復(fù)雜電磁環(huán)境下機(jī)載飛行控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳旸，許鳴，張孫虎，彭飛，包健，茹坤

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210000)

復(fù)雜電磁環(huán)境下機(jī)載飛行控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳旸，許鳴，張孫虎，彭飛，包健，茹坤

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210000)

分析了機(jī)載飛行控制器所處的復(fù)雜電磁環(huán)境，針對其關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行電磁兼容方面的設(shè)計，以解決傳導(dǎo)敏感度的問題。介紹了電源濾波器的布局、外殼和線纜的結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計，最終滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。

飛行控制器；結(jié)構(gòu)設(shè)計；電磁兼容；濾波器安裝；屏蔽

0 引言

隨著電氣電子技術(shù)在航空飛行器上的成熟應(yīng)用，飛行器所處的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。各類航空電子設(shè)備及分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計為解決使用環(huán)境中的電磁兼容問題作出了貢獻(xiàn)?，F(xiàn)對某型無人機(jī)機(jī)載飛行控制器關(guān)鍵部件做了針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。總結(jié)了結(jié)構(gòu)設(shè)計中濾波器的安裝，接口與線纜屏蔽應(yīng)注意的問題，并給出了對應(yīng)的設(shè)計策略，力圖解決機(jī)載飛行控制器的電磁敏感問題[1-2]。

在某型機(jī)載飛行控制器設(shè)計階段，從分析復(fù)雜電磁環(huán)境入手，采取了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計方法和措施，以滿足GJB151A-97和GJB152A-97中“CS101 25 Hz～50 kHz電源線傳導(dǎo)敏感度”與“CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度”兩項測試，做到了設(shè)備自兼容和一定程度的抗擾度。為機(jī)載設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁兼容性分析設(shè)計提供了實例參考。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境分析

文中設(shè)計的機(jī)載飛行控制器由主飛控、備飛控和雙仲裁3個主要部件構(gòu)成，如圖1所示。主飛控和備飛控采集前級的信號參數(shù)，匯集、判斷、計算，通過串口RS422/232通信，傳送到雙仲裁，雙仲裁通過預(yù)先設(shè)定好的算法和判據(jù)對兩個飛控的輸出做判斷，以監(jiān)測飛行器的各項指標(biāo)，最終輸出到后級。作為整架飛行器的“大腦”，機(jī)載飛行器外部和內(nèi)部所處的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，不同類型的干擾源會對其敏感部件產(chǎn)生干擾，對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。

圖1 機(jī)載飛行控制器功能示意圖

如圖2所示，飛行器外部的干擾源主要有：

1) 自然界的無線電噪聲：以銀河系為例，其頻段在20 MHz～500 MHz范圍內(nèi)；

2) 雷電干擾：雷電現(xiàn)象發(fā)生在離地球表面15 km～25 km處，其頻率在1 kHz～5 MHz范圍內(nèi)，放電峰值電流可達(dá)30 kA，破壞能力極強(qiáng)；

3) EMP：空間中釋放的強(qiáng)電磁脈沖(EMP)具有很寬的頻譜，耦合到敏感設(shè)備上的干擾很強(qiáng)。

飛行器內(nèi)部的干擾來自電源、感性負(fù)載、開關(guān)觸點(diǎn)等，易產(chǎn)生從音頻到百兆頻率的不同程度的干擾。

圖2 飛行器外部的干擾源示意圖

這些內(nèi)部和外部的干擾，可以通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合的機(jī)理影響到敏感設(shè)備。前者通過線束耦合到設(shè)備的電源線、信號線、核心電路、顯示屏等重要部件，干擾信號疊加在有用信號上，使得高度集成、高度精確性、高度復(fù)雜性的電路部件出現(xiàn)敏感現(xiàn)象，例如電源轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓不穩(wěn)定；傳感器數(shù)據(jù)受干擾；舵機(jī)誤動作；GPS定位錯誤等問題，最終影響航空飛行器的使用。

嚴(yán)酷的電磁環(huán)境，使得機(jī)載飛行控制器的各個部件都有可能成為敏感部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)周全的考慮會受到影響的敏感部件，針對關(guān)鍵部件，選擇費(fèi)效比合適的設(shè)計方案，來解決設(shè)備的敏感度問題十分重要，也是電磁兼容設(shè)計中關(guān)注的重點(diǎn)。現(xiàn)從結(jié)構(gòu)布局、外殼屏蔽和線纜屏蔽3個部分做了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)布局

為了提高整機(jī)的電磁兼容性能，在設(shè)計時應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局，全盤設(shè)計接地、屏蔽、搭接等措施。為了實現(xiàn)布局的合理有效，應(yīng)從電路板級考慮靜態(tài)區(qū)域的分布。靜態(tài)區(qū)域應(yīng)包含數(shù)字電路、模擬電路、電源電路、高頻電路、IO接口電路、接地層等部分的隔離。這種隔離避免了PCB板其他區(qū)域的噪聲源干擾及其他敏感電路。如圖3所示，就是飛行控制器中3個子部件在結(jié)構(gòu)布局上的原則示意圖。

圖3 電路整體布局

為了控制電源線的傳導(dǎo)干擾噪聲，在電源輸入端增加EMI濾波器是常見的措施。但濾波器的安裝位置也十分重要。產(chǎn)品布局初期采取了圖4(a)的濾波器安裝位置，但在測試驗證中發(fā)現(xiàn)其弊端，即外界通過電源線耦合的干擾信號在未經(jīng)過濾波器時就已經(jīng)存在于部件的殼體內(nèi)，濾波器的作用無法充分發(fā)揮。后改進(jìn)了安裝位置，如圖4(b)所示，將濾波器移到殼體的入口，并采用屏蔽板隔離。濾波器的外殼也進(jìn)行了良好的接地。通過這樣的結(jié)構(gòu)改動，達(dá)到了傳導(dǎo)敏感度的設(shè)計要求。

圖4 電源濾波器布局

2.2 線纜設(shè)計

接口的設(shè)計除了電路板上的芯片做抗干擾處理，還要選用帶濾波功能的連接器，如航空連接器，其內(nèi)部有小孔徑磁珠。必須要保證濾波連接器良好的接地性能，金屬外殼應(yīng)與機(jī)殼保持良好的電連續(xù)性。采用360°環(huán)接，連接阻抗要小于1mΩ。

機(jī)箱外部的所有連接電纜采用金屬編織網(wǎng)屏蔽線纜，編織密度大于95%。這樣具有屏蔽層的線纜，在傳輸高頻信號(>100kHz)時，屏蔽層應(yīng)雙點(diǎn)或多點(diǎn)接地；如頻率>1MHz或者線纜長度>0.05λ(λ為信號線中最高頻率對應(yīng)的波長)，由于集膚效應(yīng)，使得干擾噪聲電流只在屏蔽層外表面通過，屏蔽層應(yīng)采用多點(diǎn)接地，每隔(0.05～0.1)λ距離接一次地。本設(shè)備外部線纜的屏蔽層采用的是多點(diǎn)接地，接口與線纜的設(shè)計效果如圖5所示。

圖5 接口與線纜的設(shè)計效果圖

2.3 殼體屏蔽

屏蔽是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻臍?、板、套等各種形狀的屏蔽體，并能將電磁能量限定在一定的空間范圍內(nèi)，以抑制輻射電磁干擾的一種有效措施。屏蔽效能(SE)是評估殼體屏蔽的指標(biāo)，但考慮到接縫、散熱、連接器等要素，實際屏蔽體上同時存在多個泄漏耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)有n個泄漏耦合結(jié)構(gòu)，接縫、通風(fēng)口、屏蔽體壁板等各泄漏耦合結(jié)構(gòu)的單獨(dú)屏蔽效能為SEi(i=1, 2, …,n)，則屏蔽體總的屏蔽效能為式(1)所示。

(1)

由式(1)看出，屏蔽體的屏蔽效能由各個泄漏耦合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生最大泄漏耦合的結(jié)構(gòu)決定。在殼體屏蔽設(shè)計時采取了以下3個策略，目的都是將縫隙的泄漏減少到最小。

1) 3個部件的殼體為一次整銑成型；

2) 內(nèi)部電路板采用排插式安裝，整個殼體只保留1個蓋板；

3) 唯一保留的蓋板的接縫處增加導(dǎo)電襯墊。

屏蔽設(shè)計中選用導(dǎo)電性能高的導(dǎo)電襯墊可以對界面的導(dǎo)電狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)控制，以減小界面阻抗。如圖6所示，能夠足夠變形的導(dǎo)電襯墊既能獲得最佳的屏蔽效能，又能確保襯墊維持應(yīng)有的彈性，達(dá)到重復(fù)使用的目的。最終蓋板與殼體接縫處的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示。

圖6 導(dǎo)電襯墊變形程度和屏蔽效能的關(guān)系

圖7 蓋板與殼體接縫處的導(dǎo)電襯墊使用示意圖

3 測試評估

依據(jù)GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114兩個項目進(jìn)行測試，來評估該機(jī)載飛行控制器傳導(dǎo)敏感度設(shè)計的有效程度。CS101是測量直接施加在被測設(shè)備電源線上的連續(xù)波敏感度，主要考核的是電源高次諧波，通常是7次以上的傳導(dǎo)敏感度。而CS114用于檢驗被測設(shè)備承受出現(xiàn)在互連電纜上的射頻干擾信號的能力，采用的是調(diào)制信號，占空比50%、頻率1 kHz 方波進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制，借助電流探頭，將干擾信號耦合到受試線纜上，電源線和信號線都是CS114考核的對象[3-4]。飛行控制器在注入規(guī)定電平的電磁發(fā)射情況下，未出現(xiàn)性能下降或故障，則為合格，否則為不合格。文中的機(jī)載飛行控制器的測試評估要求如表1所示。

表1 測試評估結(jié)果

4 結(jié)語

針對機(jī)載飛行控制器使用的特點(diǎn)，在功能性設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行了針對電磁兼容性要求，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計。給出了結(jié)構(gòu)布局、線纜和外殼屏蔽的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。最后通過了GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114兩個項目最為嚴(yán)酷的測試，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目的，也為其他方面的電磁兼容設(shè)計提供了參考。該設(shè)備現(xiàn)已通過鑒定驗收，投入到某型無人直升機(jī)平臺的使用中。

[1] 蘇東林, 王冰切. 電子戰(zhàn)特種飛機(jī)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, 169(10) : 2100-2104.

[2] 王志強(qiáng), 陳啟忠, 顧幸生. 某航天系統(tǒng)控制器的電磁兼容設(shè)計[J]. 宇航學(xué)報，2009，30(3)：1159-1163.

[3] 國防科學(xué)技術(shù)委員會. GJB 151A-97 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[4] 國防科學(xué)技術(shù)委員會. GJB 152A-97 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

Structure Design of Airborne Controller in Complex Electromagnetic Environment

CHEN Yang, XU Ming, ZHANG Sunhu, PENG Fei, BAO Jian, RU Kun

(NRIST-60, Nanjing 210000, China)

This paper analyzes the complex electromagnetic environment which the airborne controller is in and describes. the structure design of the important units in detail, including the layout of the EMI filter and shielding. The airborne controller meets the demand for GJB151A-97 and GJB152A-97.

airborne controller; structure design; electromagnetic compatibility; layout of filter; shielding

陳旸(1989-)，男，江蘇南京人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為電磁兼容、電氣工程。

V241

B

1671-5276(2015)05-0186-03

2014-04-14