民機飛控電子系統(tǒng)輻射發(fā)射適航試驗技術(shù)研究

路寬, 李愛軍, 李林曉, 汪天博, 王建元

(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院, 陜西 西安 710129; 2.航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所, 陜西 西安 710065)

隨著電子技術(shù)的不斷更新發(fā)展，民用飛機上的機載電子設(shè)備也日益更新，系統(tǒng)越來越復(fù)雜[1]。面向適航鑒定，系統(tǒng)復(fù)雜性及先進設(shè)備帶來了輻射發(fā)射的新挑戰(zhàn)：系統(tǒng)如何在復(fù)雜環(huán)境下通過機載設(shè)備輻射發(fā)射考核。

針對輻射發(fā)射，目前國內(nèi)外學(xué)者主要在產(chǎn)品的芯片發(fā)射、屏蔽效能、交聯(lián)電纜的電磁設(shè)計與防護等方面進行了理論分析、計算仿真以及試驗測試等相關(guān)工作。Heidari等[2]提出一種統(tǒng)計方法來評估印刷電路板(PCB)上的電子系統(tǒng)輻射發(fā)射，采用無窮小電偶極子模擬板級的輻射發(fā)射情況。馬振洋等[3]采用仿真手段對機載電子設(shè)備屏蔽效能進行研究。Jullien等[4]提出一種基于電磁兼容(EMC)規(guī)范方法來設(shè)計電纜束，并通過建模方式對直升機發(fā)動機控制功能設(shè)備進行了仿真結(jié)果的驗證。Hackl等[5]提出通過改善接縫屏蔽方法，可使輻射發(fā)射(RE)電壓電平降低。Rafig等[6]提出了電纜線束接地時差模信號最壞包絡(luò)預(yù)測的等效電路模型和方法，使用電路模擬來計算感應(yīng)信號。Chen等[7]提出一種用于表征共模源的基于分量級測量的方法，該方法可用于預(yù)測各種線束配置的共模電流。Walunj等[8]提出了確定量線束輻射效率的簡單策略，并結(jié)合測量的部件級輻射發(fā)射水平來預(yù)測線纜束的輻射發(fā)射情況。

以上文獻均對輻射發(fā)射做出相關(guān)研究，但對民機適航鑒定參考性不大，原因在于：

1) 試驗設(shè)置不需要滿足適航符合性；

2) 研究對象不具備系統(tǒng)復(fù)雜性；

3) 驗證方法多為仿真評估，缺乏型號試驗支持。

國產(chǎn)民用大飛機項目促成國內(nèi)單位首次承擔(dān)飛控電子系統(tǒng)級鑒定試驗，而目前這在國內(nèi)機載系統(tǒng)級適航鑒定研究領(lǐng)域?qū)儆诳瞻住?/p>

本文將以國產(chǎn)大飛機自主研制為背景，將適航符合性要求轉(zhuǎn)化到工程化方案制定上，分析民機飛控系統(tǒng)復(fù)雜性特征，搭建飛控電子系統(tǒng)級輻射發(fā)射試驗系統(tǒng)，完善系統(tǒng)級適航鑒定試驗和優(yōu)化過程，為國內(nèi)外民機復(fù)雜系統(tǒng)適航鑒定提供經(jīng)驗。

1 輻射發(fā)射試驗適航符合性要求

機載系統(tǒng)輻射發(fā)射試驗的考核要求，源于FAR-25.1353電子設(shè)備及安裝(a)條款中“除非在極小可能的情況下，飛機任何可能產(chǎn)生的電氣干擾不得對飛機或其系統(tǒng)產(chǎn)生危險的影響”,對于機載系統(tǒng)供應(yīng)商來說，主要是通過合格鑒定試驗來表明對該條款的符合性。

在民用航空方面，美國航空無線電委員會(RTCA)第135分會(機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法分會)制定RTCA/ DO-160G[9]機載電子設(shè)備環(huán)境試驗方法第21章中規(guī)定了詳細的輻射發(fā)射測試方法和極限值，以驗證被安裝的設(shè)備符合對干擾控制的能力要求。

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

輻射發(fā)射試驗的目的是考核設(shè)備發(fā)出的電磁干擾不會超過規(guī)定的水平。這些輻射可以在連接的被測件(EUT)之間的線纜上進行，也可以從一根電纜輻射到另一根電纜或EUT上。這些輻射能量也可以直接從EUT孔縫發(fā)射出來。

1.2 輻射發(fā)射原理

從EMC角度來看，可將一個電路中傳遞信號分成2類，即差模和共模[10]。傳遞信號電路需要2個導(dǎo)體構(gòu)成，作為信號往返路徑。當電流在2個導(dǎo)體中的幅度相同、方向相反時，這種傳輸模式稱為差模。然而在實際情況中，差模難以單獨存在于電路中。電路與其周圍結(jié)構(gòu)間的大量寄生參數(shù)導(dǎo)致有電流從電路流向周圍結(jié)構(gòu)，如電路板上的金屬平面、設(shè)備的金屬外殼等。由于電路與其周圍結(jié)構(gòu)不能嚴格對稱，從電路流向周圍的電流破環(huán)了差模信號的平衡，其往返電流不再能夠相互抵消，沒抵消的那部分便形成共模。共模電流在電路中傳輸時通常為同相位的，然后通過電路周圍的其他結(jié)構(gòu)返回，形成完整回路。電路中差模與共模電流的路徑如圖1所示，其中Id為差模電流，Ic為共模電流。

圖1 電路中的差模電流與共模電流

當信號以差模方式傳輸時，由于電路中的電流幅度相同、方向相反，所以當電路在空間上的路徑十分接近時，其在空間中產(chǎn)生的電磁場方向相反，而幅度近似相等，幾乎可以相互抵消。即差模傳輸信號如果沒有形成較大的環(huán)路面積時，在空間中電磁場的輻射比較小。共模信號的幅度相對于差模信號要小得多，但其傳輸路徑使得在空間中產(chǎn)生的電磁場不能很好地相互抵消，所以共模電流通常能產(chǎn)生較高的電磁場輻射。

綜上所述，被測產(chǎn)品輻射發(fā)射通常來源于2類：形成了較大環(huán)路面積的差模信號和共模信號。

1.3 試驗方法

RTCA/DO-160G中輻射發(fā)射試驗的測量頻率范圍為100 MHz～6 GHz；將EUT和試驗測試設(shè)備按照圖2進行連接和布置。EUT工作時，通過天線接收輻射和干擾測量儀器(如頻譜分析儀)掃頻測試結(jié)果來記錄EUT輻射發(fā)射的射頻噪聲電平和波形。

圖2 輻射發(fā)射試驗布置圖

1.4 符合性布局要求

RTCA/DO-160G輻射發(fā)射試驗對現(xiàn)場布局提出明確要求，現(xiàn)場布局直接影響到適航審查符合性及試驗通過性。輻射發(fā)射試驗布局示意圖如圖2所示，需要特別注意以下要求。

1) EUT布置：EUT應(yīng)布置在試驗臺接地平板上，如果EUT有外部接地端子，應(yīng)將其連接到接地平板上，以確保試驗期間滿足安全操作條件。搭接線長度應(yīng)符合安裝說明的規(guī)定。

2) 接地平板：接地平板采用紫銅板、黃銅板、鋁板。紫銅板和鋁板厚度至少應(yīng)為0.25 mm，黃銅板的厚度至少為0.5 mm。接地平板面積大于2.5 m2，短邊至少為0.75 m，兩端與暗室或屏蔽室金屬墻壁水平搭接，搭接間隔應(yīng)不大于1 m。直流搭接電阻建議不大于2.5 mΩ。

3) 電搭接：只有EUT設(shè)計和安裝說明中有規(guī)定時，設(shè)備外殼才能與安裝基座等搭接在一起或?qū)⑵浯罱釉诮拥仄桨迳?。搭接線應(yīng)與安裝說明中的規(guī)定相符。試驗時設(shè)備、連接器和線束的電搭接應(yīng)符合適用的安裝接口文件中規(guī)定的飛機實際安裝情況，試驗報告中應(yīng)描述采用的搭接方法。

4) 互連線纜：構(gòu)型符合安裝接口文件規(guī)定。長度至少3.3 m，不超過15 m。敷設(shè)1 m長度，按實際情況分隔，平行于配置前邊界布線，剩余部分則按“Z”字型向后排列，最近線纜距接地平板前緣10 cm，和EUT連接處的彎曲部分不應(yīng)超出接地平板前緣。與接地平板隔離按飛機安裝方式進行綁扎，非導(dǎo)電支撐物支撐于接地平板上方5 cm處。

5) 電源線：構(gòu)型符合安裝接口文件規(guī)定。長度要求1 m±10 cm。電源線與控制線和信號線按機上實際情況布線，若機上實際布線未知，電源線應(yīng)與控制線和信號線分開布線。按實際情況分隔，平行于配置前邊界布線。當電源回線為本機地時，直接連接至試驗臺(長度小于1 m)接地平板(符合規(guī)定接口文件)。非導(dǎo)電支撐物支撐于接地平板上方5 cm處。

1.5 通過/失敗判據(jù)

將試驗中測得的EUT發(fā)射的傳導(dǎo)/輻射射頻噪聲電平和波形與RTCA/DO-160G第21章對應(yīng)類別的射頻噪聲限制曲線對比，若EUT的輻射射頻噪聲低于限制電平，則說明EUT的射頻電磁噪聲發(fā)射得到了有效控制，符合需求，試驗通過；否則應(yīng)判定為失敗。

2 飛控電子鑒定系統(tǒng)描述

飛控電子鑒定系統(tǒng)(FCE qualification system)的建立適用于RTCA/DO-160G環(huán)境、電磁、電源及集成HIRF閃電試驗，通過系統(tǒng)級鑒定試驗，表明EUT和鑒定試驗系統(tǒng)在適航鑒定系統(tǒng)中的符合性。

2.1 飛控電子鑒定系統(tǒng)

一個典型民機飛控電子鑒定系統(tǒng)，應(yīng)該滿足實際系統(tǒng)的交聯(lián)，組成部分如圖3所示。

圖3 典型飛控電子鑒定系統(tǒng)

被測件(EUT)：主要考核對象，飛控電子系統(tǒng)中主要為飛控電子。

真實負載：實際飛機設(shè)備(如飛機指令傳感器)。

仿真負載：仿真飛機設(shè)備，需設(shè)計為與真實設(shè)備相同的電源載荷，閃電/電磁干擾保護電路，數(shù)據(jù)接口等。

試驗電纜：盡可能逼近機上構(gòu)型符合RTCA/DO-160G要求的電纜。

鑒定試驗軟件：基于飛控實際軟件版本開發(fā)，狀態(tài)與鑒定版本保持一致。

系統(tǒng)判據(jù)：基于飛控系統(tǒng)功能及安全性需求，需要在飛控電子系統(tǒng)運行中實施判據(jù)監(jiān)控。

數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)：實現(xiàn)鑒定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊和采集，并具備加載鑒定系統(tǒng)判據(jù)、實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取功能。

在鑒定系統(tǒng)連接和基礎(chǔ)檢查后，試驗操作人員先對數(shù)據(jù)仿真記錄系統(tǒng)進行上電，通過數(shù)據(jù)仿真設(shè)置輸入數(shù)字激勵；待系統(tǒng)環(huán)境穩(wěn)定后，對系統(tǒng)進行上電，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，調(diào)整真實負載輸入端參數(shù)，在全局復(fù)位后，使系統(tǒng)在預(yù)期的工作場景下運行。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，施加鑒定環(huán)境條件，考核系統(tǒng)并實時監(jiān)控，同時記錄數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2 飛控電子鑒定系統(tǒng)輻射發(fā)射試驗準備

輻射發(fā)射試驗本身很簡單，但在型號首飛和鑒定中卻證明是耗時最長的試驗，原因是飛控電子鑒定系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性，原本對EUT的考核，演化為對于整個鑒定系統(tǒng)的考核。為順利通過輻射發(fā)射鑒定考核，應(yīng)提前做好以下準備：

1) EUT輻射發(fā)射摸底：在EUT進入系統(tǒng)前，應(yīng)先完成EUT輻射發(fā)射的LRU級工程摸底，確保EUT本身通過，或者規(guī)定出EUT在特定頻點的超限容差，這項數(shù)據(jù)一般來自于以往同類產(chǎn)品的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和摸底工程數(shù)據(jù)，例如允許某飛控產(chǎn)品在RTCA/DO-160G第21章M類120 MHz超限6 dB。

2) 試驗電纜和連接器：試驗電纜和連接器的選取需要充分代表該EUT,用于支持適航審定。安裝的逼真程度取決于機載系統(tǒng)的關(guān)鍵性等級。對于電傳飛控系統(tǒng)這類極其關(guān)鍵系統(tǒng)，需要極高的逼真度。

3) 系統(tǒng)布局設(shè)計：依據(jù)試驗室場地實際情況、系統(tǒng)具體連接組成情況，設(shè)計系統(tǒng)布局，主要依據(jù)RTCA/DO-160G對試驗件的布置要求。由于飛控電子鑒定系統(tǒng)數(shù)量龐大，實驗室一般只有提供一個獨立暗室，因此一般將整個飛控系統(tǒng)按照陪試件的2個部分分成盡可能遠的2個區(qū)域塊，將所有負載等陪試件也放入測試區(qū)。

民機飛控電子鑒定系統(tǒng)布局設(shè)計如圖4所示。

圖4 飛控電子鑒定系統(tǒng)布局設(shè)計

4) 系統(tǒng)屏蔽、接地和搭接：恰當?shù)碾姎馄帘巍⒔拥睾痛罱邮窍到y(tǒng)通過輻射發(fā)射試驗的關(guān)鍵要素。按照飛機級需求，采用就近接地和搭接方式，滿足最大阻抗測量要求，某型號中要求系統(tǒng)接地最大阻抗不得高于5 mΩ。

3 適航鑒定試驗過程

2020年筆者與團隊進行了為期數(shù)月的民機飛控電子系統(tǒng)級輻射發(fā)射鑒定試驗，期間進行了大量改善優(yōu)化工作，最終順利通過某型號適航鑒定試驗審定?，F(xiàn)將適航輻射發(fā)射鑒定試驗技術(shù)工作經(jīng)驗總結(jié)如下。

3.1 初始試驗摸底

在初始布局時，主要考慮將被測件盡可能遠離陪試件和負載，電纜按RTCA/DO-160G要求布置走向，搭建飛控電子鑒定系統(tǒng)輻射發(fā)射試驗布局，初始布局照片如圖5所示。

圖5 飛控電子鑒定系統(tǒng)初始布局照片

在完成初始集成布局后，進行輻射發(fā)射試驗摸底，結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)初始布局輻射發(fā)射效果(100～200 MHz)

3.2 技術(shù)分析

根據(jù)測試結(jié)果，輻射發(fā)射的超標點分布在160 MHz以下，該頻段對應(yīng)的電磁波波長較長，遠大于被試產(chǎn)品上孔縫的尺寸，初步定位為互連線纜的輻射導(dǎo)致測試結(jié)果超標。

針對RTCA/DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗程序》布局要求，進行分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)布局中存在以下問題。

1) 部分線纜未放置在金屬桌上而是懸在空中。金屬桌面為線纜上的共模干擾電流提供了回流路徑，當互連線纜下方存在完整的金屬桌面時，共模干擾電流將在桌面上沿著電纜同走向回流，這將一定程度上減小線纜在空間的電磁輻射。而當線纜懸空放置時，共模電流無法從金屬桌面回流，增大了干擾電流的環(huán)路面積，增大了線纜的空間輻射。

2) 互聯(lián)電纜并未按實際情況足夠分開，增大了互連電纜之間的耦合，干擾信號耦合在大量的互連電纜上，增大了線纜的空間輻射。

3) 部分被測產(chǎn)品放置在木桌子上，由于搭接阻抗不夠低，不但沒有為干擾電流流入地提供低阻抗路徑，反而有可能引入新的共模干擾源并增加輻射發(fā)射。

4) 不同金屬桌的連接處沒有良好搭接。當干擾電流穿過不同金屬桌之間的連接處時，如果沒有良好搭接而存在縫隙將改變電流的路徑，增大對外輻射。

5) 由于沒有足夠的金屬接地桌，導(dǎo)致試驗電纜沒有盡可能展開而是卷曲或形成環(huán)路，增加了線纜的對外輻射。同時RTCA/DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗程序》中對于適航鑒定試驗考核集中在以下2點：①試驗結(jié)果通過性;②適航符合性。

摸底時采用的試驗布局也不能滿足對于RTCA/DO-160G中符合性的布局要求，因此需要對試驗布局進行重新優(yōu)化。

3.3 系統(tǒng)布局優(yōu)化

通過以上分析，采取以下策略進行整改：

1) 調(diào)用更多金屬試驗桌，將2個EUT桌移動到一起：允許桌子間使用粘合銅帶，以提高這2個EUT桌之間的接地，并提供EUT桌、試驗電纜桌和負載桌更多接觸面積。

2) 將EUT的試驗電纜束盡可能分開，減少耦合輻射發(fā)射。

3) 通過固定物將所有桌子墊為等高，確保電纜在穿越不同桌面時，具備更好的走向，并嚴格滿足RTCA/DO-160G要求。

4) 對于所有非EUT設(shè)備，也需要確保所有線束都保持在桌子上面5 cm處，因為它們的電纜都直接連接到EUT。經(jīng)過布局優(yōu)化后，最終飛控電子鑒定系統(tǒng)布局如圖7所示。

圖7 飛控電子鑒定系統(tǒng)布局優(yōu)化

3.4 系統(tǒng)鑒定

在完成布局優(yōu)化后，對飛控電子系統(tǒng)進行鑒定考核，需要滿足以下條件：

1) 飛控系統(tǒng)在考核過程中處于正常工作模式下，如圖8所示。

圖8 飛控電子鑒定系統(tǒng)處于正常工作模式

2) 飛控電子系統(tǒng)在布局優(yōu)化后改善效果，如圖9所示。

圖9 飛控電子鑒定系統(tǒng)布局優(yōu)化后輻射發(fā)射效果改善(100～200 MHz)

試驗結(jié)果表明，通過對3.2節(jié)中問題進行整改，輻射發(fā)射結(jié)果顯著改善，對比圖6和圖9，在100～150 MHz之間，系統(tǒng)輻射發(fā)射普遍下降5～10 dB，在140 MHz附近，輻射發(fā)射下降更加明顯，達到15～20 dB。對于160 MHz的單點超標，經(jīng)過整改后，也由原來的48 dB，下降到40 dB，主要由系統(tǒng)電纜走向的搭接改善導(dǎo)致，而不是由產(chǎn)品發(fā)射導(dǎo)致超標。

3) 飛控電子鑒定系統(tǒng)在輻射發(fā)射全頻段(100～6 000 MHz)考核過程中滿足鑒定試驗大綱中輻射發(fā)射要求，如圖10所示。在適航鑒定試驗中同時滿足結(jié)果通過性和適航符合性的雙重要求。

圖10 飛控電子鑒定系統(tǒng)通過全頻段輻射發(fā)射鑒定(100～6 000 MHz)

4 結(jié) 論

輻射發(fā)射試驗成功的關(guān)鍵是試驗現(xiàn)場的搭建設(shè)置。試驗桌到試驗室的合理搭接、試驗桌之間的完整搭接及保持線束高度5 cm的接地平面，都能降低輻射發(fā)射試驗失敗的風(fēng)險。當前試驗環(huán)境是在桌子之間使用銅帶、通過夾子固定桌子銅帶尾端的搭接方法來實現(xiàn)的，不能確?？梢蕴峁┝己玫母哳l低阻抗條件和搭接銅帶的整體寬度(除非在桌子上采用導(dǎo)電膠)，這就會導(dǎo)致線束在通過不同高度桌面時會有高度差，增加適航符合性鑒定不通過的風(fēng)險。

由于飛控電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和需要嚴格滿足的適航符合性，雖然射頻輻射發(fā)射試驗本身并不復(fù)雜，但在型號首飛和鑒定中卻是耗時最長的試驗。系統(tǒng)級適航輻射發(fā)射試驗的通過，能夠顯著表明民機飛控系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下能滿足RTCA/DO-160G的輻射發(fā)射要求，為全機輻射發(fā)射任務(wù)提供有力支撐，同時為其他系統(tǒng)級產(chǎn)品輻射發(fā)射適航鑒定提供參考。