直升機中電磁耦合薄弱路徑的確定方法

賈云峰吳 亮*李 紅魏嘉利胡 修馬 超

①(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191)②(陸航學(xué)院基礎(chǔ)部 北京 101116)

1 引言

隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)及智能技術(shù)在直升機上的應(yīng)用，在直升機系統(tǒng)的有限空間內(nèi)，設(shè)備的發(fā)射功率越來越大，接收機的靈敏度也越來越高，因此系統(tǒng)更容易受到電磁干擾[1]。為了保障系統(tǒng)的電磁兼容性，只要切斷電磁兼容三要素中的任意一個就可以有效地抑制電磁干擾，改善系統(tǒng)的電磁兼容性。

在電磁耦合方面，隨著電磁干擾現(xiàn)象的研究[2,3]，準確、快速的電磁數(shù)值計算方法得到了廣泛的運用。機載電子系統(tǒng)由于系統(tǒng)內(nèi)部物理尺寸相差巨大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致剖分網(wǎng)格過多，計算時間和計算資源不可接受，而電磁拓撲為這一問題的解決提供了方法。電磁拓撲的思想[4,5]是將具有較大體積和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分層剝離并轉(zhuǎn)化為一些小體積、結(jié)構(gòu)簡單的分系統(tǒng)。其中電磁拓撲理論最經(jīng)典的方法是BLT方程[6]，它通過建立各層之間的傳遞函數(shù)來實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)電磁耦合問題的研究。電磁拓撲理論得到了廣泛的關(guān)注，文獻[7,8]使用電磁拓撲對復(fù)雜傳輸線網(wǎng)絡(luò)的耦合問題進行了研究分析，文獻[4,9]應(yīng)用電磁拓撲研究了電磁脈沖傳播與耦合問題，文獻[10]研究了多層電磁屏蔽條件下電子器件之間的相互耦合問題，文獻[11]將矩形孔縫的耦合轉(zhuǎn)換成傳輸線網(wǎng)絡(luò)，并使用電磁拓撲計算了機箱的屏蔽效能。但隨著電子設(shè)備集成度的增加，設(shè)備之間的耦合變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的電磁拓撲方法難以對系統(tǒng)進行準確的分層，且各獨立單元之間傳遞函數(shù)的計算也異常復(fù)雜。

為了解決上述問題，本文首先利用電磁耦合的網(wǎng)絡(luò)特性，將系統(tǒng)中設(shè)備的端口映射成頂點并形成耦合有向圖，然后使用比較成熟的數(shù)值算法或試驗獲取孔縫耦合、線纜耦合、天線-線纜耦合等端口之間的S參數(shù)或者衰減特性，最后使用最短路徑算法尋找系統(tǒng)的電磁薄弱環(huán)節(jié)，從而解決了復(fù)雜系統(tǒng)的電磁干擾耦合問題。

2 電磁薄弱路徑分析

2.1 電磁薄弱路徑確定流程

為了準確獲取直升機電子系統(tǒng)中干擾源與敏感點之間的主要耦合路徑，本文提出了一種電磁干擾耦合薄弱路徑的確定方法，提取薄弱路徑的流程如圖1所示。該方法首先將電磁干擾耦合網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成有向圖，然后使用電磁仿真工具和試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法量化并化簡有向圖，最后采用Dijkstra算法尋找出有向圖中的最短路徑。根據(jù)有向圖與耦合網(wǎng)絡(luò)之間的對應(yīng)關(guān)系，最終尋找出薄弱路徑上的關(guān)鍵整改點，從而高效地解決電磁干擾耦合問題。

2.2 構(gòu)建耦合有向圖

本文首先將系統(tǒng)內(nèi)的電磁干擾耦合方式分為：天線-天線，天線-線纜，機殼-機殼，線-線，共阻抗 5類[12]，并結(jié)合系統(tǒng)的工作原理圖和電路原理圖，找出系統(tǒng)可能的電磁干擾耦合路徑。然后將耦合路徑上的設(shè)備端口一一映射為頂點，再根據(jù)系統(tǒng)的耦合關(guān)系和能量傳輸方向?qū)⒏黜旤c連接起來，并信號的傳播方向，從而實現(xiàn)了電磁干擾耦合有向圖標明的構(gòu)建。

圖1 電磁干擾耦合薄弱路徑確定流程

典型電子系統(tǒng)的耦合示意圖如圖 2(a)所示，圖中干擾源通過天線、線纜、孔縫等對敏感設(shè)備產(chǎn)生了干擾。將圖 2(a)中的各端口等效成節(jié)點，形成的電磁耦合有向圖如圖2(b)所示(圖2中沒有標出電纜節(jié)點，因為該模型中不包括電纜耦合)。電磁波在實際傳輸過程中是進行雙向傳遞，在這里僅考慮由干擾源向敏感體的單向傳播。通常機箱孔縫數(shù)量比較多，在進行初始分析時可以對機箱的孔縫進行統(tǒng)一考慮，當確定孔縫是引起干擾的主要路徑時，可以對孔縫進行進一步地細分，如圖2(b)箭頭所示，通過對有向圖的深入分析，最終找出電磁干擾耦合通道的薄弱路徑。

2.3 化簡耦合有向圖

對于單干擾對間的耦合有向圖，即單個起始點和單個終止點，可根據(jù)圖論知識計算出有向圖中各個頂點的度，并標出有向圖的分支，根據(jù)頂點的度和分支來簡化有向圖。化簡的內(nèi)容主要包括：刪除電磁干擾耦合有向圖中頂點的度為0的頂點，即去除系統(tǒng)中不干擾任何其它設(shè)備，也不會被其它設(shè)備所干擾的設(shè)備，如圖3(a)所示，即刪除節(jié)點4A，其中1A為干擾源，3A為敏感點；刪除電磁干擾耦合有向圖中與源點和終點不連通的子圖，即去除系統(tǒng)中干擾能量不通過的設(shè)備，如圖3(b)所示，即刪除節(jié)點4B,7B,8B形成的子圖，其中1B為干擾源，3B為敏感點；刪除電磁干擾耦合有向圖中不在源點和終點連通路徑上的頂點，即去除系統(tǒng)中其它不相關(guān)的干擾源或敏感點，如圖 3(c)所示，即刪除圖中的節(jié)點4C和節(jié)點7C，其中1C為干擾源，3C為敏感點。

圖3 電磁干擾耦合有向圖化簡

2.4 耦合有向圖賦值

在單個干擾對間的電磁干擾耦合網(wǎng)絡(luò)中，某個頻點處的干擾能量在傳遞的過程中可能包含的損耗有：濾波器損耗fL，線纜損耗lL，線纜間耦合lA，天線-線纜耦合tlA ，天線-孔縫耦合taA ，天線間耦合等，將各損耗量用dB進行表示，則該鏈路上的總損耗量為

當某耦合路徑是電磁干擾耦合網(wǎng)絡(luò)中所有干擾能量損耗最小的路徑時，即耦合有向圖中的最短路徑，因此可以用有向圖的最短路徑來表征電磁干擾耦合薄弱通道。其中，有向圖中任意兩頂點間的衰減量，可以通過仿真或試驗的手段獲得。在系統(tǒng)中，設(shè)端口i到端口j在頻率f條件下的損耗值為ijL，則對應(yīng)的有向圖中頂點i到頂點j的一條邊的數(shù)值就為ijL，且方向為i→j。為了準確地獲取耦合有向圖中所有的ijL，即耦合網(wǎng)絡(luò)矩陣，對于干擾信號在濾波器和線纜中的損耗量，可以通過對濾波器和線纜兩端的傳遞特性進行測試或計算來獲取；天線-線纜間耦合的仿真和測試，采取逐一在某個天線或線纜端加入激勵信號，而其它天線或線纜端接入負載，然后計算或測試天線-線纜間的損耗值；對于天線間的耦合，通過建立天線模型并進行仿真或測試，來得到各天線端口間的隔離度數(shù)據(jù)；線纜間耦合的獲取，需要將帶天線的線纜進行等效(例如帶天線的線纜需要使用等效阻抗替換天線)，從而得到線纜間的損耗值。對于多線纜的耦合，同樣需依次在某一線纜端加入激勵信號，而其它線纜端接入等效負載，從而計算或測量該線纜和其它線纜間干擾信號的傳遞損耗值；對孔縫間耦合的粗分析，只計算機箱的整體屏蔽效能，在進行細分析時，需要對部分孔縫進行封閉來分別考慮不同孔縫的屏蔽效能。

2.5 薄弱耦合路徑尋跡

圖論與不斷發(fā)展完善的計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法的有效結(jié)合使得最短路徑算法不斷涌現(xiàn)，目前此類最短路徑的算法大約有17種以上。文獻[13]對其中的15種方法進行了測試，結(jié)果顯示Dijkstra算法更適合于計算兩點間的最短路徑問題，但效率不高。文獻[14]針對該算法的 3個缺點提出了一種改進的Dijkstra算法，Dijikatra算法在各個領(lǐng)域進行了廣泛的應(yīng)用[15,16]。耦合有向圖中兩頂點之間的最短路徑可以說是最常見的最短路徑問題，Dijkstra算法簡單易用，是目前應(yīng)用較多的算法，且采用結(jié)點-弧結(jié)構(gòu)的存儲結(jié)構(gòu)，適合于本文中耦合有向圖的求解，因此采用Dijkstra算法來進行最短路徑尋跡。

圖4 最短路徑尋跡流程圖

(2)如果i=S V，尋找完畢，算法終止，這時對每個；否則轉(zhuǎn)入(3)進行迭代計算。

2.6 鏈路關(guān)鍵點選取

單干擾對間耦合有向圖的化簡、賦值、尋跡方法同樣適用于同頻多設(shè)備對和多頻多設(shè)備對。它們的不同點在于：在同頻單設(shè)備對的有向圖中只有單個源和敏感點，只需進行一次最短路徑尋跡；同頻多設(shè)備對的有向圖中，擁有多個干擾源和多個敏感點，進行有向圖化簡時需要考慮所有干擾對，需要依次使用最短路徑算法確定有向圖中每一個干擾源和敏感點間的最短路徑；多頻多設(shè)備的有向圖中，需根據(jù)每個分析頻點得到多個單頻多設(shè)備對的電磁干擾耦合有向圖，并依次使用最短尋跡算法確定每一個有向圖中的每一個干擾源到敏感體間的最短路徑。

以上3種情況的電磁干擾耦合薄弱路徑的關(guān)鍵點選取方法為：(1)同頻單干擾對：只需針對最短薄弱路徑上的設(shè)備進行整改，整改的關(guān)鍵點根據(jù)設(shè)備整改的效費比來確定。(2)同頻多干擾對：(a)對于每一個敏感點，關(guān)鍵點為最短路徑上所有干擾源到該敏感點的重疊路徑；(b)對于每一個干擾源，關(guān)鍵點為最短路徑上該干擾源到所有敏感點的重疊路徑；(c)對沒有重疊路徑的最短路徑，需考慮該最短路徑上的每一個節(jié)點。(3)多頻多干擾對：(a)將所有最短耦合路徑上除了干擾源和敏感體的頂點按照頂點出現(xiàn)的次數(shù)進行排序；(b)出現(xiàn)次數(shù)最多的頂點為關(guān)鍵點，并去除關(guān)鍵點所在的薄弱路徑；(c)判斷出現(xiàn)次數(shù)次之的頂點是否在剩余的最短路徑中，若在則為關(guān)鍵點，并去除關(guān)鍵點所在的薄弱路徑，若不在則考慮下一個頂點，直至包含所有最短路徑。

為了解決復(fù)雜系統(tǒng)的電磁干擾耦合問題，對關(guān)鍵點采取電磁兼容措施后，可再次判斷系統(tǒng)是否仍受擾，若受擾則再次尋找最短路徑，直到滿足要求。線為線纜，Port指向部分表示天線。由該系統(tǒng)的組成框架和工作原理分析得出主要包含的干擾耦合網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，并在此基礎(chǔ)上使用FEKO建立相應(yīng)的電磁兼容仿真模型。根據(jù) 2.4節(jié)的方法，機載天線-線纜間的耦合特性曲線和線纜間的耦合特性如圖7所示。

圖5 直升機設(shè)備布局圖

3 分析實例

采用本方法對某直升機上由電臺和處理機組成的系統(tǒng)進行電磁干擾耦合薄弱路徑的確定，直升機的外形、電纜分布和天線布局如圖5所示，其中虛

由于該電臺在200 MHz處受到處理機的干擾，因此計算每個設(shè)備在200 MHz處的電磁損耗量。按照該方法形成的電磁干擾耦合有向圖如圖8所示。其中主要包含了6條耦合路徑，使用Dijkstra算法對圖8中由頂點D2到頂點D13之間的有向圖進行最短路徑尋跡。表1表示了Dijkstra算法尋跡的結(jié)果，求得處理機到電臺的最短路徑長度為33，即從干擾源(處理機)到敏感設(shè)備(電臺)的電磁損耗量為33 dB，也就是說該鏈路是該系統(tǒng)中傳遞電磁干擾信號能量最多的通道，即系統(tǒng)的電磁干擾耦合薄弱通道。其最短耦合路徑為：處理機→處理機電源線A→電源濾波器→電臺電源線B→電臺。

圖6 電磁干擾耦合網(wǎng)絡(luò)

圖7 耦合特性曲線

圖8 電磁干擾耦合有向圖

表1 電磁耦合路徑

本例屬于單干擾源和單敏感設(shè)備之間的干擾，只需對最短路徑上的鏈路進行處理。本例中干擾信號是通過電源系統(tǒng)進行傳播的，可以在處理機和電臺的電源系統(tǒng)中加強濾波器在200 MHz附近的濾波效果，從而達到對干擾信號的抑制。根據(jù)尋跡結(jié)果還可以看出，干擾嚴重次之的路徑是路徑 1，如果路徑3的抑制不夠還可以對路徑1采取相應(yīng)的措施。路徑3中包含有天線等強耦合器件，因此，在對路徑3進行整改時，盡量不要改動天線的結(jié)構(gòu)、位置等參數(shù)，因為初始的天線布局已經(jīng)滿足了天線隔離度的要求，再次變動會改變天線的布局設(shè)計等，此時可以在天線鏈路中加入濾波器增強帶外抑制，或增加線纜的屏蔽效能。本文的主要耦合路徑為路徑3，在路徑3處理機的電源線上加入濾波器，其濾波器對200 MHz干擾信號的抑制為14 dB，路徑3的衰減量最終變?yōu)?47 dB。整改后干擾消失，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)電磁兼容性的改善。

4 結(jié)論

本文針對機載電子系統(tǒng)的電磁干擾耦合問題，結(jié)合電磁兼容理論和圖論的知識，對單頻單干擾對電磁耦合有向圖的創(chuàng)建、化簡以及最短路徑尋跡進行了詳細的分析，并討論了單頻多干擾對和多頻多干擾對電磁薄弱路徑的確定方法。通過對單頻單干擾對系統(tǒng)的電磁薄弱路徑的分析，表明了該方法的可行性。通過該方法對電子系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的定位，為系統(tǒng)電磁兼容的預(yù)測和整改提供了有效的技術(shù)手段。

[1] 王星, 郝重陽, 陳游. 機載雷達與對抗設(shè)備電磁兼容建模與仿真[J]. 火力指揮與控制, 2010, 35(8): 1355-1358.Wang Xing, Hao Chong-yang, and Chen You. Modeling and simulation of EMC between airborne radar and counterdevice[J]. Fire Control and Command Control, 2010, 35(8):1355-1358.

[2] 朱文立. 國內(nèi)外電磁兼容發(fā)展動態(tài)[J]. 電子質(zhì)量, 2003, 7(1):62-64.Zhu Wen-li. The development of domestic and foreign EMC[J]. Electronics Quality, 2003, 7(1): 62-64.

[3] 蘇東林, 王冰切, 金德琨, 等. 電子戰(zhàn)特種飛機電磁兼容預(yù)設(shè)計技術(shù)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2006, 32(10): 1241-1245.Su Dong-lin, Wang Bing-qie, Jin De-kun, et al.. EMC predesign technologies on EW special aircraft[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2006,32(10): 1241-1245.

[4] Tesche F M. Topological concepts for internal EMP interaction[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1978, 26(1): 60-64.

[5] Im Chang-hwan, Jung Hyun-kyo, and Kim Yong-joo. Hybrid genetic algorithm for electromagnetic topology optimization[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(5): 2163-2169.

[6] Kang Won-june, Lee Vea-o, Mun Sang-kon, et al.. A study for the influence of the EM waves on the cavity with multirectangular apertures using BLT equation[C]. Preceedings of the IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), Toronto, ON, 2010: 1-4.

[7] Besnier P. Electromagnetic topology: an additional interaction sequence diagram for transmission line network analysis[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2006, 48(4): 685-692.

[8] Wang Wei, Qin Yu-jian, and Liu Pei-guo. On the analysis of the load response of transmission line network based on electromagnetic topology-COG[C]. 10th International Symposium on Antennas, Propagation ＆amp; EM Theory(ISAPE), Xi’an, Oct. 22-26, 2012: 1069-1072.

[9] 李高升, 覃宇建, 劉培國, 等. 電磁拓撲結(jié)合積分方程求解電磁脈沖傳播問題[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, 23(1): 10-13.Li Gao-sheng, Qin Yu-jian, Liu Pei-guo, et al.. Method to solve electromagnetic pulse propagation based on combination of EMT and TDIE[J]. Modern Electronics Technique, 2010, 23(1): 10-13.

[10] 戴麗, 謝政, 羅建書, 等. 多層電磁屏蔽的電磁拓撲圖分析方法[J]. 強激光與粒子束, 2006, 18(9): 1524-1526.Dai Li, Xie Zheng, Luo Jian-shu, et al.. Analytical method of multi-level shielding electromagnetic topological diagram[J].High Power Laser and Particle Beams, 2006, 18(9):1524-1526.

[11] Zhang Xu-feng, Li Ying, and Luo Jian-shu. Transmission line network model for evaluating the shielding effectiveness of a rectangular enclosure with apertures[C]. IEEE 4th International Symposium on Microwave, Antenna,Propagation, and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), Beijing, 2011: 781-784.

[12] 陳瓊, 蔣全興, 周開基, 等. 電磁兼容性工程設(shè)計手冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1993: 54-57.Chen Qiong, Jiang Quan-xing, Zhou Kai-ji, et al..Electromagnetic Compatibility Engineering Design Manual[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1993: 54-57.

[13] Zhan F B. Three fastest shortest path algorithms on real road networks[J]. Journal of Geographic Information and Decision Analysis, 1997, 1(1): 69-82.

[14] Wang Shu-xi and Zhao Xing-qiu. The improved Dijkstra,s shortest path algorithm[C]. Seventh International Conference on Natural Computation (ICNC), Shanghai, 2011:2313-2316.

[15] Wang Hui-juan, Yu Yuan, and Yuan Quan-bo. Application of Dijkstra algorithm in robot path-planning[C]. Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), Hohhot, 2011: 1067-1069.

[16] Cuan Ying and Chen Xiao-ni. Application of improved Dijkstra algorithm in selection of gas source node in gas network[C]. International Conference on Industrial Control and Electronics Engineering (ICICEE), Xi’an, 2012:1558-1560.