无人机测试系统电磁兼容设计与实现

于洋 王悦飞 周福强

(北京飞机强度研究所,北京 100083)

无人机测试系统电磁兼容设计与实现

于洋 王悦飞 周福强

(北京飞机强度研究所,北京 100083)

飞机上装机的设备大多伴着电磁能量的转换,尤其无人机电磁环境更加复杂。为获取飞机载荷/环境参数而加装的测试系统处于电磁环境当中,受到严峻的考验。本文分析了测试系统电磁兼容不利因素,采用接地、屏蔽、优化电缆走线等方式改进电磁兼容性。应用于某型无人机飞行测试中,有效降低电磁干扰的影响,保证了测试系统和飞机系统的兼容工作。

电磁兼容 无人机 测试系统 接地 屏蔽

1 引言

现代飞机装机设备繁多,向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度、高可靠性方向发展。系统中采用的电气及电子设备数量大幅增加,电子设备的频带日益加宽,不同设备的频率范围相互重叠,功率逐渐增大,信息传输速率提高,灵敏度提高,连接设备的网络越来越复杂。对于无人机系统包括几十种电子设备,它们中有功率巨大的雷达发射机(脉冲功率达到几十甚至几百兆瓦)和短波通信电台,有灵敏度极高的各种接收机,还有各种既辐射电磁能量又对干扰灵敏度高的高速数字电路。它们的发射、接收、信号处理与电源分机都必须安装在体积狭小的设备舱内,占用的频带范围很宽。天线又只能分布在面积和尺寸都受限制的机身上,它们互相之间的电磁干扰,既有天线之间的耦合,又有机舱内导线间、共用电源、共同的回路以及空间辐射等耦合,电磁环境极其复杂。电磁兼容性问题有可能导致飞机不能正常工作,也有可能削弱部分电子设备的技术性能,设备失灵,测试数据失真,甚至引起严重事故。因此,系统的电磁兼容问题,亦即如何保证所有电子设备能同时正常工作,不因相互电磁干扰而降低性能到容限以下是一个重大而复杂的问题[1]。

在某型无人机上加装综合测试系统,包括加装改装GPS系统、振动、过载等传感器,粘贴应变计,敷设测试电缆,对飞机的姿态、载荷、应变、振动、过载、开关量等多种信号进行采集记录,势必会遇到电磁兼容性问题。做好测试系统的电磁兼容性,保证系统和机载设备正常工作,保障系统效能得到充分发挥,保障实测参数的正确可靠,必须在飞行测试项目论证设计时充分考虑,不断探索,使测试系统不断完善完整。“如果一个设备或系统在制造(加装)之前就能对它的工作状态进行预测,改进不合理的设计,进行优化,远比把设备制造(加装)出来后发现问题再加以改进经济得多,安全得多”[2]。因此,必须重视电子设备改装时的电磁兼容问题研究,以保证设备改装后能正常工作,通过各种措施,增强设备或系统抵抗电磁干扰的能力,降低机上设备对测试系统的干扰。

本文在分析机载测试系统电磁兼容性模型的基础上,建立了机载测试设备电磁干扰模型,提出了电磁干扰分层影响,提出接地、屏蔽和优化电缆路径的改进方法,应用于某无人机飞行测试项目中,有效降低了电磁干扰。

图1 机上设备电磁干扰网络

2 电磁兼容模型

电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指系统、分系统、电路和元器件在指定的工作环境中能按设计要求工作,而不会因电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)造成失效或不允许的性能恶化的能力[3]。即研究在有限的空间、时间和频谱资源下,各种电子设备或系统可以共存而不致引起降级,不会因为内部或彼此间存在的电磁干扰而影响其正常工作的一门科学。电磁兼容包括电磁干扰和电磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility,EMS)两方面:(1)任何设备或系统不得因辐射或传导产生的电磁干扰而对其他设备或系统的工作造成有害的影响;(2)不会因其他设备的干扰造成本身工作不正常,即具有抗干扰的能力。

这些参数中,有些相对独立、不会受其他设备、参数变化的影响;有些则相互关联,当其它设备、参数发生变化时,该参数也会发生相应的改变,比如当天线的安装位置和角度发生变化时,天线的辐射特性、功率增益、天线间的极化损耗等参数均会发生变化。通常在测试系统改装中,分析遇到的电磁干扰不利因素,有针对性的选用降低电磁干扰的技术方法,增强测试系统的电磁兼容性能。

3 机上测试系统改装中的电磁干扰

飞机改装是飞机飞行实测的重要环节,涉及到试验飞机上加装的机载测试设备、被测对象,以及按照任务需要对试验机的结构、飞行姿态、发动机、液压管路、环控管路、起落架等重要系统的测试。改装中加装的电气线路或经过改装的原机线路与试验机原有电气线路和系统间存在着复杂的电气或电磁交联,因此,做好电磁兼容防护在飞机改装工作中十分重要[4]。

而无人机测试系统改装中,具有较多电磁干扰的不利因素:

(1)无人机设备舱设备多、安装密集、可用空间狭小,施工空间开敞性差、限制多,改装加装的设备和电线电缆的布局安装难度较大。

(2)无人机上的电气设备众多、用于任务系统的精密、敏感设备较多,大功率设备较多,产生电磁兼容问题的可能性非常严重。

(3)测试参数众多,需要对载荷、应变、数字量、模拟量、总线信号等多种信号采集,测试系统用电功率大,飞机改装面对的电磁环境复杂。

(4)需要对飞机的机翼、机身、起落架、操纵舵面等多个部位进行参数采集测试,电缆在飞机上敷设路径多,必然临近机上其他设备电缆,电磁兼容问题的定位和排除困难。机上系统、电缆若距离很近,即使没有直接连接,没有互传导耦合,由于电路间存在的磁感应或静电感应,也会产生耦合。机载设备的电缆一般都捆扎成束,固定防振,利于维修检查,必然增强了电缆内部导线间的耦合感应作用。据资料报道机载设备中由于电缆引入的干扰占整个电磁干扰的60%[5]。

(5)飞机整机属于大型复杂电子系统,没有大型的屏蔽暗室为之配套,测试系统的改装也是在飞机已经生产定型后,在现有飞机上而不是在飞机总装时进行的,无法完整实现电磁兼容性试验,因此多采用现场测试的方案,保证加改装测试系统与机上成品系统间无干扰,能够正常兼容工作。

由于电磁兼容分析与设计的复杂性,以及各种杂散发射千差万别,很难控制,因此,对于电磁兼容技术来说,其理论计算结果更加需要实际测量来检验,至今在电磁兼容领域对大多数情况仍主要依靠测试来分析、判断、解决问题。

4 测试系统消除电磁干扰方案

通常采用的电磁干扰控制技术有:滤波、吸收与旁路、屏蔽、接地、布局布线、工艺控制、天线配置、频率管理等,以降低所产生的干扰电平,增加干扰在传播途径上的衰减。在无人机测试系统改装中,选用接地、屏蔽和优化电缆路径的方式降低电磁干扰。

4.1 接地

接地是设备或系统正常工作的基本技术要求之一,也是电磁兼容性能高低的关键因素。因此,接地是电磁兼容性最重要的改善方法,它具有效果突出,经济性好的优点,是较容易实现但又难于掌握的一种抑制传导干扰的方法。正确的接地既能抑制干扰的影响,又能抑制设备向外发射干扰;反之,错误的接地反而会引入严重的干扰,设置使电子设备无法正常工作。理想的接地平面必须是一个零电位、零阻抗的物理实体,其上各点之间不应存在电位差,可以作为系统中所有信号电平的参考点。

对接地的基本要求是:(1)接地面应是零电位,它作为设备或系统中所有信号的公共电位参考点。(2)接地线、接地面应采用低阻抗材料制成,并且有足够的宽度和厚度,接地线应尽量短而且足够粗,接地面的面积应足够大。(3)良好的接地要求应尽量减少多路公共接地阻抗上所产生的干扰电压和电感,同时还要尽量避免形成不必要的地回路。(4)数字信号地与模拟信号地分开,大电流信号地与小电流信号地分开,电源地与信号地分开。

一般电缆屏蔽层采用单点接地,敏感数据线屏蔽层在负载端接地,高电平信号线屏蔽层在信号源端接地,在射频屏蔽线的两端以及沿线所有断开(开口)处都必须一一接地,在射频频率高时,必须采用多点接地方式。

4.2 屏蔽

电磁屏蔽是抑制辐射干扰的重要手段,屏蔽设计也是电磁兼容性设计中重要内容之一。屏蔽有两个目的,一是限制内部辐射的电磁能量泄露出该内部区域,二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。

在测试系统中,在粘贴的应变计上覆盖一层锡箔纸,可反射电磁波,防止外来辐射干扰影响。应变电缆线使用屏蔽绞线,一方面采用导线绞合,减小导线所围面积,增大两回路间距离减小电感干扰,另一方面将电缆导线包起来,防止了外部辐射干扰的影响。

测试系统盒体采用整块铝锭一次掏铣成型工艺,而不采用加工铝板再拼合的工艺加工,去除拼接接缝处容易透过电磁干扰波的隐患。在盒体与盒盖接缝处,刷一层导电胶,为进一步降低干扰能级,在接缝外再粘贴一层铝箔,通过上述方法,将测试系统采集器的电磁干扰降到最低。为避免在前面板的缝隙处、插头孔槽位置透过电磁干扰波,孔槽尺寸与插头位置严格贴合,也粘贴一层铝箔过滤电磁干扰波。

机箱安装位置远离强干扰源,切断与干扰源导体表面的电力线通道,降低设备机箱间耦合电容。将机箱接地。在机箱接地栓处打磨出光洁表面,没有非导电物质,与接地线紧固连接紧密,防止在飞机飞行时,受振动而松动,产生接触电阻。接地线尽量短、粗、直,保证较小的接地电阻和电感。对接地处采取防潮和防腐蚀的保护措施。譬如,搭接后涂上环氧树脂、填缝剂、密封剂等。

4.3 电缆优化

设备的电缆布线是影响系统电磁兼容性的一个重要因素。飞机上的主要电线可分为一次电源线、二次电源线、控制线、低电平敏感线、隔离线、系统布线等。采用系统工程方法、电路技术方法、设计和工艺方法的总和。改善无线电设备、电子设备、电气设备的性能。降低所产生的干扰电平,增加干扰在传播途径上的衰减,降低感受器(敏感体)对干扰的敏感程度。依靠信息的传输与处理方法减小电磁干扰作用。

在无人机测试系统安装部署时,遵从以下原则:(1)无线接收设备应与大功率无线发射设备尽可能远离;(2)敏感设备应与干扰源设备尽可能远离;(3)设备间连线必须按标准设计进行布设;(4)电源线与信号线必须交叉时,应使其尽可能相互垂直;(5)使用同轴线或绞线代替普通导线;(6)为降低电感,敷设的电缆贴近机体。

5 结语

无人机由于飞机结构紧凑,设备众多、功率较大,对于飞机测试系统的电磁干扰较大,电磁兼容问题愈加突出。本文分析了测试系统电磁兼容不利因素,选取采用接地、屏蔽、优化电缆走线等方式改进电磁兼容性方法,有效降低电磁干扰对信号的影响,保证了测试系统和飞机系统的正常兼容工作。

[1]朱丽莉,冯存前,张永顺.预警机系统关键技术分析[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2005,05:67-70+74.

[2]吴高纲.电磁兼容及其预测[J].电子科技,2001,01:34-35

[3]陈炜峰,刘伟莲,周香.电磁兼容及其测试技术[J].电子测量技术,2008,01:101-104.

[4]张焰.飞机改装中的电磁兼容技术[J].河北科技大学学报,2011,S1:218-220.

[5]郭燕.飞机加载电子装备时的电磁兼容分析[J].火控雷达技术,2005,03:84-87+90.

[6]GJB 1389A-2005,系统电磁兼容要求.

[7]GJB1210-91,接地、搭接和屏蔽设计的实施.

[8]GJB 152A-1997,军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量.