現(xiàn)的各種現(xiàn)象加以深入分析，形成以直升機(jī)為載體的各種電磁干擾整改技術(shù)，最終將該方法應(yīng)用到直升機(jī)型號研制工作中。

1 電磁干擾原因分析

電磁干擾產(chǎn)生必須存在三個元素：干擾源、干擾途徑和敏感源，所以產(chǎn)品電磁干擾原因分析應(yīng)從這三點(diǎn)出發(fā)。

1)定位干擾源：在整機(jī)眾多機(jī)載設(shè)備復(fù)雜的電磁環(huán)境下如何判定哪個是干擾源或者哪些是共同干擾源，一般采用矩陣表法。整機(jī)航電設(shè)備在出現(xiàn)電磁干擾現(xiàn)象后，除了敏感設(shè)備，逐一把機(jī)載設(shè)備斷路器斷開，直至定位到某機(jī)載設(shè)備或某多個機(jī)載設(shè)備斷路器斷開則電磁干擾現(xiàn)象消失，而斷路器合上則電磁干擾現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。此機(jī)載設(shè)備或者此批多個機(jī)載設(shè)備共同列為干擾源。

2)查找干擾途徑：電磁干擾從干擾路徑又分為傳導(dǎo)干擾(CE)和輻射干擾(RE)兩種。定位干擾源后，應(yīng)立即著手查閱干擾源的設(shè)備級電磁兼容檢測報告，干擾源的整機(jī)布線布局。針對傳導(dǎo)干擾和輻射干擾可分別使用電流檢測探頭和近場探頭，分析機(jī)載設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射值和輻射發(fā)射值，結(jié)合機(jī)載設(shè)備的電磁檢測報告定位干擾途徑。

3)分析敏感源被耦合方式：敏感源受干擾一般為傳導(dǎo)耦合和空間輻射耦合，查找敏感源設(shè)備級電磁兼容檢測報告，分析其傳導(dǎo)敏感度和輻射敏感度，并針對性地做一些臨時整改，基本可以確定是哪種耦合方式。

2 電磁干擾整改技術(shù)分析

鄭軍奇[4]提出的傳統(tǒng)整改技術(shù)主要為濾波、屏蔽和接地。林瑞進(jìn)[2]結(jié)合其自身工作實(shí)際提出濾波，即從三要素中的干擾源入手，抑制干擾源，從干擾源的輸入口把無用的干擾信號濾掉，保留有用的信號通過。在電磁兼容設(shè)計和整改中，趙玉峰[1]以干擾途徑分析為入手點(diǎn)，將強(qiáng)信號與弱信號分開，將數(shù)字地與模擬地分開，以免因接地原因?qū)е码姶偶嫒菪圆贿_(dá)標(biāo)；在敏感源的抑制方面，運(yùn)用屏蔽，使用銅箔、鋁箔，在整改措施有效后再使用金屬材料外殼、防波套、噴涂導(dǎo)電漆等。由于電磁環(huán)境往往比較復(fù)雜，朱文立[3]將三種傳統(tǒng)整改技術(shù)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行細(xì)化，整改措施一般采用兩種或者多種方式一起進(jìn)行才能有效抑制電磁干擾。但是上述專家都是針對自己行業(yè)而提出電磁干擾整改技術(shù)，沒有專門針對以直升機(jī)為載體的電磁干擾整改技術(shù)研究。現(xiàn)結(jié)合工作實(shí)際和其他行業(yè)領(lǐng)域，以直升機(jī)為載體的電磁干擾問題和解決措施可歸結(jié)為以下幾類：

1)屏蔽問題

問題現(xiàn)象：電磁干擾問題通過現(xiàn)場使用銅網(wǎng)、銅箔以及鋁箔屏蔽有明顯改善。

解決措施：加強(qiáng)屏蔽，減少縫隙，在屏蔽體的裝配表面處噴涂導(dǎo)電膠、導(dǎo)電漆，使用導(dǎo)電襯墊甚至是鋁箔和銅箔進(jìn)行臨時的補(bǔ)救，其中導(dǎo)電襯墊一般使用金屬絲線編織。

2)布局布線問題

問題現(xiàn)象：電磁干擾問題有時具有個體差異性，機(jī)載設(shè)備定型前設(shè)備級電磁兼容性檢測項(xiàng)目已通過，但整機(jī)裝機(jī)后出現(xiàn)相互干擾。

解決措施：在不影響設(shè)備和系統(tǒng)性能的前提下，排查出干擾源及干擾信號，調(diào)整設(shè)備之間或者設(shè)備內(nèi)部的布局及布線，線纜的走向和排列，以減小設(shè)備或者分系統(tǒng)之間的電磁干擾。

3)接地問題

問題現(xiàn)象：在科研樣機(jī)狀態(tài)下，電磁干擾問題在不同編號機(jī)上的嚴(yán)重程度不一致，甚至出現(xiàn)時有時無的現(xiàn)象，在對機(jī)載搭接處理后有明顯改善。

解決措施：加強(qiáng)接地的性能，降低接地電阻，設(shè)備或者分系統(tǒng)整體要有單獨(dú)的低阻接地。

4)接口問題

問題現(xiàn)象：分系統(tǒng)的各個組件電磁兼容性檢測合格，但是一旦組裝后分系統(tǒng)試驗(yàn)往往會出現(xiàn)這樣或者那樣的問題，而對接口進(jìn)行屏蔽或者對輸入電源進(jìn)行鋁箔改進(jìn)后，故障消失。

解決措施：加強(qiáng)接口的濾波和金屬機(jī)箱與屏蔽層的連接，在電源、信號的輸入輸出線上改進(jìn)或者加裝濾波器。

5)電纜問題

問題現(xiàn)象：在傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)中，尤其是CS114中的曲線5，容易出現(xiàn)敏感。

解決措施：正確選擇傳輸電纜，電纜的屏蔽層必須接地。小信號或者高頻信號盡量使用帶屏蔽線纜，低頻率大電流偏向使用雙絞屏蔽線。

6)關(guān)鍵大功率設(shè)備或者關(guān)鍵部位問題：

問題現(xiàn)象：在系統(tǒng)級電磁兼容性摸底試驗(yàn)中，經(jīng)常會出現(xiàn)幾個設(shè)備同時受一個設(shè)備的電磁干擾。

解決措施：大功率設(shè)備往往是周邊布局的機(jī)載設(shè)備電磁干擾的罪魁禍?zhǔn)祝槍Υ蠊β试O(shè)備，對重要部件、板卡進(jìn)行屏蔽、隔離處置，可以采取安裝金屬隔離屏蔽罩等措施。

7)電路和電源問題：

問題現(xiàn)象：在傳導(dǎo)發(fā)射(例如CE102)和輻射發(fā)射試驗(yàn)(例如RE102)中尤為明顯，時常伴有諧波干擾。

解決措施：修改晶振點(diǎn)，改進(jìn)電源和電路的濾波，以旁路去高頻干擾。

3 電磁干擾整改案例分析

3.1 某型電子設(shè)備輻射發(fā)射檢測及整改

測試標(biāo)準(zhǔn)：GJB 151A-97 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求。

測試場地：屏蔽暗室。

測試設(shè)備：阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN，拉桿天線，ESIB40接收機(jī)。

測試項(xiàng)目：RE102 10kHz～18GHz電場輻射發(fā)射。

整改技術(shù)：改善接地、屏蔽。

測試數(shù)據(jù)見圖1、圖2。

圖1 整改前RE102 10kHz～30MHz垂直極化

圖2 整改前RE102 30MHz～200MHz垂直極化

問題描述與分析：從圖1、圖2可以看出，超標(biāo)部分集中在10kHz～20kHz，1.25MHz～200MHz。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測和外場排故經(jīng)驗(yàn)，低頻段干擾一般是由于電源部分引起的，高頻段的干擾一般是由于設(shè)備外殼的一些縫隙向外輻射造成的。通過排查，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部有浮地，造成接地不良，而且設(shè)備外殼有縫隙，造成電磁信號泄露。通過整改，還有部分頻點(diǎn)超標(biāo)，最后將部分信號線使用屏蔽套后才最終解決。整改后的測試數(shù)據(jù)見圖3、圖4。

圖3 整改后RE102 10kHz～30MHz垂直極化

圖4 整改后RE102 30MHz～200MHz垂直極化

3.2 某型電子設(shè)備輻射敏感度檢測及整改

測試標(biāo)準(zhǔn)：某型無人直升機(jī)系統(tǒng)級電磁兼容性試驗(yàn)大綱[5]。

測試場地：屏蔽暗室。

測試設(shè)備：信號源、功率放大器、輻射天線、場強(qiáng)計、場強(qiáng)探頭。

測試項(xiàng)目：外界強(qiáng)電磁環(huán)境敏感門限試驗(yàn)。

整改技術(shù)：接口問題整改、電纜問題整改、屏蔽[1]。

問題描述與分析：某電子設(shè)備在全機(jī)摸底試驗(yàn)中外界強(qiáng)電磁環(huán)境敏感門限只有20V/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到200V/m的測試要求。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備接口及電纜嚴(yán)重暴露，因此分析設(shè)備敏感是從接口處和線纜處耦合進(jìn)去的，需要對接口和線纜進(jìn)行屏蔽處理以屏蔽干擾信號。整改前后試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)如圖5、圖6。

圖5 某電子設(shè)備整改前技術(shù)狀態(tài)

圖6 某電子設(shè)備整改后技術(shù)狀態(tài)

將插頭后甩出的線纜用金屬防波套進(jìn)行了包裹，塑料插頭與金屬管之間的非金屬部分用銅箔包裹。整改前后輻射敏感度門限如表1所示。

表1 某電子設(shè)備輻射敏感度敏感門限

由于電磁干擾本身比較復(fù)雜，特別是處于復(fù)雜電磁環(huán)境中，電磁干擾問題顯得尤為棘手，解決措施也需要綜合運(yùn)用，一步一步排查分析。上述電子產(chǎn)品電磁干擾與整改，為類似電磁干擾問題及外場排故提供了一定的參考。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，電磁環(huán)境也變得日益復(fù)雜。復(fù)雜電磁環(huán)境下，突出的電磁干擾問題已常態(tài)化，因此電磁干擾整改技術(shù)越來越受到各大科研院所的重視。電磁干擾整改需要理論聯(lián)系實(shí)際，應(yīng)該針對不同的設(shè)備載體形成各行各業(yè)的整改技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。近年來，電磁整改技術(shù)已經(jīng)日益完善，搭接、接地、天線布局、輻射安全性、雷電防護(hù)、靜電防護(hù)、電磁脈沖、高強(qiáng)度輻射場、電纜布局等各方面都可以成為整改技術(shù)的入手點(diǎn)。所以，電磁干擾與整改技術(shù)，是一個對研究人員基礎(chǔ)積累要求較高，不易入門，難度較大的專業(yè)。